周家海，寧偉婷

(交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京100088)

0 引 言

隨著海上運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，港口、海峽、水道和內(nèi)河干線的船舶交通流量和交通密度將進(jìn)一步增加，水上交通安全事故時(shí)有發(fā)生。根據(jù)國家水上交通安全監(jiān)管和救助系統(tǒng)規(guī)劃，到2020年，我國重點(diǎn)水域一次溢油綜合清除控制能力達(dá)到1 000 t，水下救援打撈深度達(dá)到300 m［1］。當(dāng)沉船事故出現(xiàn)，發(fā)生溢油險(xiǎn)情的可能性大增，及時(shí)地將事故船舶中存放的商品油或燃料油抽吸出來并過駁到安全船只內(nèi)，是一種有效防范、減輕溢油事故損害發(fā)生的應(yīng)急措施。沉船水下抽油工程專業(yè)性強(qiáng)、施工難度大、作業(yè)工藝復(fù)雜，給沉船存油抽油帶來了一定的不可控因素，增加了發(fā)生二次溢油事故的概率。沉船水下抽油，國內(nèi)外通常采用的辦法是由潛水人員完成水下的勘探、清理、鉆孔、設(shè)備安裝、故障檢測(cè)等作業(yè)，之后通過作業(yè)母船或平臺(tái)操控抽油設(shè)備，完成存油抽吸作業(yè)。受制于下潛深度、水下作業(yè)時(shí)間和水下作業(yè)可視化程度等影響，常規(guī)做法技術(shù)落后，作業(yè)限制條件較多，作業(yè)流程繁瑣復(fù)雜，不利于快速、高效、可靠處置沉船事故的應(yīng)急要求。為提升現(xiàn)有水下抽油作業(yè)的效率和安全，打破現(xiàn)有作業(yè)限制條件，實(shí)現(xiàn)我國沉船存油智能回收關(guān)鍵設(shè)備自主化，提高沉船存油回收作業(yè)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化水平，研制一套具有鉆孔、抽油一體化，遠(yuǎn)程操控、自動(dòng)定位功能的水下鉆孔抽油設(shè)備至關(guān)重要。

1 鉆孔設(shè)備的主要形式

船用水下鉆孔機(jī)是在海洋救撈行業(yè)應(yīng)用的一種特殊裝備，是在船體表面鋼板上進(jìn)行鉆孔作業(yè)的裝置。芬蘭勞模公司、丹麥ROCLEAN 公司、英國VIKMA 公司、美國SLICKBAR 公司等多家國際溢油清污設(shè)備廠商，從20 世紀(jì)70年代就開始設(shè)計(jì)并制造各種沉船存油回收設(shè)備。目前美國SLICKBAR 公司已經(jīng)生產(chǎn)出理論作業(yè)深度不大于60 m、抽油能力不低于500 m3/h的水下沉船抽油設(shè)備［2－3］。國內(nèi)方面，在水下鉆孔抽油領(lǐng)域開展研究的較為典型的單位有海洋石油工程股份有限公司和石油大學(xué)完成的國家“863”項(xiàng)目——水下干式管道維修技術(shù)。水科運(yùn)達(dá)交通科技開發(fā)(北京)有限公司與沈陽自動(dòng)化研究所聯(lián)合完成的國家科技支撐計(jì)劃課題——深水溢油事故處置機(jī)器人研制和其他科研院所參與設(shè)計(jì)的水下遙控鉆孔機(jī)等項(xiàng)目。

鉆孔機(jī)是一種依托作業(yè)母船或平臺(tái)提供動(dòng)力源，通過液壓管線和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)的水下工程作業(yè)設(shè)備。鉆孔機(jī)作業(yè)一般由旋轉(zhuǎn)切削運(yùn)動(dòng)和伸縮運(yùn)動(dòng)完成，前者完成鉆孔作業(yè)，后者負(fù)責(zé)鉆孔作業(yè)過程中控制刀頭的進(jìn)退。常用的水下鉆孔機(jī)設(shè)備按照給進(jìn)作業(yè)方式可以分為油缸推進(jìn)式、差速給進(jìn)式和獨(dú)立絲杠給進(jìn)式3 種。美國SLICKBAR 公司和國內(nèi)一些科研院所設(shè)計(jì)的水下船用鉆孔機(jī)均采用油缸推進(jìn)式(見圖1)。國家“863”項(xiàng)目——水下干式管道維修技術(shù)——設(shè)計(jì)的海底油氣管道開孔機(jī)采用的是旋轉(zhuǎn)給進(jìn)式(見圖2)。國家科技支撐計(jì)劃課題——深水溢油事故處置機(jī)器人研制——設(shè)計(jì)的鉆孔與抽油一體化設(shè)備采用的是獨(dú)立絲杠給進(jìn)式(見圖3)。

圖1 全液壓船用開孔機(jī)Fig.1 Fully hydraulic offshore drilling machine

圖2 海底油氣管道開孔機(jī)Fig.2 Seabed oil and gas pipeline drilling machine

油缸推進(jìn)式鉆孔機(jī)的主體結(jié)構(gòu)是液壓缸，有2種形式，一種是其鉆桿(刀軸)的轉(zhuǎn)動(dòng)完成切削的主運(yùn)動(dòng)，鉆桿依靠液壓缸的伸縮完成切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)由液壓馬達(dá)帶動(dòng)齒輪組驅(qū)動(dòng)［4］;另外一種則是雙液壓缸布置在鉆桿的兩側(cè)成中心對(duì)稱，鉆桿依靠液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)。差速給進(jìn)式鉆孔機(jī)，經(jīng)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，通過齒輪減速帶動(dòng)主軸部件中的套筒及絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸套筒通過花鍵驅(qū)動(dòng)主軸和安裝在主軸下端的開孔刀轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開孔切削的主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸的軸向運(yùn)動(dòng)主要依靠安裝在主軸上端的固定螺母與絲杠之間旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的差速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)主軸在套筒中的軸向運(yùn)動(dòng)［5－6］;獨(dú)立絲杠給進(jìn)式鉆孔機(jī)則是為了實(shí)現(xiàn)精確控制鉆孔作業(yè)的行程采用的一種新型鉆孔機(jī)。鉆孔機(jī)的鉆桿和絲杠進(jìn)退分別采用獨(dú)立的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過減速器的特殊設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿和給進(jìn)裝置的單獨(dú)控制，完成水下鉆孔作業(yè)。

2 鉆孔與抽油一體化設(shè)備

鉆孔與抽油一體化設(shè)備主要由抽油泵、液壓馬達(dá)、減速器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、編碼器、筒體、傳動(dòng)軸、輸油芯軸、筒形刀等部件組成，并結(jié)合設(shè)備使用環(huán)境和作業(yè)條件，裝備可拆卸式多磁路永磁吸盤底座、水下射釘槍和彈性密封圈等輔助部件，從而能夠滿足各種工況的作業(yè)需求。在鉆孔與抽油一體化設(shè)備中，減速器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)軸是核心部件，控制著設(shè)備的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和給進(jìn)運(yùn)動(dòng)。減速器為兩進(jìn)三出型，2個(gè)輸入端連接液壓馬達(dá)，3個(gè)輸出端連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和絲桿并設(shè)置有絕對(duì)值編碼器，以精確控制行程和設(shè)備作業(yè)狀態(tài)。傳動(dòng)軸與輸油芯軸采用整體式設(shè)計(jì)、裝配，輸油芯軸貫穿減速箱，上方與抽油泵聯(lián)接形成抽油通路。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與減速器連接，鉆孔液壓馬達(dá)通過減速器驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)筒形刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，給進(jìn)液壓馬達(dá)通過減速器驅(qū)動(dòng)2個(gè)絲桿實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)鉆孔作業(yè)需要，并通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退等作業(yè)運(yùn)動(dòng)。

鉆孔與抽油一體化設(shè)備的鉆孔機(jī)構(gòu)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)為雙絲桿螺母驅(qū)動(dòng)，與液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相比，能夠有效降低設(shè)備高度，尤其是當(dāng)設(shè)備應(yīng)用于雙層船的船體鉆孔時(shí);與采用差速機(jī)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的鉆孔設(shè)備相比，可實(shí)現(xiàn)鉆孔過程中鉆孔刀具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不停止，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)根據(jù)鉆孔工藝需求間斷進(jìn)行，便于滿足鉆孔工藝中的斷削需求，防止過長(zhǎng)的鐵削卡住刀頭。為了能夠直觀、準(zhǔn)確的掌握水下鉆孔作業(yè)狀態(tài)，設(shè)備在減速器內(nèi)部鑲嵌了編碼器，信號(hào)在水面上遠(yuǎn)程讀取。通過編碼器計(jì)數(shù)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的絲桿旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來確定鉆孔機(jī)構(gòu)進(jìn)給的位置，從而為遠(yuǎn)程控制鉆孔作業(yè)進(jìn)程，如快進(jìn)、工作進(jìn)給、快退等工作提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也便于及時(shí)判斷鉆孔機(jī)是否處于正常作業(yè)狀態(tài)。鉆孔與抽油一體化設(shè)備的主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)性能表Tab.1 The main technical performance

3 對(duì)現(xiàn)有作業(yè)模式的影響

根據(jù)目前國內(nèi)在沉船打撈作業(yè)過程中常用的船舶存油處置作業(yè)模式，可以將處置作業(yè)分為4個(gè)工藝環(huán)節(jié):前期準(zhǔn)備作業(yè)→鉆孔作業(yè)→抽油作業(yè)(加熱)→清理、回收設(shè)備。以潛水員為主的人機(jī)配合水下鉆孔、抽油作業(yè)流程一般為:定位→射釘槍現(xiàn)場(chǎng)固定底座→安裝球閥→攜帶鉆孔機(jī)下潛→安裝鉆孔機(jī)→鉆孔機(jī)試運(yùn)行→鉆孔作業(yè)→移除回收鉆孔機(jī)→安裝抽油泵→抽油作業(yè)→移除回收抽油泵→廢棄底座及球閥。這種作業(yè)模式需要潛水長(zhǎng)時(shí)間、多次往返作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，既增加了作業(yè)周期，又不利于現(xiàn)場(chǎng)情況的及時(shí)解決。

水下鉆孔與抽油一體化機(jī)設(shè)備與水下無人遙控潛水器(ROV)配合作業(yè)的水下鉆孔過程如下:

1)根據(jù)沉船的前期資料和事故海域的水文、海況等資料，確定ROV 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件，并完成對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)的勘探、船舶作業(yè)面清理等工作，為深水沉船存油艙鉆孔與抽油一體化裝備在事故現(xiàn)場(chǎng)的錨固及鉆孔提供條件。

2)操控ROV 完成現(xiàn)場(chǎng)前期勘探、清理等工作，鉆孔機(jī)管道、線纜組裝完畢具備下水條件。把ROV、鉆孔機(jī)放入水中，遠(yuǎn)程操控實(shí)施漂浮狀態(tài)的水面拖帶作業(yè)，驗(yàn)證配合作業(yè)的可靠性。之后，連同作業(yè)線纜、管道一起實(shí)施下潛作業(yè)，由機(jī)器人拖帶至指定作業(yè)區(qū)域。

3)操控ROV 水下調(diào)整鉆孔機(jī)的姿態(tài)，并拖帶至已經(jīng)清理完的船舶作業(yè)面附近，實(shí)施靠近對(duì)位作業(yè)。在水下攝像機(jī)輔助下，母船操控人員遠(yuǎn)程遙控鉆孔機(jī)底座的多磁路永磁吸盤底座，開通磁路實(shí)施吸附作業(yè)。之后，遠(yuǎn)程激發(fā)射釘槍，完成錨固加強(qiáng)作業(yè)。

4)鉆孔機(jī)錨固完成后，ROV 與鉆孔機(jī)脫離，置于鉆孔機(jī)周邊進(jìn)行鉆孔作業(yè)狀態(tài)下的觀測(cè)。母船操控人員在鉆孔機(jī)作業(yè)的同時(shí)，根據(jù)編碼器傳回的作業(yè)數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整作業(yè)模式，如鉆孔、快進(jìn)、快退等。鉆孔完成后，直接利用定位好的鉆孔與抽油一體化設(shè)備進(jìn)行抽油作業(yè)。

5)完成作業(yè)后反向操作上述作業(yè)，最后由ROV 拖帶鉆孔機(jī)回水面，完成水下鉆孔作業(yè)。

通過對(duì)常規(guī)作業(yè)流程和水下無人處置過程的對(duì)比描述可以發(fā)現(xiàn)，利用水下鉆孔與抽油一體化設(shè)備進(jìn)行水下處置作業(yè)時(shí)，水下作業(yè)量大幅減少且無需潛水員配合作業(yè)。這種作業(yè)模式，能夠有效提升水下應(yīng)急處置快速反應(yīng)能力，打破潛水員作業(yè)局限，減少水下作業(yè)流程，降低作業(yè)設(shè)備的消耗，更加適應(yīng)現(xiàn)代化救助打撈作業(yè)需求。

4 結(jié) 語

鑒于水下鉆孔作業(yè)的復(fù)雜性，各國都在開展水下綜合作業(yè)平臺(tái)的研究工作，并對(duì)水下鉆孔作業(yè)的設(shè)備和模式進(jìn)行新的嘗試。鉆孔與抽油一體化設(shè)備研制的主要目的一是要打破作業(yè)深度限制，實(shí)現(xiàn)深水打撈、救助作業(yè);二是為實(shí)現(xiàn)水下無人作業(yè)提供硬件支撐。由水科運(yùn)達(dá)交通科技開發(fā)(北京)有限公司與沈陽自動(dòng)化研究所聯(lián)合完成的國家科技支撐計(jì)劃課題——深水溢油事故處置機(jī)器人研制項(xiàng)目，充分利用水下無人遙控潛水器具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效和作業(yè)深度大等突出特點(diǎn)，通過研制一套能夠滿足不小于80 m 作業(yè)水深，具備鉆孔、抽油一體化作業(yè)功能的鉆孔與抽油一體化設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)沉船存油回收無人化作業(yè)。通過在鉆孔機(jī)水下動(dòng)密封技術(shù)、密封環(huán)境中切割作業(yè)的防爆技術(shù)、安裝底座自動(dòng)化錨固技術(shù)、鉆孔機(jī)、抽油泵自動(dòng)導(dǎo)引拆卸技術(shù)等方面的深入研究，解決了水下鉆孔作業(yè)流程中的鉆孔設(shè)備作業(yè)前定位、安裝，抽油、鉆孔設(shè)備的一體化組裝，抽油作業(yè)完成后的自動(dòng)脫離以及作業(yè)過程中的防爆、防泄漏等技術(shù)難題，成功實(shí)現(xiàn)無人遙控潛水器和鉆孔抽油一體化設(shè)備的深水聯(lián)合作業(yè)。該套設(shè)備的成功研制，填補(bǔ)了國際空白，改變了傳統(tǒng)的作業(yè)流程和模式，為救助、打撈作業(yè)走向深海奠定了基礎(chǔ)。

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