常压潜水系统国内外应用浅析

　　本文陈述了常压潜水系统（ADS）的基本组成，分析了ADS的水下作业能力，总结了ADS在国内外管线维修、援潜救生和平台检测方面的应用实例，展望了ADS的应用前景，对ADS在应急维修工程中更深层次的应用具有指导意义。
　　
关 键 词：ADS；水下作业；管线维修；援潜救生；平台检测

1 引言

　　常压潜水系统（Atmospheric Diving System，简称ADS）是一种拟人形的深海载人水下作业系统，其由装具、中继站、水面起吊及水面控制系统组成。该系统以水面布放方式，将一名操作员运送到海下相关作业现场进行水下作业。ADS装具内部保持一个标准大气压，在下潜过程中无须考虑减压问题，自带双重生命支持系统用于保证操作员的正常生命需求，垂直和侧向推进系统保证操作员在水中的工作需要，水声通信系统保证操作员与水面之间的实时通信。中性浮力的脐带缆与水面支持船连接，为ADS提供动力、通信、视/音频信号传输，同时也是收放中继站的缆索。
　　随着海洋资源的开发利用和关键技术的日渐成熟，ADS以其轻便、灵活，可现场观察、作业效率高等优点，在深海探测、援潜救生、水下应急维修等方面发挥着不可替代的作用。
　　
2 ADS的水下作业能力

　　ADS内部始终保持一个标准大气压，上肢根据需要配备具有多个自由度的机械手，可进行灵活的操作，适用于海洋石油生产平台的深水检验和维修，海底管线设施的检修和海底勘探等较复杂的水下作业[1]。此外，由于ADS的拟人形设计，其可以近距离的观察和接触水下物体，这使其在海洋救援与打捞，海洋科学考察研究等领域发挥着非常重要的作用。
　　归纳起来，ADS的水下作业能力主要有以下几类：
　　 (1) 海底安装和管线检测。主要包括海底管道及电缆的开沟铺埋，水下输油管道的连接、检测，海底安装物的维护和修理，跟踪水下管线以检测漏点，确定管线的安全状态和保证安装合格的检验等。ADS水下作业示例如图2.1所示。
　　　              
图2.1 国外ADS水下作业示例
　　(2) 水下物体的定位与回收。主要负责搜寻、定位和回收水下某指定物体，打捞失事船只、遗失器材和设备等。
　　(3) 平台观测和废物清除。监测海洋工作平台的腐蚀、堵塞和破损情况，查找裂缝，估计海洋生物污染并清刷平台，清理水库坝面，拦污栅等。
　　(4) 科学考察和研究。包括水环境、水下生物的观测、研究，海洋考察，水下考古，海洋地质或地球物理学研究，深海测量，海底剖面测绘，海底取样，海洋水文研究以及深水矿藏勘探等[2]。
　　(5) 海洋军事应用。主要应用于浅海的水下设防、海岸情报收集、侦察等，也可对水下失事舰艇实施检修或人员救援。
　　随着机器人技术的发展和水下作业工具的多样化， ADS的水下作业能力将得到更大的提高，为海洋民用和军用事业做出更大的贡献。
　　
3 国内外应用实例

3.1 海底管线检测维修应用情况
　　海底油气管道对海上油气田的开发、生产与产品运输起着十分重要的作用，是投资高、风险大的海洋工程设施。油气管道一旦出现损伤或泄漏，将给企业和国家造成巨大的经济损失。2010年墨西哥湾漏油事故发生后，海洋油气管道应急维修技术引起了更多的重视。我国海上油气开发经历的典型海底管线维修项目[3]情况如表3.1.1所述。
　　　表3.1.1 我国海底管线维修典型案例
项目名称 维修年份 水深（m） 维修环境 主要技术和装备
A4油田海底管线维修 2001 6～7 干湿相结合 双封双堵、干式仓带压开孔机、球法兰、三通
A5油田海底管线维修 2002 42 湿式 潜水、连接器、球法兰、旋转法兰
A6油田登陆管线 2007 6～7 干式 干式仓、球法兰、液压闸刀锯等
A3油田海底管线抢修 2008 103～116 湿式 饱和潜水、ROV、连接器、球法兰、旋转法兰、水听器、直线切割机、DP船等
A1油田软管更换 2008 305 湿式 ROV、ADS、连接器、钻石线切割器、软管接头、吸泥泵、软管抱卡、排水帽、软管托架、DP船等
　　从表中可以看出，深水海底管线维修，如A3油田海底管线的抢修和A1油田软管的更换，水下湿式作业较多，很大程度上依赖于ROV或ADS。可见，ADS在海底管线应急维修与检测应用中的重要性。
　　国外单人常压潜水系统的典型代表是JIM型、WASP型和SPDER型等。21世纪初，美国就曾利用WASP型常压潜水系统与大功率作业型ROV相配合，在645米水深切除受损的海底管段，安装Smart接头，成功完成直径8英尺海底管线的维修作业[4]。
3.2 ADS在援潜救生方面的应用
　　美国“长尾鲨”号核潜艇和前苏联共青团号核潜艇的失事，促使了美、苏等国研究深潜遇难潜艇的营救问题。1970年，美国深潜救生艇DSRV下水，最大下潜深度1069米，一次可营救24名人员，并配有7自由度机械手[5]。美国海军使用的Hardsuit2000是一种常压潜水系统，操作员穿着该拟人形的装具后，可在水下开展非承压的常压潜水作业，其最大作业深度为610米，主要用于开展水下探查、评估、引缆、装备对接、给失事潜艇传送生命保障用品等[6]。法国的Newsuit常压潜水服，其性能与Hardsuit2000 相似，高2.0米，最大作业深度为300米，该系统可维持约60小时的生命支持时间供操作员在水下进行作业。
　　我国在援潜救生方面的研究典型代表是Ⅰ型救生钟和7103艇。但是，由于救生钟难以准确入位，无自航能力和作业能力，当失事艇处于较复杂的海况中或救生平台有其他杂物时，便很难进行对接作业。因此，从上世纪八十年代起，我国开始研制作业型载人设备，ADS就是其中的典型代表之一。ADS内部保持一个大气压，允许操作员在水下长时间进行操作并直接返回到水面，避免了常常困扰潜水员的昂贵和有风险的减压过程[7]。ADS灵活的四肢，高效的续航力和机动性，使其能够在水下接近一些受限空间，从事复杂的水下工作，为失事潜艇的定位、评估、舱口盖的清理和应急保障补给品的供应提供快速响应。ADS代表了潜艇救援系统未来的发展方向。
3.3 ADS在平台检测方面的应用
　　传统的平台检测方式是利用ROV或带有专用装备的潜水员来实现[8]。但是ROV无法接近检测平台结构，视觉效果和空间感有限，且ROV还要求具有非常配合的NDT工具和远程操控设备。利用潜水员来实现平台检测，由于其受到工作深度和压力的限制，水平和垂直作业能力有限，且需要分配减压时间，作业效率不高。
　　使用常压潜水系统（ADS）来实现平台检测，其结合了ROV和潜水员的优缺点，大大提高了作业效率，节省了设备和操作成本。图3.3.1为正在进行平台检测的ADS。
　　
　　图3.3.1 正在进行平台检测的ADS
　　ADS在平台检测中主要的检测任务包括：平台结构外观检测（包括过度腐蚀、意外或环境过载、海底不稳定度、疲劳损坏、设计或结构缺陷、残骸检测、过量海生物清洗等），关键区域阴极电位测量，超声波厚度测量和进水构件测量，焊缝质量检验等。
　　常压潜水在平台检测应用中的一个优点是，当其与空气潜水方式相结合时，可以具有更高的工作效率[8]。美国墨西哥湾在一段时间内在超过30个平台上应用该方式对平台进行检测的实例已经证明了这一点。
　　用于平台检测的几种方式的性能比较如表3.3.1所示。
　　表3.3.1 几种平台检测方式性能比较
 ROV 饱和潜水 HARDSUIT™ 空气潜水与HARDSUIT™相结合

　　从上表中可以看出，虽然ROV的下潜深度较大，但其无法近距离接近海下物体，视觉灵敏度较差，且转移海生物的速度较慢，工作效率较低。HARDSUIT™型常压潜水装具无论从范围，经济，还是性能等各方面都表现出了一定的优势。可见，ADS用于平台检测是一个不错的选择。
　　
4 ADS应用前景展望

　　水下作业工具是常压潜水系统完成水下作业任务的重要手段和保证，为了完成各项水下作业任务，需要各式水下作业工具的类型。目前，ADS的主要作业工具是机械夹持器，其除了能张开和闭合进行夹持操作外，还能360°旋转，在一定程度上提高了ADS的水下作业能力。但是，其作业能力毕竟有限，因此，需要开发更高效的专业作业工具来满足日益丰富的作业要求，同时进一步提高ADS的水下作业能力。
　　目前现有的ADS的最佳工作深度一般为150~610米，随着我国海洋石油开发向深水发展，ADS的深度研究面临着不小的挑战。国外利用常压潜水系统进行援潜救生主要是作为援潜救生配套装备，配合救生钟或深潜救生艇实施多用途作业。这主要原因还是受到了ADS下潜深度的限制。因此，不断加大ADS的下潜深度，扩大ADS的应用范围，更好地发挥ADS在援潜救生领域的作用，是我们需要进一步研究和探讨的问题。
　　此外，ADS在水下的抗流能力也是急需要解决的一个问题。随着深度的增加，海下的洋流运动是不可忽视的重要影响因素。在QSZ-I型和QSZ-II型潜水装具的研究和使用过程中发现，由于海下的洋流运动，潜水员在完成作业任务时往往非常困难，这在很大程度上影响了ADS的作业能力。
　　由上述分析可知，扩展ADS的作业工具，加大ADS的下潜深度和提高ADS的抗流能力应该是常压潜水系统将来的主要发展方向。随着科学技术的不断发展和完善，ADS的各项研究技术将越来越成熟，其应用前景也将更加可观。
　　
5结论

　　综上所述，ADS是水下施工和检测的重要支持手段，它不仅提高了操作员亲临作业现场实施作业的可靠性，也保障了海洋石油开采的作业质量和效率，丰富了水下检测的内容，同时，在水下援潜救生领域也正在发挥着极其重要的作用。随着水下作业难度的提高，对ADS的应用提出了越来越高的要求，如何提高ADS本身的技术性能，还有待我们进一步研究和探讨。随着科学技术的不断发展，ADS各项技术将不断拓展，其在海洋工程行业中的应用将更加广泛。

参 考 文 献
[1] 王去伪.潜水器在海洋水下作业中的应用[J].海洋科学.1989年04期：71-72.
[2] 许竞克，王佑君，侯科等.ROV的研究现状及发展趋势[J].四川兵工学报.2011, 32(4):71-74.
[3] 梁富浩，李爱华，张永祥等.深水海底管线维修系统研究进展及有关问题探讨[J].中国海上油气.2009, 31(6):352-357.
[4] 张国光，薛利群，董建顺等.我国海洋水下工程技术的发展与展望[J].舰船科学技术.2009, 21(5):17-26.
[5] 任福君，张岚，王殿君等.水下机器人的发展[J].佳木斯大学学报.2000, 18(4):317-320.
[6] 陈伯华，龚国川.国外海军援潜救生技术与装备研究进展[J].人民军医.2008, 51(6):355-356.
[7] Jim Gibson，Jim English，OceanWorks International Corporation.
[8] Tom Bissett，Glen Viau. Atmospheric diving as an alternative technology for platform inspections. OceanWorks International Inc. .