ROV 在海上風電水下檢查和施工輔助決策中的應用與研究

代 鑫，彭 望，趙 旭，李長雁，高夢雪，王 月

（1.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650033）

1 引言

海上風電是我國目前主要的能源之一。當今海上風電工程建設大多采用鋼結(jié)構作為承重結(jié)構，有些鋼結(jié)構高度高、體型大，且大多位于水下，對其施工或運行維護質(zhì)量很難掌控，所以在工程施工階段或運行維護階段對海上風電鋼結(jié)構的表觀缺陷的水下檢查越來越受到工程師們的關注。水下無人潛航器，又稱ROV，可以代替潛水員潛到水下，從而降低人員的安全風險。傳統(tǒng)的人工潛水攝像摸查技術在海上風電站的建設包括施工、檢修、維護等任務，該項作業(yè)不僅危險，且工作效率較低，無法保障檢測成果質(zhì)量和作業(yè)安全。

本文以揭陽神泉一海上風電水下檢測項目實例為依托，基于“光學為主、聲學定位”的檢測思路，展示了聲吶系統(tǒng)和水下無人潛航器技術聯(lián)合開展海上風電工程施工及運行維護水下檢測典型成果，完成了導管架插樁水下無人潛航器監(jiān)測輔助施工，查明了某風機犧牲陽極運行現(xiàn)狀，為海上風電工程施工與運行維護水下檢測提供了可靠的解決思路。

2 檢測技術及原理

傳統(tǒng)海上風電水下施工與運行維護以人工潛水攝像摸查為主，特別是在半潛式工作船施工中較為危險且工作效率較低，作用有限，無法開展正常檢測作業(yè)。水下無人潛航器（Remotely Operated Vehicle，簡稱ROV），作為能夠在水下環(huán)境中長時間作業(yè)的高科技裝備，尤其是在潛水員無法承擔的高強度水下作業(yè)和危險條件下更顯現(xiàn)出其明顯的優(yōu)勢[1］。在海上風電水下施工與運行維護“光學為主、聲學定位”檢測思路中，光學主要通過ROV 搭載水下高清攝像頭、燈光獲取海上風電水下結(jié)構影像實現(xiàn)，聲學主要利用聲波反射原理獲取回聲信號圖像，根據(jù)回聲信號圖像分析獲取水下結(jié)構的高分辨率回聲信號圖像[2］。二維圖像聲吶是一種主動式實時探測設備，通過聲波反射原理獲取目標回聲信號并實時顯示，相較光學攝像易受水體渾濁及流速影響造成圖像模糊變形，無法準確獲取缺陷信息的情況，水下無人潛航器搭載二維圖像聲吶對水工建筑物缺陷進行檢測可極大程度地減少水體能見度及水體擾動對檢測成果造成的干擾[3-4］。

在海上風電水下施工干預施工與運行維護檢查中，針對檢查目標，采用ROV 搭載二維圖像聲吶對目標進行精確定位后，ROV 搭載水下高清攝像頭、燈光抵近目標進行高清攝像監(jiān)測輔助施工檢查。

3 應用與研究

3.1 工程概況

揭陽神泉一海上風電場位于廣東省揭陽市神泉鎮(zhèn)南面海域，場區(qū)涉海面積約64 km2，外圍風機包絡海域面積約為8.5 km2，水深范圍33 m～39 m，中心離岸距約26 km，項目規(guī)劃裝機總?cè)萘繛?00 MW，布置29 臺上海電氣7 MW 風電機組，同時配套建設1 座220 kV 海上升壓站和1 座陸上集控中心。風電機組發(fā)出的電能通過35 kV 集電海底電纜接入海上升壓站。本實例中風機單樁犧牲陽極水下檢查屬于運行維護檢查，位于水下15 m 左右；導管架插樁屬于施工過程中的ROV 監(jiān)測輔助施工，位于水下20 m。本實例中水下檢測環(huán)境屬于典型的海上風電施工ROV 水下檢查工程。幾年前，導管架的檢測任務，主要由潛水員完成。但是隨著導管架檢測內(nèi)容的多樣化，加上作業(yè)環(huán)境上的風險性，很多檢測任務潛水員無法完成，只能依靠 ROV（Remoted Operated Vehicle），即為水下機器人來完成。因此 ROV 在導管架檢測中承擔著越來越重要的角色[5］。

3.2 犧牲陽極水下檢查

犧牲陽極水下檢查時采用聲學和光學聯(lián)合開展檢查工作，主要采用深度計、羅經(jīng)、聲吶等多種方式進行聯(lián)合定位，通過深度計確定ROV 的深度，羅經(jīng)、聲吶確定犧牲陽極的位置，到達犧牲陽極位置后，以塔閥門方向為原點，對6 個牛腿進行編號。沿順時針方向?qū)奚枠O進行光學攝像檢查，檢查完01、02、03號牛腿的連接情況后返回原點，再從原點開始，沿逆時針方向?qū)奚枠O進行光學攝像檢查，檢查04、05、06 號牛腿連接情況。檢查測線布置見圖1。

圖1 犧牲陽極水下檢查現(xiàn)場測線布置

ROV 搭載二維圖像聲吶系統(tǒng)對風機單樁犧牲陽極進行精確定位成果見圖2（a），發(fā)現(xiàn)目標物距ROV 3 m 距離，ROV 搭載高清攝像頭、深度計，羅經(jīng)等對犧牲陽極抵近攝像成果圖像見圖2（b），犧牲陽極牛腿光學攝像檢查成果見圖3，檢查發(fā)現(xiàn)犧牲陽極牛腿連接到位，未見異常?？梢娡ㄟ^采用ROV搭載聲納系統(tǒng)及高清攝像頭、深度計，羅經(jīng)等傳感器在海上風電項目開展水下檢測獲取水工建筑物水下分布信息、開展缺陷損傷部位的初步檢測是可行的。

圖2 揭陽神泉一海上風電風機犧牲陽極水下檢查成果圖像

圖3 揭陽神泉一海上風電風機犧牲陽極牛腿光學攝像檢查成果圖像

3.3 導管架套管插樁水下監(jiān)測輔助

導管架套管插樁水下監(jiān)測輔助主要采用聲學和光學聯(lián)合開展檢查工作，主要采用深度計、羅經(jīng)、聲吶等多種方式進行聯(lián)合定位，ROV 到達導管架套管口位置后，通過深度計判斷單樁所在的深度，羅經(jīng)、聲吶觀察單樁的位置和距離，引導單樁到達導管架套管口位置，之后采用ROV 搭載高清攝像頭對導管架樁基套管口極抵近攝像輔助，并和吊放人員進行實時通訊，調(diào)整吊放距離和角度，最終引導單樁插入導管架套管。

ROV 搭載二維圖像聲吶系統(tǒng)對導管架套管口進行精確定位成果見圖4（a），發(fā)現(xiàn)目標物距ROV 2 m 距離，ROV 搭載高清攝像頭、深度計，羅經(jīng)等對導管架套管口抵近攝像輔助成果圖像見圖4（b）。ROV 監(jiān)測輔助施工成果見圖5?？梢娡ㄟ^采用ROV 聲納系統(tǒng)及搭載高清攝像頭、深度計，羅經(jīng)等傳感器在海上風電項目開展ROV 水下監(jiān)測輔助施工的方法是可行的。

圖4 揭陽神泉一海上風電導管架套管插樁水下監(jiān)測輔助成果圖像

圖5 揭陽神泉一海上風電導管架ROV 監(jiān)測輔助施工成果成果圖像

4 結(jié)論

本文依托揭陽神泉一海上風電水下檢查項目實例，基于ROV 在海上風電施工項目中的的“光學為主、聲學定位”檢測思路，查明了某風機單樁水下犧牲陽極的運行現(xiàn)狀和完成了導管架套管插樁施工的ROV 水下監(jiān)測輔助施工。主要結(jié)論如下：

1）聯(lián)合二維圖像聲吶系統(tǒng)、水下無人潛航器開展海上風電工程的ROV 水下監(jiān)測輔助施工和運行維護檢查是有效可靠的；

2）相較于人工潛水水下摸查，ROV 水下檢查與監(jiān)測輔助施工的技術方法縮短了檢測時間，降低了檢測成本與作業(yè)風險，提高了檢測覆蓋范圍與適用性，在實際工程應用中取得了良好的效果，具有一定的推廣應用意義。