對(duì)水下拖體安全性設(shè)計(jì)概述

郭鵬

摘 要：隨著海洋探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，水下拖曳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)。當(dāng)前，水下拖體正朝著智能化、功能多樣化的方向發(fā)展，借助該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)深水領(lǐng)域的探索。然而，美中不足的是，水下拖曳系統(tǒng)構(gòu)造的不斷復(fù)雜化無(wú)形中加大了成本支出，加之深水區(qū)域地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變。為了避免不安全事故的發(fā)生，水下拖體設(shè)計(jì)的安全性問(wèn)題成為了研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)話題?；诖?，開(kāi)展對(duì)水下拖體安全性設(shè)計(jì)問(wèn)題的探究，并對(duì)水下拖體采取的安全性措施進(jìn)行了介紹，為相關(guān)人員開(kāi)展研究工作提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：拖曳系統(tǒng)；水下拖體；主動(dòng)安全措施；被動(dòng)安全措施

中圖分類號(hào)：P715.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.014

隨著科技發(fā)展浪潮的不斷推進(jìn)，我國(guó)海洋探測(cè)技術(shù)也較之前取得了顯著的發(fā)展。這給水下拖曳系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)。在水下拖曳系統(tǒng)的眾多組成部分中，水下拖體是最為重要的內(nèi)容。近年來(lái)，水下拖體也在向智能化、功能多樣化的層面發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)在深海領(lǐng)域探索，給水下探測(cè)工作者帶來(lái)了極大的便捷。然而，由于水下拖曳系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，其系統(tǒng)構(gòu)造也變得日益復(fù)雜，系統(tǒng)中的各部件都是一些精密的儀器，無(wú)形中加大了成本，而且深海區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜多變，如果處理不當(dāng)，極易引發(fā)不安全事故，所以，提高水下拖體的安全性則顯得尤為關(guān)鍵。水下拖體的安全性主要指的是水下拖曳系統(tǒng)在運(yùn)行中，對(duì)遇到的一些突發(fā)狀況能夠積極應(yīng)對(duì)，避免水下拖體受損壞的一種性能。當(dāng)前，水下拖體的安全性措施主要分為2種：①主動(dòng)安全措施，指的是為規(guī)避災(zāi)難所采取的避讓措施；②被動(dòng)安全措施，指的是當(dāng)意外發(fā)生后，為了防止水下拖體受到損壞所采取的相關(guān)措施。

1 主動(dòng)安全措施

所謂“主動(dòng)安全措施”，主要指的是采取一切避讓措施，避免意外事故的發(fā)生。通過(guò)有效規(guī)避，可提高水下拖體運(yùn)行的安全性，降低不安全事故發(fā)生的概率。在水下拖體設(shè)計(jì)中，應(yīng)將其作為首要考慮因素。主動(dòng)安全措施主要分為3種，即自動(dòng)避障措施、主動(dòng)解脫措施和拖體監(jiān)測(cè)措施。

1.1 自動(dòng)避障措施

自動(dòng)避障技術(shù)早在水下航行器中就有一定的應(yīng)用。該技術(shù)已發(fā)展成熟，在水下航行體的運(yùn)行中起到了一定的保護(hù)作用。隨著水下拖曳系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)避障技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域中也得到了應(yīng)用，將其應(yīng)用于水下拖體中，以有效規(guī)避水下固定障礙物，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。水下拖曳系統(tǒng)所使用的自動(dòng)避障設(shè)備由測(cè)高儀、聲吶、可調(diào)定深翼板、收纜絞車等組成，在具體應(yīng)用中，可結(jié)合實(shí)際情況，選擇其中幾種設(shè)備進(jìn)行組合，以達(dá)到一定的效果。自動(dòng)避障設(shè)備的工作原理是：借助避碰聲吶，可以有效感知障礙物的具體方位；測(cè)高儀會(huì)對(duì)水下拖體與海底的高差進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。如果發(fā)現(xiàn)拖體前方有障礙物存在或者水下拖體與海底高度差較小，控制系統(tǒng)會(huì)按照障礙物的特征及時(shí)調(diào)整定深翼板角度，結(jié)合回收拖纜等方式有效調(diào)整水下拖體的深度，以避免與障礙物發(fā)生碰撞。

以某水下探測(cè)拖體為例進(jìn)行說(shuō)明。該探測(cè)拖體采用的自動(dòng)避障設(shè)備為避碰聲吶與可調(diào)定深翼板。避碰聲吶的探測(cè)距離可達(dá)200 m，傾斜角度為15°。探測(cè)拖體水中質(zhì)量達(dá)100 kg，定深翼板展長(zhǎng)500 mm、弦長(zhǎng)450 mm。調(diào)節(jié)定深翼板以0.5 m/s的速度抬升探測(cè)拖體。由此可得探測(cè)拖體躲避水下障礙物的能力為：

（1）

式（1）中：H為海底障礙物的絕對(duì)高度；H0為探測(cè)拖體與海底之間的高度；V為拖體的實(shí)際抬升速度；S為避碰聲吶的探測(cè)距離；a為避碰聲吶探測(cè)時(shí)的傾斜角度；V0為拖體拖曳速度；t0為從得知障礙物的具體位置后到避碰聲吶將指示發(fā)出之間的時(shí)間間隔。

通過(guò)實(shí)測(cè)，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上述公式計(jì)算得出，該探測(cè)拖體躲避水下障礙物的絕對(duì)高度約為48 m。

1.2 主動(dòng)解脫措施

主動(dòng)解脫設(shè)備因構(gòu)造簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，在水下拖體設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。主動(dòng)解脫的主要作用是對(duì)水下拖體上懸掛的異物比如繩索等物體進(jìn)行主動(dòng)解脫，防止水下拖體受到損傷，提高水下拖體的運(yùn)行效率。當(dāng)前，主動(dòng)解脫措施主要包括如下內(nèi)容：①將所有的迎流面設(shè)計(jì)成掠形，而且要確保表面無(wú)凹槽現(xiàn)象。這樣，當(dāng)水下拖體上拖掛有雜物時(shí)，可在短時(shí)間內(nèi)迅速滑脫。②在拖曳點(diǎn)處安裝破斷銷。當(dāng)拖纜拖掛異物時(shí)，會(huì)逐漸滑脫到水下拖體的拖曳點(diǎn)部位，導(dǎo)致水下拖體承受巨大的拉力。當(dāng)超出破斷銷所能承受的范圍時(shí)，破斷銷會(huì)斷裂，拖體受力點(diǎn)也會(huì)移動(dòng)到尾部掛點(diǎn)部位，借助水下拖體的不斷翻轉(zhuǎn)，最終將異物脫離出來(lái)。③將銑刀安裝在拖纜末端與拖體迎流面位置。異物被拖掛時(shí)，可借助銑刀將異物割斷，解脫異物。

1.3 拖體監(jiān)測(cè)措施

采取拖體監(jiān)測(cè)措施可對(duì)水下拖體進(jìn)行全程監(jiān)控，看其內(nèi)部有無(wú)漏水現(xiàn)象，或者監(jiān)控水下拖體溫度的變化等。如果拖體內(nèi)部發(fā)生漏水現(xiàn)象或者拖體溫度超過(guò)許可范圍，可采取回收拖體或者暫停作業(yè)的方式處理，以防止對(duì)拖體內(nèi)部的電子器件造成損傷，引發(fā)不安全事故。此外，由于變壓器油導(dǎo)熱性能好、絕緣程度高及密度低等特征，還可采用在拖體內(nèi)部注入變壓器油的方式來(lái)有效解決拖體內(nèi)部漏水和升溫過(guò)快的問(wèn)題。這樣做，一方面可提高拖體內(nèi)部的密封性，杜絕漏水現(xiàn)象的發(fā)生，保護(hù)電子器件免受水的侵蝕，提高其精密性；另一方面還可將拖體溫度控制在可控范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)得以安全運(yùn)行。

2 被動(dòng)安全措施

被動(dòng)安全措施主要指的是水下拖曳系統(tǒng)在運(yùn)行中已發(fā)生事故，比如碰撞或者拖掛異物等，為了避免對(duì)水下拖體造成損傷所采取的有效解決措施。被動(dòng)安全措施有頭部防撞艙措施、指示信標(biāo)措施、拋棄重物塊措施和安全氣囊措施4種。

2.1 頭部防撞艙措施

頭部防撞艙措施主要應(yīng)用于拖曳速度過(guò)快或者收放作業(yè)時(shí)易發(fā)生船尾碰撞的拖體。它的作用是通過(guò)碰撞后產(chǎn)生的形變來(lái)吸收碰撞后產(chǎn)生的能量，以降低對(duì)拖體構(gòu)件的影響。一般而言，頭部防撞艙設(shè)計(jì)成透水結(jié)構(gòu)，而且組成該結(jié)構(gòu)的部件也無(wú)需購(gòu)買價(jià)格高的，按照實(shí)際碰撞程度合理選擇頭部防撞艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。如果頭部防撞艙強(qiáng)度較低，則拖體發(fā)生碰撞后所產(chǎn)生的能量不能被完全吸收，勢(shì)必會(huì)對(duì)拖體造成一定的損傷，因此頭部防撞艙設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)度應(yīng)適中。設(shè)計(jì)頭部防撞艙時(shí)，應(yīng)選擇一些金屬材料比如玻璃鋼等，而且要確保拆卸便捷。

2.2 指示信標(biāo)措施

在拖體在水底遺失情況下，指示信標(biāo)能夠迅速對(duì)拖體的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，方便工作人員及時(shí)打撈。指示信標(biāo)有聲信標(biāo)、GPS信標(biāo)和染色劑等多種形式。一般將指示信標(biāo)安裝在拖體上，由專門的電池供電，這樣可避免拖體受到損傷。根據(jù)實(shí)際所需，選擇恰當(dāng)?shù)闹甘拘艠?biāo)啟動(dòng)方式，拖體在正常工作狀態(tài)下，可將指示信標(biāo)調(diào)整為休眠狀態(tài)，這樣可保留一定的電量，為后續(xù)搜索提供充足的電量保障。聲信標(biāo)在負(fù)浮力拖體上有一定的應(yīng)用，如果水下拖體丟失，可借助定位基陣搜尋，找出水下拖體的具體方位，提高打撈的精確性。

2.3 拋棄重物塊措施和安全氣囊措施

拋棄重物塊與安全氣囊的工作原理均是借助相關(guān)設(shè)備將負(fù)浮力的水下拖體轉(zhuǎn)變成正浮力拖體，待其浮在水面上后，施工人員可將其從水中打撈出來(lái)。

2.3.1 拋棄重物塊措施

通常情況下，在拖體的底部安裝重物塊，為了避免其出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，可借助卡樺機(jī)構(gòu)進(jìn)行加固處理。如果水下拖曳系統(tǒng)有異物存在，拖體會(huì)超過(guò)自身荷載力，導(dǎo)致拖纜斷裂，水下拖體丟失。這時(shí)，電磁體會(huì)采取一系列的指令將重物塊拋出，使水下拖體浮出水面。

2.3.2 安全氣囊措施

安全氣囊的工作原理是通過(guò)充入一定的氣體，借助浮力的作用使拖體浮出水面。一般選擇凱夫拉加強(qiáng)型橡膠作為安全氣囊的組成材料，由于氣體的體積會(huì)隨著壓力的增加而逐漸減小，因此安全氣囊使用在水深不超過(guò)200 m的區(qū)域。安全氣囊中充入的是高壓氣瓶提供的氣體，它主要借助電磁閥進(jìn)行有效控制，使用時(shí)才會(huì)開(kāi)啟。高壓氣瓶具有重復(fù)利用率高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但美中不足的是，充氣速度太慢，氣瓶較重，實(shí)際應(yīng)用中可結(jié)合實(shí)際情況有效選擇。

3 結(jié)束語(yǔ)

水下拖體安全性措施能有效提高水下拖體及水下拖曳系統(tǒng)的安全性和生命力，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。同時(shí)，水下拖體安全設(shè)計(jì)涉及總體技術(shù)、流體動(dòng)力技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和水聲工程等多個(gè)學(xué)科，應(yīng)與水下拖體及水下拖曳系統(tǒng)設(shè)計(jì)統(tǒng)籌考慮、綜合權(quán)衡，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的安全措施，在保證安全性的情況下滿足各項(xiàng)功能、指標(biāo)要求，以求達(dá)到各項(xiàng)功能最優(yōu)化。

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〔編輯：劉曉芳〕