水下機器人在海上石油工程中的應用探討

劉軍

（中海輝固地學服務（深圳）有限公司，廣東 深圳 518067）

海洋蘊藏著大量如海洋生物、海底礦產(chǎn)等自然資源，是至關重要的一個交通運輸通道。水下機器人是對海洋進行深入探索的重要載體之一，已經(jīng)得到了人類的廣泛重視，在海洋活動中至關重要。海洋中有著大量的石油資源，我國石油開發(fā)在深水區(qū)域進行中，油田開發(fā)水下設施的安裝及檢修工作難度不斷加大，對于潛水員來說也成為一大難題。在此背景下，水下機器人（ROV）隨之出現(xiàn)，其可以代替潛水員完成一些水下工作。當前，因ROV具備良好的性價比，不管是下水還是出水都很便利，加之其對于環(huán)境可以很快的適應，使之在海上石油工程中得到了廣泛的應用。本文則基于此，對水下機器人在海上石油工程中的應用進行了詳細的探討。

1 水下機器人概述

水下機器人（ROV，Remotely Operated Vehicle）屬于當前海洋探索使用非常廣泛的一種工具。其可以在水下三維空間隨意運作，以外掛攝像頭、避障聲納以及管線跟蹤器為基礎，運用多功能機械手及相關工具，便能夠有效實現(xiàn)水下工作。水下機器人的系統(tǒng)主要由以下幾個部分構成，分別為水下潛器（或中繼器件TMS）、收放系統(tǒng)（A吊及絞車等）、臍帶纜、控制系統(tǒng)以及動力系統(tǒng)。

以作業(yè)能力來對其進行分類，主要包含有4種：第一種屬于純觀察型，這種水下機器人只能在水下進行觀察，無法實施其他水下作業(yè)；第二種屬于具備負載能力的觀察型，這種水下機器人可以攜帶一些簡單的設備進行水下觀察；第三種屬于作業(yè)型，這種水下機器人擁有機械手，可以實施一些復雜度較高的水下作業(yè)；第四種屬于爬行類，這種水下機器人指的是挖溝機和挖溝犁等。

2 水下機器人在海上石油工程中的應用現(xiàn)狀

2.1 水下機器人在導管架安裝及設施檢修中的應用

（1）導管架安裝。導管架安裝主要涉及到三個步驟，分別為地質(zhì)勘查、導管架下水以及安裝后檢查。①地質(zhì)勘查：海床水平度會在很大程度上影響導管架的安裝質(zhì)量，導管架在下水的過程中，首先需利用ROV攜帶聲納、USBL水下定位系統(tǒng)以及水下攝像頭等來對海床的具體狀況進行詳細的勘查，以此來為導管架著床后位置端正提供保障。②導管架下水：通過對ROV的USBL水下定位系統(tǒng)及水下攝像頭等進行運用，提高定位與固定的精準性，從而實現(xiàn)工程技術目標。③安裝后檢查：通過對ROV的水下攝像頭進行運用，來詳細檢查導管架，了解其各個部位的具體情況，可以為安裝質(zhì)量提供有力保證。在此之中，主要涉及到井口基盤狀況、導管架腿變形情況以及定位銷對準情況等。

（2）設施檢修。海上石油工程面臨的工作環(huán)境十分惡劣，特別是容易遭到化學腐蝕作用，所以，必須定期對其實施詳細的檢查，以提高安全性。而ROV能夠以超聲波測厚儀、渦流檢測儀、磁粉探傷儀、電位儀以及水下攝像頭等為基礎來對設施進行仔細的檢查，從而確保作業(yè)安全。

2.2 水下機器人在海底管線鋪設項目中的應用

（1）工作內(nèi)容。①水下目視檢測。針對管線存在的損傷、廢物堆積情況、犧牲陽極情況、管線懸跨情況、管線支撐情況、注水裝置情況、連接軟管情況以及膨脹環(huán)等實施詳細的檢查。②電位測量。對各個管線的陰極保護電位進行詳細的測量。③管線懸跨測量。通過運用聲納來對管線懸跨的長度進行測量。④水下攝影。對于存在的缺陷、異常進行記錄，并將管線的重要部位拍攝下來。

（2）檢測方法。通過ROV來對海底管線實施詳細的檢測。工作人員于工作船上對ROV進行控制，使之按指示航行，通過ROV的臍帶電纜來將測量信號發(fā)送到工作船上，檢測人員在計算機處理中心觀察所獲取的測量信號，從而對管線沿線的具體狀況進行檢查。當ROV在巡航檢測的過程中呈現(xiàn)出陽極塊，利用ROV機械手上的CP探頭穿插到陽極塊中，以此來對陽極塊的電位進行測量。工作船利用實時差分GPS定位系統(tǒng)來實施水面定位，ROV則通過水聲定位系統(tǒng)來進行水下定位，結合計算機技術的運用，獲取ROV和工作船的坐標。

（3）檢測程序。

①系統(tǒng)準備。針對ROV、傳感器以及各項設備實施詳細的檢查，并進行校準。

② ROV釋放。在工作船舷側將ROV放入水中，對掃描聲納進行相應的調(diào)整，以此把握ROV的航行路線。得知管線位置后，通過ROV來對管線上的指定點進行核查，確保系統(tǒng)正常，從而為系統(tǒng)的有效運行提供保障。

③ROV巡航檢測。通過工作人員來對ROV進行控制，使之按照預定的管線進行運作，工作船沿ROV的路線航行。工作人員對ROV左/右舷懸臂上的攝像頭進行調(diào)整，完善其角度，從而為檢測人員更清晰的觀察管線情況以及管線周邊情況提供便利，將管線損傷情況、廢棄物情況、懸跨情況、陽極塊情況以及支承情況等記錄下來，用攝影機確定其具體位置。通過工作人員來對ROV的掃描聲納進行調(diào)整，從而更清晰的展示管線狀況和海底斷面狀況，對管線懸跨的具體長度和高度進行測量。在此過程中，ROV需將所有情況攝影記錄下來。

④電位測量。在ROV巡航檢測的過程中，若探測到陽極塊或者油管的注水裝置，則停止。由工作人員將機械手的CP探頭穿插到陽極塊或者注水裝置之中，對陽極塊或者注水裝置的陽極電位進行精準測量，在此之后便繼續(xù)巡航。

⑤ROV回收。結束巡航檢測之后，回收ROV。如果在巡航檢測的過程中出現(xiàn)了問題，需盡快回收ROV，并進行相應的標記。

2.3 水下機器人在海上安全救助方面的應用

在分析海上油田安全保障機制時，需以實際管理需求為基礎，結合詳細的控制手段，來建立一個科學全面的安全管理模型。海上石油工程經(jīng)常會出現(xiàn)人員落水或者是船舶遇險等狀況，因救生艇的投放存在一定的局限性，所以，要想確保救援及時有效，需構建一個系統(tǒng)化的管理模式。通過對水下機器人進行運用，以遙控手段為基礎，可以在天氣惡劣的情況下為落水人員投放繩索或者救生圈，以確保落水人員可以得到及時的救助。通常情況下，在建立安全管理模型時，需不斷更新整體管控機制及運行體系，而與此同時，也需持續(xù)優(yōu)化控制模型及管理維度。利用水下機器人實施救援，主要是以流線型的分體結構作為載體，組織結構不同便擁有不同的優(yōu)勢與功效。在此之中，浮體和電子艙之間是處于分離狀態(tài)的，為確保水下機器人不受海流的影響，通常需在電子艙的兩側布設兩臺推進器，以確保其穩(wěn)定有效運作。

2.4 水下機器人在安全檢測和海生物清理作業(yè)中的應用

在我國石油資源的不斷開發(fā)下，越來越多的海洋平臺得到了使用。而與此同時，因受到自然或者是人為的影響，這些海洋工程結構都存在或大或小的損傷。這些損傷或者是故障對于海上石油工程的實施有著很大的威脅，影響了工程實施的安全性與可靠性，還減少了其使用壽命。為提高安全性，需對海洋工程結構實施定期的檢查及清理。ROV能夠?qū)崿F(xiàn)多項水下檢測及施工作業(yè)。在此之中，安全檢測主要涉及到犧牲陽極及結構間的電位測量、海生物厚度測量、超聲波測厚以及樁基沖刷測量等項目。ROV能夠基于自身所擁有的各項工具來完成這些工作。如我國研發(fā)的海潛II型遙控潛水器，便在南海的文昌油田以及東海的平湖油田中進行了廣泛的運用。另外，在海生物清理方面，能夠基于ROV擁有的清洗刷或者是高壓水來進行海生物的清理，其不但有著很高的工作效率，同時還安全可靠，能夠完成潛水員無法完成的深海作業(yè)。在運用ROV進行海生物清理的過程中，需保證ROV有著完善的定位功能，不然則會導致ROV難以到達作業(yè)目標位置。ROV主要具備兩種水下定位模式：其一為基于機械手來進行錨定，其二為通過動力來進行定位。其中，動力定位主要包含有慣性導航定位、聲學定位以及視頻定位等模式。主要涉及到水下載體技術、作業(yè)工具技術、大功率液壓推進技術以及動力定位技術等關鍵技術。

3 結語

本文對水下機器人在海上石油工程中的應用進行了詳細的分析探討，可以看出，水下機器人在海上石油工程中的應用有著很大的優(yōu)勢。在我國海洋石油開發(fā)逐漸自淺水向深水發(fā)展的進程下，結合水下機器人的不斷發(fā)展與完善，ROV將會在海洋工程中得到越來越廣泛的應用。

參考文獻：

[1]莊廣膠,王彪,吳超等.搭載于ROV的深海半自動沉積物保壓取樣器設計[J].艦船科學技術,2016,38(17):108-111.

[2]江凱賢,韓超.機器人ROV在海洋工程水下的施工技術研究[J].工程技術:全文版,2016(5):00235.

[3]齊紅波,崔相魯,龔元龍等.在海洋石油工程項目中ROV的基本運作模式[J].工程技術:文摘版,2016，(7):00263.