船用水下钻孔与抽油一体化设备

周家海，宁伟婷

(交通运输部水运科学研究院，北京100088)

0 引 言

随着海上运输的快速发展，港口、海峡、水道和内河干线的船舶交通流量和交通密度将进一步增加，水上交通安全事故时有发生。根据国家水上交通安全监管和救助系统规划，到2020年，我国重点水域一次溢油综合清除控制能力达到1 000 t，水下救援打捞深度达到300 m［1］。当沉船事故出现，发生溢油险情的可能性大增，及时地将事故船舶中存放的商品油或燃料油抽吸出来并过驳到安全船只内，是一种有效防范、减轻溢油事故损害发生的应急措施。沉船水下抽油工程专业性强、施工难度大、作业工艺复杂，给沉船存油抽油带来了一定的不可控因素，增加了发生二次溢油事故的概率。沉船水下抽油，国内外通常采用的办法是由潜水人员完成水下的勘探、清理、钻孔、设备安装、故障检测等作业，之后通过作业母船或平台操控抽油设备，完成存油抽吸作业。受制于下潜深度、水下作业时间和水下作业可视化程度等影响，常规做法技术落后，作业限制条件较多，作业流程繁琐复杂，不利于快速、高效、可靠处置沉船事故的应急要求。为提升现有水下抽油作业的效率和安全，打破现有作业限制条件，实现我国沉船存油智能回收关键设备自主化，提高沉船存油回收作业专业化、标准化、系统化水平，研制一套具有钻孔、抽油一体化，远程操控、自动定位功能的水下钻孔抽油设备至关重要。

1 钻孔设备的主要形式

船用水下钻孔机是在海洋救捞行业应用的一种特殊装备，是在船体表面钢板上进行钻孔作业的装置。芬兰劳模公司、丹麦ROCLEAN 公司、英国VIKMA 公司、美国SLICKBAR 公司等多家国际溢油清污设备厂商，从20 世纪70年代就开始设计并制造各种沉船存油回收设备。目前美国SLICKBAR 公司已经生产出理论作业深度不大于60 m、抽油能力不低于500 m3/h的水下沉船抽油设备［2－3］。国内方面，在水下钻孔抽油领域开展研究的较为典型的单位有海洋石油工程股份有限公司和石油大学完成的国家“863”项目——水下干式管道维修技术。水科运达交通科技开发(北京)有限公司与沈阳自动化研究所联合完成的国家科技支撑计划课题——深水溢油事故处置机器人研制和其他科研院所参与设计的水下遥控钻孔机等项目。

钻孔机是一种依托作业母船或平台提供动力源，通过液压管线和控制系统实现动力传动的水下工程作业设备。钻孔机作业一般由旋转切削运动和伸缩运动完成，前者完成钻孔作业，后者负责钻孔作业过程中控制刀头的进退。常用的水下钻孔机设备按照给进作业方式可以分为油缸推进式、差速给进式和独立丝杠给进式3 种。美国SLICKBAR 公司和国内一些科研院所设计的水下船用钻孔机均采用油缸推进式(见图1)。国家“863”项目——水下干式管道维修技术——设计的海底油气管道开孔机采用的是旋转给进式(见图2)。国家科技支撑计划课题——深水溢油事故处置机器人研制——设计的钻孔与抽油一体化设备采用的是独立丝杠给进式(见图3)。

图1 全液压船用开孔机Fig.1 Fully hydraulic offshore drilling machine

图2 海底油气管道开孔机Fig.2 Seabed oil and gas pipeline drilling machine

油缸推进式钻孔机的主体结构是液压缸，有2种形式，一种是其钻杆(刀轴)的转动完成切削的主运动，钻杆依靠液压缸的伸缩完成切削进给运动，钻杆的转动由液压马达带动齿轮组驱动［4］;另外一种则是双液压缸布置在钻杆的两侧成中心对称，钻杆依靠液压马达直接驱动。差速给进式钻孔机，经液压马达驱动传动系统，通过齿轮减速带动主轴部件中的套筒及丝杠转动，主轴套筒通过花键驱动主轴和安装在主轴下端的开孔刀转动，实现开孔切削的主旋转运动。主轴的轴向运动主要依靠安装在主轴上端的固定螺母与丝杠之间旋转产生的差速运动产生，实现主轴在套筒中的轴向运动［5－6］;独立丝杠给进式钻孔机则是为了实现精确控制钻孔作业的行程采用的一种新型钻孔机。钻孔机的钻杆和丝杠进退分别采用独立的液压马达驱动，通过减速器的特殊设计，从而实现对钻杆和给进装置的单独控制，完成水下钻孔作业。

2 钻孔与抽油一体化设备

钻孔与抽油一体化设备主要由抽油泵、液压马达、减速器、驱动机构、编码器、筒体、传动轴、输油芯轴、筒形刀等部件组成，并结合设备使用环境和作业条件，装备可拆卸式多磁路永磁吸盘底座、水下射钉枪和弹性密封圈等辅助部件，从而能够满足各种工况的作业需求。在钻孔与抽油一体化设备中，减速器、驱动机构和传动轴是核心部件，控制着设备的旋转运动和给进运动。减速器为两进三出型，2个输入端连接液压马达，3个输出端连接驱动机构和丝杆并设置有绝对值编码器，以精确控制行程和设备作业状态。传动轴与输油芯轴采用整体式设计、装配，输油芯轴贯穿减速箱，上方与抽油泵联接形成抽油通路。驱动机构与减速器连接，钻孔液压马达通过减速器驱动传动轴旋转实现筒形刀的旋转运动，给进液压马达通过减速器驱动2个丝杆实现双向旋转，根据钻孔作业需要，并通过控制系统实现前进、后退等作业运动。

钻孔与抽油一体化设备的钻孔机构的进给驱动为双丝杆螺母驱动，与液压缸驱动进给运动相比，能够有效降低设备高度，尤其是当设备应用于双层船的船体钻孔时;与采用差速机构进行进给驱动和旋转驱动的钻孔设备相比，可实现钻孔过程中钻孔刀具的旋转运动不停止，进给运动根据钻孔工艺需求间断进行，便于满足钻孔工艺中的断削需求，防止过长的铁削卡住刀头。为了能够直观、准确的掌握水下钻孔作业状态，设备在减速器内部镶嵌了编码器，信号在水面上远程读取。通过编码器计数进给驱动机构中的丝杆旋转圈数来确定钻孔机构进给的位置，从而为远程控制钻孔作业进程，如快进、工作进给、快退等工作提供数据支持，同时也便于及时判断钻孔机是否处于正常作业状态。钻孔与抽油一体化设备的主要技术性能参数见表1。

表1 主要技术性能表Tab.1 The main technical performance

3 对现有作业模式的影响

根据目前国内在沉船打捞作业过程中常用的船舶存油处置作业模式，可以将处置作业分为4个工艺环节:前期准备作业→钻孔作业→抽油作业(加热)→清理、回收设备。以潜水员为主的人机配合水下钻孔、抽油作业流程一般为:定位→射钉枪现场固定底座→安装球阀→携带钻孔机下潜→安装钻孔机→钻孔机试运行→钻孔作业→移除回收钻孔机→安装抽油泵→抽油作业→移除回收抽油泵→废弃底座及球阀。这种作业模式需要潜水长时间、多次往返作业现场，既增加了作业周期，又不利于现场情况的及时解决。

水下钻孔与抽油一体化机设备与水下无人遥控潜水器(ROV)配合作业的水下钻孔过程如下:

1)根据沉船的前期资料和事故海域的水文、海况等资料，确定ROV 现场作业条件，并完成对事故现场的勘探、船舶作业面清理等工作，为深水沉船存油舱钻孔与抽油一体化装备在事故现场的锚固及钻孔提供条件。

2)操控ROV 完成现场前期勘探、清理等工作，钻孔机管道、线缆组装完毕具备下水条件。把ROV、钻孔机放入水中，远程操控实施漂浮状态的水面拖带作业，验证配合作业的可靠性。之后，连同作业线缆、管道一起实施下潜作业，由机器人拖带至指定作业区域。

3)操控ROV 水下调整钻孔机的姿态，并拖带至已经清理完的船舶作业面附近，实施靠近对位作业。在水下摄像机辅助下，母船操控人员远程遥控钻孔机底座的多磁路永磁吸盘底座，开通磁路实施吸附作业。之后，远程激发射钉枪，完成锚固加强作业。

4)钻孔机锚固完成后，ROV 与钻孔机脱离，置于钻孔机周边进行钻孔作业状态下的观测。母船操控人员在钻孔机作业的同时，根据编码器传回的作业数据，及时调整作业模式，如钻孔、快进、快退等。钻孔完成后，直接利用定位好的钻孔与抽油一体化设备进行抽油作业。

5)完成作业后反向操作上述作业，最后由ROV 拖带钻孔机回水面，完成水下钻孔作业。

通过对常规作业流程和水下无人处置过程的对比描述可以发现，利用水下钻孔与抽油一体化设备进行水下处置作业时，水下作业量大幅减少且无需潜水员配合作业。这种作业模式，能够有效提升水下应急处置快速反应能力，打破潜水员作业局限，减少水下作业流程，降低作业设备的消耗，更加适应现代化救助打捞作业需求。

4 结 语

鉴于水下钻孔作业的复杂性，各国都在开展水下综合作业平台的研究工作，并对水下钻孔作业的设备和模式进行新的尝试。钻孔与抽油一体化设备研制的主要目的一是要打破作业深度限制，实现深水打捞、救助作业;二是为实现水下无人作业提供硬件支撑。由水科运达交通科技开发(北京)有限公司与沈阳自动化研究所联合完成的国家科技支撑计划课题——深水溢油事故处置机器人研制项目，充分利用水下无人遥控潜水器具有安全、经济、高效和作业深度大等突出特点，通过研制一套能够满足不小于80 m 作业水深，具备钻孔、抽油一体化作业功能的钻孔与抽油一体化设备，从而实现沉船存油回收无人化作业。通过在钻孔机水下动密封技术、密封环境中切割作业的防爆技术、安装底座自动化锚固技术、钻孔机、抽油泵自动导引拆卸技术等方面的深入研究，解决了水下钻孔作业流程中的钻孔设备作业前定位、安装，抽油、钻孔设备的一体化组装，抽油作业完成后的自动脱离以及作业过程中的防爆、防泄漏等技术难题，成功实现无人遥控潜水器和钻孔抽油一体化设备的深水联合作业。该套设备的成功研制，填补了国际空白，改变了传统的作业流程和模式，为救助、打捞作业走向深海奠定了基础。

［1］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，2009，32(6):17－26.

［2］李智刚，张银亮，冯迎宾，等.ROV和潜水员联合辅助处理深水沉船溢油事故的方法研究［J］.环境工程，2013，31(增刊):54－57.

［3］宁伟婷，邹云飞，周家海.水下钻孔抽油一体化装备的发展前景［J］.中国水运，2014，14(5):149－150.

［4］孟庆鑫，弓海霞，杨清梅，等.水下遥控钻孔机的比例阀控系统及其仿真的研究［J］.机床与液压，2004，(1):47－49.

［5］赵兵杰，赵宏林，张宏，等.全自动海底油气管道开孔机的设计［J］.石油矿场机械，2009，38(7):34－38.

［6］喻开安，陈应华，张宏，等.海底油气管道水下开孔机的设计［J］.石油机械，2004，32(增刊):56－59.