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水下机器人在海洋石油工程的应用

2019-06-11 17:02 来源:石油工程论文 人参与在线咨询

[摘要]海洋石油和天然气资源丰富、储量巨大,极具开采价值。在海洋油气资源开发中,特别是深水油气资源的开发,大量的水下作业需借助水下机器人来完成。水下机器人可潜深至潜水员难以下潜的深度进行作业,克服潜水员在深水工作中遇到的困难,且具备安全、高效的特点,已在海洋石油工程中广泛应用。

[关键词]水下机器人;ROV;海洋石油工程;应用

世界海洋总面积约为3.6×108平方千米,占地球总面积的70.8%,在广阔的海洋中,蕴含着非常丰富的生物资源、矿物资源和海洋能源。其中最具经济开采价值的是海底的石油和天然气资源,海洋石油资源储量占世界总储量的1/3。海洋油气资源的开发从上世纪90年代开始迅猛发展,我国海洋油气资源的开发利用也在快速发展。随着陆上油田资源逐渐枯竭,产量逐年下降,海洋油气产量在全国油气产量中的比重越来越高。在海洋油气开发过程中,使用水下机器人可以提高工作效率,水下机器人可以潜深到潜水员到达不了的水深,克服潜水员在深水工作遇到的困难等等。人们研制的性能多样结构各异的载人潜水器,是在潜水球和潜艇技术微型化基础上发展起来的。

1常规水下机器人介绍

ROV(RemoteOperatedVehicle)全称遥控水下机器人,也称为遥控式水下无人潜航器,属于水下无人潜航器(Un-mannedUnderwaterVehicle,UUV)的一种,主要用于水中观察、检查和水下施工。另一类型的水下无人潜航器被称作AUV(AutonomousUnderwaterVehicle),全称自主式水下机器人,也称为自主式水下无人潜航器,其研制始于20世纪50年代,其特点是无需携带缆绳,行动更灵活。起初,水下机器人的发展是出于军事等方面的需求,由美国、俄罗斯、日本、法国等国率先研制,因水下机器人的研制离不开计算机技术、声纳技术、水下微光电视、遥控技术、定位导航等技术的发展。后来,海洋石油工业的迅速发展带动了工业型ROV的发展,北海油田和墨西哥湾油田在1975年使用了第一台商业化ROV,至1981年,ROV数量猛增到400多台,现如今各种类型、各种功能的ROV数量已数不胜数。本文主要讨论的是商业型或称为工业型的水下机器人。

1.1水下机器人分类

工业用水下机器人功能多种多样,所完成的水下作业也极富多样性,按照不同的分类标准,现有的水下机器人一般分为:(1)按用途分为观察型、观测型和作业用水下机器人。作业用水下机器人一般安装有机械手,用于海中救援、打捞、电缆敷设、海洋石油及其他生产系统的操作维修等水下作业。观测型水下机器人与作业用水下机器人基本相同,但它主要用于测定所要调查对象的参数。观察型水下机器人一般只具备影像观察功能,利用照相机、摄像机、声纳等观测海底地形、地貌或搜寻水下沉物。(2)按水下机器人与施工母船之间有无电缆可分为有缆水下机器人(即ROV)和无缆水下机器人(即AUV)。有缆水下机器人与施工母船之间通过电缆相连,由母船向水下机器人提供动力和实施遥控;无缆水下机器人与母船间无电缆连接,AUV自带动力,依靠自身的动力航行。(3)按运动方式可分为浮游式、履带式和步行式水下机器人。浮游式水下机器人在水中漂浮,一般呈零浮力(或稍有一点正浮力)状态,依靠所装的推进器在水下做三维空间运动。履带式水下机器人多用于海床施工,例如挖沟机、挖沟犁等。

1.2水下机器人的主要功能

水下机器人本身仅是一种运载工具,如欲进行水下作业,则必须携带水下作业工具。可以说,水下作业系统是水下机器人工作系统的核心,根据作业目的的不同,可以选择携带不同的水下作业系统。可以携带水下作业系统的功能特性,使水下机器人扩大了适用范围,增强了实用性。现有水下机器人的作业系统通常包括1-2个多功能遥控机械手和各种水下作业工具包。主要功能有:海底观察海底地形、地貌、作业状态等;测定相关参数;水下作业中螺栓的拆装及阀门的开闭;水下施工中所用缆绳的系结与切割;水下救助和打捞;水下设施打磨和切割;水下构件或船体表面的清洁;水下钻孔、焊接。

1.3水下机器人的主要组成

水下机器人一般由潜水器本体、水下观察设备、检测设备、导航定位设备(深度传感器、罗经、航速仪等)、机械臂、脐带缆、控制台、下放装置等组成。领航员在施工母船上通过控制台对水下机器人进行远程操作,完成特定的水下作业。ROV与控制台之间一般通过脐带缆将电力、液压、视频和数据及控制信号等相连,AUV同样有控制台,但没有脐带缆。

2水下机器人在海洋石油工程中的应用

海洋石油工程中使用的ROV在外形、结构、功能等方面大致与常规ROV是一致的,只是机械臂或所携带的工具更具石油工程的特点。海洋石油工程应用的ROV大多装备4-8个液压推进器,根据作业目标选用具备相关功能的机械手,通常为一到两只,功能一般为视频摄像、抓握物体、剪切缆绳/钢丝绳、打开/关闭阀门、拆卸螺栓/法兰/卡环、水下焊接、水下火焰切割等。此外,还装备以下设备:定位系统、电罗经、测深传感器、左右舷悬臂摄像头、转动/倾斜摄像头、扫描声纳等。海洋石油工程中使用的ROV,根据观察和作业能力可分为三类。第一类为纯观察型,只能完成水下纯粹的观察、录像作业,不携带任何水下作业工具和设备,一般用在海管着泥点监测、导管架下水观测、海床平面调查等作业中;第二类为作业型,通过安装不同作业功能的机械手,完成水下较为复杂的工作,此类型ROV是海洋石油工程中使用频率最高的;第三类为爬行类,主要指挖沟机和挖沟犁等,用于海底管道、海缆的挖沟埋设作业。

2.1ROV在导管架安装中的作用

(1)地貌调查。导管架安装前,利用ROV对导管架安装区域的海底地貌进行地貌检查,确认是否存在自然坑、桩腿坑、海底异物等情况,如存在海底泥面不平的情况,需要根据情况做进一步填平处理。(2)导管架扶正过程中的支持。导管架下水后,必须将导管架的姿态进行调平、扶正,利用ROV测量导管架防沉板与海床面的距离、角度、接触情况等,施工人员根据以上信息控制导管架下放。根据导管架的不同设计情况,有时还需要ROV在水下打开部分阀门,以实现导管架下水后的姿态调平。(2)导管架定位。ROV行进到导管架立管口或其他标记处,标记深度、艏向、坐标等信息。(4)引导插桩。利用ROV协助观察,确保导管架钢桩顺利插入喇叭口,有时需要引导钢桩下放至喇叭口插桩,并引导吊桩器泄压回收。(5)监控打桩。在打桩作业时,必须使用ROV引导打桩锤套桩,在套桩成功后,还要监测打桩情况,例如钢桩角度,入泥情况,设备工作状态等。(6)灌浆作业。钢桩打到位后,钢桩与导管架桩腿之间的空隙要进行灌浆固定。使用ROV监控氮气、淡水清洗桩脚内壁与桩外壁夹缝过程,并对该过程进行跟踪监控,将信息反馈给灌浆操作方。根据导管架的不同设计,有的导管架还需要ROV打开或关闭部分阀门以完成灌浆作业。(7)在以上施工中,通过使用ROV剪切一些辅助安装的缆绳/钢丝绳、浮球\浮筒等设施,拆卸/安装卡环等。(8)导管架安装后调查。导管架安装作业完成以上全部施工过程后,还要使用ROV做进一步的系统检查,检查灌浆后桩脚底部与海床面的接触情况、导管架各阀门开关状态是否正确、导管架上各设备是否完好等,并保留相关视频影像,得到最终的导管架安装后调查报告,至此,导管架整个安装作业才算完成。

2.2ROV在海底管线铺设中的作用

(1)ROV携带水下测量设备完成海底管线的位置、损伤、埋深、异物等工作。(2)剪切一些辅助安装的缆绳/钢丝绳,如起始缆,剪切辅助安装的浮球\浮筒等设施,拆卸\安装卡环。(3)水下观测工作:对管线的损伤情况、着泥点监控、废物堆积、管线悬跨、牺牲阳极以及管线的支撑、膨胀弯、注水装置和软管连接装置等进行巡航观测。(4)电位测量:测量每根管线的阴极保护电位。(5)管线悬跨测量:使用声纳测量管线悬跨长度。(6)水下摄像:对整条海管的状态做录像保存,特别是缺陷、异常和管线的重要部位等的记录。(7)水下作业:深海海管铺设中的膨胀弯安装过程,需要使用ROV完成法兰、螺栓等的拆装。

3水下机器人的发展趋势

3.1新式AUV是未来发展趋势

有缆水下机器人虽然通过电缆可以更好地实现供能和遥控,但限制了水下机器人的灵活性、活动范围以及作业种类,随着作业水深的增加,电缆长度及电缆阻力将增大,导致水下机器人的动力消耗增加,作业空间受到限制。由于水对电磁波的干扰,长久以来无缆遥控面临着难题,如何除去ROV携带的电缆长期困扰着科学家们。随着科技的进步特别是硬件技术和控制技术的发展,新式AUV应运而生,它实现了无缆化,自带供能模块,活动范围大大提高,且能依靠自身的自动化控制能力来完成所赋予的工作,具有机动性好、智能化、安全性高等优点,在海洋油气资源开发中发挥的作用越来越大。

3.2水下机器人尚待解决的关键技术问题

水下机器人是高技术的集成,虽然水下机器人本体的各种材料及相关技术已基本成熟,但随着水下机器人向大范围、大深度、长续航、多功能的发展,一些关键技术还需研究解决,例如:(1)水下通讯问题。有缆水下机器人可以用电缆很好地实现信息传输,但电缆又限制了水下机器人的功能。无缆水下机器人的操控信号目前是以水声通讯来实现的,存在传输延时现象,因声音在水中的传播速度远低于光速,从而导致难以对水下机器人实时控制。而且传输距离又受载波频率和发射功率的限制,目前通讯距离仅10千米左右。另外,声通讯还容易受到多径效应造成的干扰,虽然可采用窄波速,但也存在波束对准和跟踪等问题。美国利用蓝绿激光实现了空中对水下100m深处潜艇的通讯,激光通讯的研发为水中大范围通讯开辟了一条新路,但目前蓝绿激光器的体积过大,效率低,能耗大,尚不能用于无缆水下机器人。(2)能源问题。有缆水下机器人一般不存在能源问题,但如果在深海作业,随着电缆的增长,传输损耗也会增大。虽然可提高电压和加大频率,但会产生绝缘和安全问题。而对于无缆水下机器人,自带供能模块所存储的能源量是限制其作业范围的主要因素,可以考虑燃料电池,但目前在水下机器人中尚未得到应用,需要进一步研究开发。(3)控制问题。有缆水下机器人的控制比较简单,可由操作人员通过操作台实现人机交互控制。但水下机器人在水中的运动有六个自由度,它本身是一个强耦合的非线性系统,加上局部水流方向、流速都是无规则变化的,动力定位控制系统的刚度很难满足定点作业的要求,这有待进一步研究。无缆水下机器人由于信息传输问题而难以实现实时控制,往往要求实现自治式控制或智能控制。但由于控制对象为6自由度,交叉耦合、非线性、时变性都非常严重,因此其控制技术十分复杂,要进一步研究开发。

参考文献

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[2]张杰,季文亮.ROV原理及在我国海洋石油工程中的应用[J].中国造船,2007,48(增刊):132-136.

[3]刘峰.深海载人潜水器的现状与展望[J].工程研究:跨学科视野中的工程,2016,8(2):172-178.

[4]韦荣伟.水下机器人发展趋势及前景[J].现代制造技术与装备,2018,(2):175-176.

作者:率鹏 单位:海洋石油工程股份有限公司

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