基于ROV操作的結(jié)構(gòu)物水下切割技術(shù)

徐龍達，胡振國，張海濤，張立喜

海洋石油工程股份有限公司，天津 300457

ROV（RemotelyOperated Vehicle）通常稱為水下機器人，它是一種由水面控制的水下作業(yè)系統(tǒng)，能在水下三維空間自由航行。通過外掛攝像頭、避障聲吶或管道跟蹤器觀察，再結(jié)合多功能機械手或其他水下工具，完成一定的水下作業(yè)任務(wù)。從勘探、鉆井、檢測及安裝到水下設(shè)備的維護及更換等作業(yè)，均需用到水下機器人。完整的ROV系統(tǒng)主要包括一個潛水器、一個連接海面船舶控制室的臍帶纜、一個系纜管理系統(tǒng)（TMS）、一個控制系統(tǒng)及一個收放系統(tǒng)（LARS）[1]。ROV本身包括主框架、推進器、照相機、機械手、聲吶、視頻工具、對接系統(tǒng)以及浮力模塊等。

1 ROV分類

按照國際標準及工業(yè)慣例（IMCA R 004及NORSOK U-102），ROV按觀察和作業(yè)能力可劃分為5個類別[2]。

觀察型ROV（見圖1）只能完成水下純粹的觀察作業(yè)，不能攜帶任何水下作業(yè)工具和設(shè)備。通常僅僅配備相機、燈光和聲吶的小型潛水器。其中一些可以附加一個處理傳感器，諸如陰極保護（CP）測量系統(tǒng)或一個額外的視頻攝像機。

圖1 第一類——觀察型ROV

帶有負載能力的輕量工作型ROV（見圖2）能夠帶有簡單的設(shè)備完成水下觀察作業(yè)，通常配備兩個同時可見的攝像機及聲吶系統(tǒng)，也能配備額外的傳感器、攝像機及聲吶系統(tǒng)。觀察型ROV可獨立作業(yè)或者用來輔助工作型ROV作業(yè)。

圖2 第二類——輕量工作型ROV

工作級ROV（見圖3）通常情況下帶有機械手，能夠完成水下較為復雜的工作；工作級潛水器形體較大，能夠配備額外的傳感器、機械手。他們的形體和動力通常較一、二類潛水器大。能夠進行更廣更深、負載更重的水下作業(yè)?，F(xiàn)有的第三類潛水器可分為3種：第三種A（功率＜73.5 kW）、第三種B（功率73.5～110.25 kW）、第三種C（功率＞110.25 kW）。

圖3 第三類——工作級ROV

重負載作業(yè)型ROV（見圖4）主要指攜帶有挖溝機和挖溝犁等。此類潛水器通過車輪或軌道系統(tǒng)、推進器螺旋槳、水噴射動力或者這些推進方法的組合在海底移動。這些潛水器通常比工作級潛水器更大更重，專為特定任務(wù)設(shè)計，諸如電纜和管道埋設(shè)及開溝、開挖、疏浚海床及其他遠程操作海底工程。

圖4 第四類——重負載作業(yè)型ROV

工業(yè)上還存在“第五類”——仍在開發(fā)以及作為原型的潛水器（見圖5）。不屬于其他類別的專用潛水器也歸于此類。自主式水下潛器（AUV）目前歸到第五類。

圖5 第五類——（原型或者開發(fā)）AUV

2 ROV的選擇

為挑選水下施工期間最適合完成某一特殊任務(wù)或一系列任務(wù)的ROV，ROV參數(shù)（包括尺寸、質(zhì)量、功率、有效載荷、推力和額定深度）均應(yīng)根據(jù)要完成的任務(wù)、所需工具、界面連接水下設(shè)備、負載要求、通道類型以及工作環(huán)境（包括水深和海流）按照一定的過程（見圖6）進行評估。

圖6 ROV選擇過程

當評估ROV是否能滿足任務(wù)要求時，應(yīng)考慮適用于每個ROV等級的參數(shù)。ROV選擇過程開始時就應(yīng)確定ROV要完成的任務(wù)[3]。這些任務(wù)通常分為如下類別（IMCAR004ROV安全有效作業(yè)實用規(guī)程）：觀察、測量、檢查、施工、干預(yù)、埋管和開溝。

作為大多數(shù)ROV的基本模式，觀察可通過攝像機完成。這可能要求ROV圍繞著一個物體運動，進出某一結(jié)構(gòu)，或靜止不動。如果不要求完成其他任務(wù)，第一類和第二類的ROV通常足以完成觀察任務(wù)。

測量總體包括水下觀察，有時還包括聲學測繪。測量可安排在管道、臍帶纜和電纜安裝、水下施工或設(shè)備安裝/移除之前和/或之后，以實現(xiàn)：

（1）確定地理坐標。

（2）確保目標在允許的通道或區(qū)域內(nèi)。

（3）確保目標得到妥善處理。

（4）識別管道的任何無支撐區(qū)域或長度。

（5）檢查目標的物理狀況。

根據(jù)要求的細化程度進行測量，可使用各種類別的ROV，主要是第二類、第三類以及第四類潛水器。

檢驗任務(wù)通常是針對海上結(jié)構(gòu)和水下設(shè)備的特定的、預(yù)先確定的區(qū)域。這些任務(wù)通常包括詳細的外觀檢查和其他無損檢測（NDT），可能要求ROV裝備其他傳感器，如陰極保護（CP）測量探針。檢驗任務(wù)通常由第二類或者第三類的ROV完成。

施工任務(wù)包括涉及物理干涉的范圍廣泛的任務(wù)，如移除碎屑、連接或斷開起重吊索和驅(qū)動閥門。ROV機械手是必要的，其能攜帶攝像機進入受限區(qū)域或從不同角度拍照。有些施工項目同時使用由一個或多個ROV操作的水下設(shè)備。施工任務(wù)通常由第三類ROV完成。

埋設(shè)和開溝操作通常在土壤特性良好的位置進行，通過配備適當開溝設(shè)備的ROV完成。埋設(shè)/開溝ROV的性能很大程度上取決于工作地點主要的土壤條件進行精確判定，以及面臨的實際條件與ROV固有的設(shè)計開溝能力之間對應(yīng)的情況。

干預(yù)任務(wù)通常由一個或多個干預(yù)裝置配置的工作級ROV完成。這些任務(wù)包括：第一，水下設(shè)備/零部件的安裝；第二，液壓和電力線路以及控制跨接線的連接/斷開；第三，閥門和液壓功能的操作；第四，更換零部件（如控制閥、AX/VX環(huán)形密封件）；第五，攜帶工具包完成特定任務(wù)，如出油管道、臍帶纜和剛性管道短管的連接任務(wù)；第六，其他任務(wù)，如清洗、切割和鉆孔。

表1展示了典型用途中需考慮的工作級ROV的一些最常見參數(shù)，包括額定深度、有效載荷、尺寸、質(zhì)量和推力。有關(guān)工作級ROV的詳細尺寸可參考ISO13628-8。應(yīng)用示例為典型水下系統(tǒng)和水下任務(wù)的ROV選型。

表1 ROV規(guī)格

對典型工作級ROV的要求（尺寸類似的所有工作級ROV均在考慮之列）如表2所示。

寒冷的冬天在戶外運動的話，帽子是必不可少的裝備。我們知道頭部是除了手之外裸露在外最大的區(qū)域，而且運動過程中大量出汗會使頭部溫度流失加快，很容易受寒而感冒，所以推薦使用頭巾或者帽子對頭部進行保護，可以有效減少身體40%～50%的熱量丟失，以羊毛或者其他透氣的材質(zhì)為主。

表2 典型工作級ROV的要求

3 導管架水下切割設(shè)備的分類

導管架拆除是一種切割密集型作業(yè)。常常要求在整個結(jié)構(gòu)的泥線上下對拉筋支撐、管道、立管、臍帶纜、總管、導管架腿、鋼樁、導向柱、鏈條等進行切割。水下切割是一項極為復雜且極具危險性的工作，因此在選擇導管架結(jié)構(gòu)水下切割方案時，必須對各種材料及不同幾何形狀截面的切割技術(shù)、工藝和設(shè)備進行考察。

國內(nèi)外水下切割技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。目前常用的切割方法包括：潛水員水下電氧切割、高壓水研磨料切割、金剛石繩鋸切割、液壓剪切割等[4]。

3.1 水下電氧切割

水下電氧切割（見圖7）設(shè)備由電焊機、把線、割把以及氧氣組成。切割原理是通過電弧放出熱量，溶解掉金屬以達到切割結(jié)構(gòu)物的目的，提供熱量的途徑是電弧[5]。

圖7 潛水員電氧切割

海洋石油工程股份有限公司現(xiàn)有的常用電氧切割電焊機主要有兩種型號：一種品牌為唐王的電焊機，電流和電壓的范圍為：40A/21.6V～800A/44V；另一種品牌為“伊薩”的電焊機，電流和電壓的范圍為：20 A/20.8 V～650 A/40 V。在進行水下焊接或切割時，電流和電壓要控制在上述范圍內(nèi)。水下電氧切割只能由經(jīng)過相關(guān)作業(yè)培訓并有資質(zhì)的人員來執(zhí)行，只能使用水面供給潛水設(shè)備并與潛水員保持通信。

3.2 高壓水研磨料切割

高壓水研磨料切割系統(tǒng)主要由控制室、高壓水泵、空氣壓縮機、液壓動力站、臍帶盤和操縱器（內(nèi)/外切割裝置）6個主要部分組成（見圖8），另外還需要配備供電系統(tǒng)[6]。

圖8 高壓水切割設(shè)備組成

高壓水研磨料切割技術(shù)的基本原理是：水被加壓形成連續(xù)、高速的射流，射流和固體的研磨砂被引入研磨砂噴嘴，在這里水流的一部分能量轉(zhuǎn)移至研磨砂，研磨砂的速度急速增加，形成的高速、集中的研磨砂射流就像是一個液體的砂輪，其利用被攜帶在水柱中的研磨砂的動能對目標材料磨損，以此完成切割，切割過程中無振動和升溫。

海洋石油工程股份有限公司現(xiàn)有2種水下高壓水研磨料切割設(shè)備，其設(shè)備參數(shù)見表3。

表3 高壓水研磨料切割設(shè)備參數(shù)

3.3 金剛石繩鋸切割

水下金剛石繩鋸機系統(tǒng)（見圖9）主要由主運動系統(tǒng)（驅(qū)動裝置）、進給系統(tǒng)（進給裝置）、手動張緊裝置、自動夾緊裝置、導向裝置、切割框架以及鋸弓板框架、液壓動力源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成[7]。

圖9 金剛石繩鋸機總裝示意

金剛石繩鋸機工作時，先用夾持裝置將金剛石繩鋸機固定在待切割位置。4個導向輪中有1個或2個兼做主動輪，一套驅(qū)動裝置帶動主動輪旋轉(zhuǎn)，使張緊的鉆石線做循環(huán)運動，實現(xiàn)其沿管道的切向進給運動；另一套驅(qū)動裝置推動切割框架做直線運動，實現(xiàn)鉆石線相對管道的徑向進給運動。張緊裝置可以保證金剛石串珠繩在工作過程中始終處于張緊狀態(tài)，保證切割所需的張緊力。如果繩鋸機是在干式環(huán)境中工作，在切削工作區(qū)附近必須設(shè)有冷卻系統(tǒng)，保證鉆石線良好的切削環(huán)境和狀態(tài)。水下繩鋸切割機參數(shù)如表4所示。

表4 水下繩鋸切割機參數(shù)

3.4 閘刀式管鋸切割

閘刀式管鋸簡稱為閘刀鋸，主要由主運動系統(tǒng)（驅(qū)動裝置）、進給系統(tǒng)（進給裝置）、夾緊裝置、切割裝置、液壓動力源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。閘刀鋸通過管鋸的往復運動對管道實施切割，是一種常用的冷切割設(shè)備。閘刀鋸在其切割范圍內(nèi)可以切割任何材質(zhì)、任意壁厚的管道，且可以在管道外圍的任何位置安裝，其安裝方向和角度對于切割效率沒有影響。閘刀鋸的主要工作參數(shù)見表5。

表5 閘刀鋸參數(shù)

圖10 Super D型閘刀鋸

3.5 液壓剪切割

液壓剪（見圖12）由本體結(jié)構(gòu)和液壓動力站組成。液壓剪主要用于海上廢棄平臺拆解、石油天然氣管道處理、海底管道處理、水下鋼結(jié)構(gòu)拆解、小型導管架拆解等。GENESIS（美國）GSS1500型液壓剪主要參數(shù)見表6。

圖11 巨形閘刀鋸

圖12 液壓剪及配套液壓動力站

表6 GSS1500型液壓剪主要參數(shù)

4 水下切割設(shè)備的選擇

廢棄海洋樁基平臺的切割是一項極為復雜且極具危險性的工作。該項工作在海上實施，接近油、氣等易燃物質(zhì)，稍有不慎就會造成爆炸或污染等嚴重事故。在選擇海上結(jié)構(gòu)拆除的切割方案時，必須對各種材料及不同幾何形狀截面的切割技術(shù)、工藝和設(shè)備進行考查。已開發(fā)的切割技術(shù)主要有：高壓水研磨料切割、金剛石繩鋸切割、閘刀鋸切割、水下電氧切割、水下聚能爆破定向切割等。根據(jù)施工工況的不同，選擇合適的水下切割設(shè)備尤為重要，其直接影響到項目施工效率。根據(jù)不同水深及拆除要求，可用于ROV配合的切割設(shè)備如表7所示。

表7 切割設(shè)備

5 基于現(xiàn)有切割設(shè)備與ROV配合的水下切割適用性分析

經(jīng)資料對比分析，切割設(shè)備搭載ROV適用性分析如表8所示。

表8 切割設(shè)備搭載ROV適用性分析

裝置需要滿足的條件如下。

（1）滿足API 17系列或ISO13628系列標準。

（2）設(shè)備在水中的質(zhì)量輕（在空氣中的質(zhì)量不一定輕），對于重型設(shè)備需要增加浮力塊進行減重。

（3）設(shè)備尺寸應(yīng)盡量小，尺寸較大的設(shè)備ROV不易操作，且受水下海流影響大。

（4） 設(shè)備上具有ROV操作把手，操作把手的尺寸應(yīng)滿足API 17H規(guī)范要求。

（5）設(shè)備上的電液接口（如果有） 為水下可拔插形式。

（6） 通過ROV的觀察，設(shè)備上的標識應(yīng)清晰可見，滿足API 17A要求。

（7）設(shè)備的工作空間應(yīng)滿足API 17H要求。

（8）設(shè)備可能需要增加支撐結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)使用工況進一步判斷。

（9）設(shè)備的吊裝可能需要具有升降補償裝置的吊機或者絞車，根據(jù)設(shè)備的具體使用工況判斷。

（10）盡量避免在受限空間內(nèi)工作，應(yīng)該提前進行詳細空間分析和ROV作業(yè)可操作性3D模擬；必要時采取ROV在陸地進行模擬操作，甚至可在測試水池或碼頭進行水下模擬操作。

現(xiàn)有切割設(shè)備均為成套大型設(shè)備，ROV搭載切割設(shè)備完成切割工作較困難，需要進行切割設(shè)備本體改造，改造后可能會對切割設(shè)備原有功能造成影響。通過對比分析，在水下切割過程中ROV主要可以完成以下輔助工作：其一，水下觀察切割設(shè)備動態(tài)；其二，水下引導切割設(shè)備；其三，拔插切割設(shè)備電液接口；其四，對切割設(shè)備的施工位置進行微調(diào)；其五，操作水下ROV專用工具，進行水下作業(yè)，如切割纜繩、打磨清理等。

6 結(jié)束語

我國在平臺拆除領(lǐng)域有巨大的市場需求，對平臺拆除裝置進行升級改造迫在眉睫。本文對ROV的類型和功能、切割設(shè)備的類別和功能分別進行闡述。通過適應(yīng)性分析，描述了ROV搭載切割設(shè)備能完成的工作及對切割設(shè)備的改造。