田烈余，盛堰（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局//國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州　510760）

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基于海馬號ROV富鈷結(jié)殼的鉆取技術(shù)研究**國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（編號：GZH201100307-04-01）

田烈余，盛堰
（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局//國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510760）

摘要：針對大洋海山復(fù)雜地形下，深海淺地層巖芯取樣鉆機(jī)無法鉆取富鈷結(jié)殼的情況下，以海馬號ROV為平臺，設(shè)計(jì)并加裝富鈷結(jié)殼取樣器，并介紹了富鈷結(jié)殼取樣器的基本結(jié)構(gòu)、主要指標(biāo)及其工作原理，也分析了設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和主要參數(shù)，得出實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果及分析結(jié)論。

關(guān)鍵詞：海馬號；ROV；富鈷結(jié)殼；鉆取技術(shù)

0　前言

深海淺地層巖芯取樣鉆機(jī)如圖1所示（簡稱：深海淺鉆）是通過鉆取海底硬質(zhì)固體資源巖芯，獲取巖體第一手地質(zhì)資料的調(diào)查設(shè)備。本鉆機(jī)適用于4 000 m工作水深、海底平均坡度不大于20°、凸凹不平程度不大于20°的作業(yè)區(qū)域。一般都在海山上進(jìn)行作業(yè)，每當(dāng)選址時(shí)海山的斜度大于20°時(shí)，深海淺鉆就難于座底，在“海洋六號”船大洋25航次、27航次都出現(xiàn)淺鉆座底七八次不成功，而重新選址的情況，特別是2015年29航次，站位都是加密站位，重新選址的難度就更加大。每當(dāng)座底不成功，淺鉆在斜坡上滑動的同時(shí)伴隨著扭動，對光纖復(fù)合纜形成極大的傷害，使光纖纜外表的鋼絲松散，從而會導(dǎo)致絕緣不好，而淺鉆作業(yè)時(shí)需要2 700 V的高壓，就存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。淺鉆無法座底，這個(gè)站位的樣品就無法取到，即使重新選址取樣成功，但也背離原有的設(shè)計(jì)意圖，而且許多情況是坡度越大，富鈷結(jié)殼越多。

圖1　深海淺鉆

對于以上原因，對于淺鉆無法座底的站位，需要考慮其他的作業(yè)方式。淺鉆的站位都在海山上，水深一般都小于4 000 m，而“海馬”號ROV的作業(yè)最大水深是4 500 m，滿足淺鉆的作業(yè)要求?！昂ｑR”號ROV在國內(nèi)已成功下潛多次，對設(shè)備的使用、操作、維護(hù)有了一套可行性的辦法?！昂ｑR”號本身就是一個(gè)平臺，在上面預(yù)留了控制接口、液壓接口，為加裝富鈷結(jié)殼取樣器提供了方便。ROV有四個(gè)垂直推進(jìn)器，四個(gè)側(cè)推推進(jìn)器，操作靈活，可為在斜坡上座底提供保障，克服了淺鉆最根本的困難。所以在ROV上加裝富鈷結(jié)殼取樣器是完全可行的。

富鈷結(jié)殼取樣器實(shí)際上一套海底輕型巖芯鉆機(jī)系統(tǒng)，能夠搭載于海馬號五功能機(jī)械手上，利用海馬號提供的液壓動力，在甲板人員操作下完成海底富鈷結(jié)殼的取芯任務(wù)，即將在大洋36航次中進(jìn)行應(yīng)用。

1　取樣器的基本結(jié)構(gòu)和功能

富鈷結(jié)殼取樣器基本結(jié)構(gòu)[1]如圖2所示，其組成和各部分的功能為：動力頭鉆進(jìn)，提供了鉆頭回轉(zhuǎn)的扭矩，取得樣品；鉆具，包括了45 mm的金剛石鉆頭和巖芯管，提供了取芯鉆進(jìn)的鉆頭及其巖芯保護(hù)；供海水系統(tǒng)，沖洗海底沉積物及冷卻金剛石鉆頭；油壓補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，避免動力頭、鉆具在海水高壓下壓壞；拋棄機(jī)構(gòu)，發(fā)生了卡鉆事故時(shí)拋棄鉆進(jìn)在海底的鉆桿，使富鈷結(jié)殼取樣器從海馬號ROV上脫離，使海馬號順利回收；液壓閥箱，為取樣器提供液壓控制功能；攝像系統(tǒng)，對取樣器工作狀態(tài)進(jìn)行觀看；電控系統(tǒng)，對取樣器進(jìn)行檢測和控制。

圖2　富鈷結(jié)殼取樣器

2　富鈷結(jié)殼取樣器主要指標(biāo)

富鈷結(jié)殼取樣器的主要的指標(biāo)為：工作水深為4 500 m，取樣尺寸為?40×?300mm×mm，整機(jī)重量為65 kg，海馬號為其提供動力源20 MPa 和24VDC電源，總功率小于5 kW，最大鉆進(jìn)力500 N，鉆進(jìn)的前后調(diào)整角用海馬號五功能機(jī)械手來調(diào)整，鉆孔的位置也有五功能機(jī)械手調(diào)整，而且根據(jù)攝像系統(tǒng)可以選擇想取樣的位置來取芯。

3　工作要求與設(shè)計(jì)分析

3.1基本工作情況

在海馬號ROV（如圖3所示）的前端加上一個(gè)鉆取取樣器，主要用來在海山鉆取結(jié)殼，特別是在坡度比較大，深海淺鉆無法坐底的地方。它的工作原理是：當(dāng)海馬號的視頻中看到結(jié)殼時(shí)，海馬號慢慢坐底，當(dāng)在四個(gè)垂直螺旋槳的壓力下，海馬號就穩(wěn)穩(wěn)的坐住，在ROV的控制室的電腦屏幕上可以看到鉆取取樣器的每一個(gè)動作，調(diào)整鉆取取樣器的角度，使得和結(jié)殼垂直，控制液壓馬達(dá)和液壓水泵，鉆進(jìn)系統(tǒng)開動，慢慢的接近結(jié)殼，開始鉆取，剛開始為低壓鉆進(jìn)，以免卡鉆，當(dāng)鉆進(jìn)一定深度后，開始中壓鉆進(jìn)，當(dāng)沒有結(jié)殼的黑煙或者鉆進(jìn)深度不明顯時(shí)，可以高壓鉆進(jìn)。當(dāng)鉆透結(jié)殼，看到白煙時(shí)，可以起拔鉆桿，鉆取結(jié)殼完成。當(dāng)發(fā)生卡鉆時(shí)，無法拔起鉆桿，可以使用棄鉆功能，安全回收ROV和鉆取取樣器的本體，只是丟失鉆桿而已，出水后，可以重新安裝鉆桿，繼續(xù)鉆取結(jié)殼。

圖3　海馬號ROV在作業(yè)中

3.2技術(shù)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

（1）技術(shù)設(shè)計(jì)難點(diǎn)一，主要是海馬號ROV可以為富鈷結(jié)殼取芯器提供了穩(wěn)定的鉆進(jìn)支撐力(主要是垂直往下的動力)很小。因?yàn)楹ｑR號要在水中靈活的潛游，海馬號ROV在水中的重力僅為很小的正浮力，僅僅靠四個(gè)垂直推進(jìn)器給富鈷結(jié)殼取樣器提供穩(wěn)定的支撐力，以保證富鈷結(jié)殼取樣器能夠穩(wěn)定的鉆進(jìn)，但是總垂直推進(jìn)器的垂直力不是很大，其中的一部分力還要用于保證海馬號ROV在海底海底坐底時(shí)的穩(wěn)定、安全，能提供給富鈷結(jié)殼取樣器的鉆進(jìn)力為數(shù)百牛，這與陸地普通的巖芯鉆上萬牛的鉆進(jìn)壓力相比，就相去甚遠(yuǎn)。因此必須要設(shè)計(jì)特殊的金剛石鉆頭、鉆具，以滿足極低鉆進(jìn)壓力下的鉆進(jìn)需要[2-3]。

（2）技術(shù)設(shè)計(jì)難點(diǎn)二，為了滿足海馬號ROV水下重量的配載的嚴(yán)格要求，富鈷結(jié)殼取樣器總質(zhì)量不得超過250 kg，而且還要實(shí)現(xiàn)幾種特殊的功能。這就給設(shè)計(jì)帶來了相當(dāng)高的技術(shù)難度，整體富鈷結(jié)殼取樣器必須盡量采用鈦合金或著高強(qiáng)鋁合金材料去制造，另外在設(shè)計(jì)中采取各種必要方法去減輕整機(jī)的質(zhì)量。

技術(shù)設(shè)計(jì)難點(diǎn)三，富鈷結(jié)殼取樣器鉆進(jìn)富鈷結(jié)殼壓力確定，還有就是取樣器鉆頭轉(zhuǎn)速確定、拔取鉆桿時(shí)拔出力的計(jì)算也有很大的難點(diǎn)。

4　主要工作參數(shù)的確定

4.1鉆進(jìn)壓力的確定

海馬號ROV在水中是正浮力的，當(dāng)海馬號要坐底時(shí)必須要用自身的四個(gè)垂直推進(jìn)器產(chǎn)生的1 000 N的下推力，為保證鉆進(jìn)過程的穩(wěn)定，還需要為海馬號保留一部分坐底穩(wěn)定力，因此在開啟四個(gè)垂直推進(jìn)器的情況下也不要大于550 N。在實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)行實(shí)鉆試驗(yàn)，在500 N的鉆進(jìn)壓力下，鉆孔深度為280 mm，滿足取芯的工作需求。

4.2取樣器轉(zhuǎn)速的確定

富鈷結(jié)殼取樣器的轉(zhuǎn)速是影響取樣器的金剛石鉆頭鉆取效率的重要的一個(gè)因素[4]。在這一確定的條件之下，取樣器的轉(zhuǎn)速越高，鉆進(jìn)的速度就越快。根據(jù)鉆進(jìn)的轉(zhuǎn)速公式1去計(jì)算。V-鉆具的鉆進(jìn)速度(m/s)，金剛石鉆頭的的鉆進(jìn)一般取為2.0~4.0m/s，D-鉆頭的公稱直徑(mm)，D=0.78 m。

n=60 V/πD（1）

計(jì)算后n為549～1 294 r/min，因富鈷結(jié)殼取樣器鉆壓很小，鉆孔最大深度為400 mm，可采用的辦法就是采用高速獲得較快鉆進(jìn)速度。在海馬號的很小壓力之下，鉆具的轉(zhuǎn)速就要取高值，所以取n=800～1 500 r/min之間的鉆進(jìn)速度。

5　整機(jī)及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

5.1控制系統(tǒng)

現(xiàn)在的淺鉆是通過光纖通信的，而ROV也是通過光纖通訊，所以只需在ROV上加裝控制筒而已。富鈷結(jié)殼取樣器的控制系統(tǒng)具有良好的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與集中顯示功能，并且對可以對液壓閥組進(jìn)行操作功能。傳感器數(shù)據(jù)包括了下面幾種：取樣器轉(zhuǎn)速磁感應(yīng)傳感器、鉆進(jìn)深度位移傳感器、傾角傳感器、絕緣漏水檢測報(bào)警傳感器。其中轉(zhuǎn)速、位移、壓力、電壓、電流以數(shù)值顯示在顯示屏上，可以進(jìn)行時(shí)時(shí)的檢測。

5.2機(jī)械設(shè)計(jì)

確定整個(gè)鉆取取樣器的框架，所有傳感器的安裝位置。設(shè)計(jì)鉆進(jìn)系統(tǒng)與事故棄鉆機(jī)構(gòu)。由于ROV四個(gè)螺旋槳給予的壓力不如現(xiàn)有的淺鉆大，所以要重新設(shè)計(jì)鉆具系統(tǒng)，以滿足低壓下的鉆具要求。由于ROV在水中是正浮力的，所以要盡量減輕整個(gè)取樣器的重量。

5.3液壓設(shè)計(jì)

鉆取取樣器的液壓系統(tǒng)由油泵組件、液壓控制閥箱、帶壓力補(bǔ)償?shù)挠拖洹⒁簤汗苈泛透饕簤簣?zhí)行機(jī)構(gòu)組成。液壓系統(tǒng)全部采用深海專用液壓元器件，各換向閥和比例控制閥均為電磁驅(qū)動，由水下計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制動作，而鉆取取樣器的動力必須有ROV本體提供，所以要設(shè)計(jì)和ROV本體連接的液壓接口和控制接口。

5.4軟件設(shè)計(jì)

船上甲板操作計(jì)算機(jī)接收水下控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)，如各傳感器數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻等信號，分別在計(jì)算機(jī)顯示屏上不同的部位顯示。鉆進(jìn)操作人員根據(jù)所顯示的數(shù)據(jù)及圖像對富鈷結(jié)殼取樣器的工作狀態(tài)做出判斷，根據(jù)操縱規(guī)程發(fā)出操作指令，已完成鉆機(jī)工作，富鈷結(jié)殼取樣器運(yùn)行的圖像和數(shù)據(jù)將記錄到硬盤上，供后來查看。

6　取樣器的實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

富鈷結(jié)殼取樣器在實(shí)驗(yàn)室條件下，對富鈷結(jié)殼取樣器進(jìn)行了鉆孔實(shí)驗(yàn)，以檢驗(yàn)取樣器的性能。實(shí)驗(yàn)是在水桶中進(jìn)行的，采用了海馬號ROV的液壓動力源，實(shí)驗(yàn)材料為凝固的水泥塊，壓力鉆進(jìn)不大于400 N，富鈷結(jié)殼取樣器取樣的尺寸為?40 mm×?300 mm，結(jié)果證明，富鈷結(jié)殼取樣器的各種性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。這套富鈷結(jié)殼取樣器將用于2015年大洋36航次中。

7　結(jié)論

在海山中無論多么復(fù)雜的環(huán)境，取樣器都是可以使用的，而且能取得滿意的效果，是深海淺鉆的有力補(bǔ)充，將為我國大洋的資源勘查、評價(jià)和礦區(qū)圈定提供可靠地樣品數(shù)據(jù)，也為開采富鈷結(jié)殼提供實(shí)用的工程數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙宏強(qiáng). 7000m深海鈷結(jié)殼取芯器研究［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，3（4）：14-15.

［2］萬步炎. 7000m載人潛器的配套鈷結(jié)殼取芯器［J］.有色金屬，2009（04）：32-33.

［3］萬步炎.深海淺地層巖芯取樣鉆機(jī)的研制［J］.礦產(chǎn)研究與開發(fā)，2006（26）：49-51.

［4］武漢地質(zhì)學(xué)院.鉆探工藝學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1981.

(編輯：阮毅)

The Hai Ma ROV Rich Cobalt Crust Drilling Technology Research

TIAN Lie-yu，SHENG Yan
（Guangzhou Bureau of Marine Geological Survey，Guangzhou510760，China）

Abstract:In view of the ocean seamount under complicated topography，shallow core sampling drill cannot drill deep rich cobalt crust，In the HaiMaROV platform，designed and equipped with rich cobalt crust sampler. And rich cobalt crust sampler is introduced and its working principle，basic structure，main indexes of the difficulties in design are analyzed and the main parameters and laboratory test results and analysis conclusions.

Key words:Hai Ma；ROV；rich cobalt crust；drilling technology

作者簡介：第一田烈余，男，1981年生，山東臨沂人，碩士。研究領(lǐng)域：ROV技術(shù)研究、海洋地質(zhì)調(diào)查及海洋技術(shù)研究。

收稿日期：2015－09－09

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 003

中圖分類號：P715.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0013－03