对水下拖体安全性设计概述

郭鹏

摘 要：随着海洋探测技术的不断发展，水下拖曳系统的设计也在不断改进。当前，水下拖体正朝着智能化、功能多样化的方向发展，借助该系统可实现对深水领域的探索。然而，美中不足的是，水下拖曳系统构造的不断复杂化无形中加大了成本支出，加之深水区域地质环境复杂多变。为了避免不安全事故的发生，水下拖体设计的安全性问题成为了研究人员关注的焦点话题。基于此，开展对水下拖体安全性设计问题的探究，并对水下拖体采取的安全性措施进行了介绍，为相关人员开展研究工作提供一定的借鉴。

关键词：拖曳系统；水下拖体；主动安全措施；被动安全措施

中图分类号：P715.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.09.014

随着科技发展浪潮的不断推进，我国海洋探测技术也较之前取得了显著的发展。这给水下拖曳系统的发展带来了新的发展契机。在水下拖曳系统的众多组成部分中，水下拖体是最为重要的内容。近年来，水下拖体也在向智能化、功能多样化的层面发展，能够实现在深海领域探索，给水下探测工作者带来了极大的便捷。然而，由于水下拖曳系统的不断改进，其系统构造也变得日益复杂，系统中的各部件都是一些精密的仪器，无形中加大了成本，而且深海区域地质复杂多变，如果处理不当，极易引发不安全事故，所以，提高水下拖体的安全性则显得尤为关键。水下拖体的安全性主要指的是水下拖曳系统在运行中，对遇到的一些突发状况能够积极应对，避免水下拖体受损坏的一种性能。当前，水下拖体的安全性措施主要分为2种：①主动安全措施，指的是为规避灾难所采取的避让措施；②被动安全措施，指的是当意外发生后，为了防止水下拖体受到损坏所采取的相关措施。

1 主动安全措施

所谓“主动安全措施”，主要指的是采取一切避让措施，避免意外事故的发生。通过有效规避，可提高水下拖体运行的安全性，降低不安全事故发生的概率。在水下拖体设计中，应将其作为首要考虑因素。主动安全措施主要分为3种，即自动避障措施、主动解脱措施和拖体监测措施。

1.1 自动避障措施

自动避障技术早在水下航行器中就有一定的应用。该技术已发展成熟，在水下航行体的运行中起到了一定的保护作用。随着水下拖曳系统技术的不断发展，自动避障技术在相关领域中也得到了应用，将其应用于水下拖体中，以有效规避水下固定障碍物，确保系统的安全运行。水下拖曳系统所使用的自动避障设备由测高仪、声呐、可调定深翼板、收缆绞车等组成，在具体应用中，可结合实际情况，选择其中几种设备进行组合，以达到一定的效果。自动避障设备的工作原理是：借助避碰声呐，可以有效感知障碍物的具体方位；测高仪会对水下拖体与海底的高差进行准确测量。如果发现拖体前方有障碍物存在或者水下拖体与海底高度差较小，控制系统会按照障碍物的特征及时调整定深翼板角度，结合回收拖缆等方式有效调整水下拖体的深度，以避免与障碍物发生碰撞。

以某水下探测拖体为例进行说明。该探测拖体采用的自动避障设备为避碰声呐与可调定深翼板。避碰声呐的探测距离可达200 m，倾斜角度为15°。探测拖体水中质量达100 kg，定深翼板展长500 mm、弦长450 mm。调节定深翼板以0.5 m/s的速度抬升探测拖体。由此可得探测拖体躲避水下障碍物的能力为：

（1）

式（1）中：H为海底障碍物的绝对高度；H0为探测拖体与海底之间的高度；V为拖体的实际抬升速度；S为避碰声呐的探测距离；a为避碰声呐探测时的倾斜角度；V0为拖体拖曳速度；t0为从得知障碍物的具体位置后到避碰声呐将指示发出之间的时间间隔。

通过实测，将相关数据代入上述公式计算得出，该探测拖体躲避水下障碍物的绝对高度约为48 m。

1.2 主动解脱措施

主动解脱设备因构造简单，可操作性强，在水下拖体设计中得到广泛应用。主动解脱的主要作用是对水下拖体上悬挂的异物比如绳索等物体进行主动解脱，防止水下拖体受到损伤，提高水下拖体的运行效率。当前，主动解脱措施主要包括如下内容：①将所有的迎流面设计成掠形，而且要确保表面无凹槽现象。这样，当水下拖体上拖挂有杂物时，可在短时间内迅速滑脱。②在拖曳点处安装破断销。当拖缆拖挂异物时，会逐渐滑脱到水下拖体的拖曳点部位，导致水下拖体承受巨大的拉力。当超出破断销所能承受的范围时，破断销会断裂，拖体受力点也会移动到尾部挂点部位，借助水下拖体的不断翻转，最终将异物脱离出来。③将铣刀安装在拖缆末端与拖体迎流面位置。异物被拖挂时，可借助铣刀将异物割断，解脱异物。

1.3 拖体监测措施

采取拖体监测措施可对水下拖体进行全程监控，看其內部有无漏水现象，或者监控水下拖体温度的变化等。如果拖体内部发生漏水现象或者拖体温度超过许可范围，可采取回收拖体或者暂停作业的方式处理，以防止对拖体内部的电子器件造成损伤，引发不安全事故。此外，由于变压器油导热性能好、绝缘程度高及密度低等特征，还可采用在拖体内部注入变压器油的方式来有效解决拖体内部漏水和升温过快的问题。这样做，一方面可提高拖体内部的密封性，杜绝漏水现象的发生，保护电子器件免受水的侵蚀，提高其精密性；另一方面还可将拖体温度控制在可控范围内，确保系统得以安全运行。

2 被动安全措施

被动安全措施主要指的是水下拖曳系统在运行中已发生事故，比如碰撞或者拖挂异物等，为了避免对水下拖体造成损伤所采取的有效解决措施。被动安全措施有头部防撞舱措施、指示信标措施、抛弃重物块措施和安全气囊措施4种。

2.1 头部防撞舱措施

头部防撞舱措施主要应用于拖曳速度过快或者收放作业时易发生船尾碰撞的拖体。它的作用是通过碰撞后产生的形变来吸收碰撞后产生的能量，以降低对拖体构件的影响。一般而言，头部防撞舱设计成透水结构，而且组成该结构的部件也无需购买价格高的，按照实际碰撞程度合理选择头部防撞舱的结构强度。如果头部防撞舱强度较低，则拖体发生碰撞后所产生的能量不能被完全吸收，势必会对拖体造成一定的损伤，因此头部防撞舱设计时强度应适中。设计头部防撞舱时，应选择一些金属材料比如玻璃钢等，而且要确保拆卸便捷。

2.2 指示信标措施

在拖体在水底遗失情况下，指示信标能够迅速对拖体的位置进行准确定位，方便工作人员及时打捞。指示信标有声信标、GPS信标和染色剂等多种形式。一般将指示信标安装在拖体上，由专门的电池供电，这样可避免拖体受到损伤。根据实际所需，选择恰当的指示信标启动方式，拖体在正常工作状态下，可将指示信标调整为休眠状态，这样可保留一定的电量，为后续搜索提供充足的电量保障。声信标在负浮力拖体上有一定的应用，如果水下拖体丢失，可借助定位基阵搜寻，找出水下拖体的具体方位，提高打捞的精确性。

2.3 抛弃重物块措施和安全气囊措施

抛弃重物块与安全气囊的工作原理均是借助相关设备将负浮力的水下拖体转变成正浮力拖体，待其浮在水面上后，施工人员可将其从水中打捞出来。

2.3.1 抛弃重物块措施

通常情况下，在拖体的底部安装重物块，为了避免其出现滑动现象，可借助卡桦机构进行加固处理。如果水下拖曳系统有异物存在，拖体会超过自身荷载力，导致拖缆断裂，水下拖体丢失。这时，电磁体会采取一系列的指令将重物块抛出，使水下拖体浮出水面。

2.3.2 安全气囊措施

安全气囊的工作原理是通过充入一定的气体，借助浮力的作用使拖体浮出水面。一般选择凯夫拉加强型橡胶作为安全气囊的组成材料，由于气体的体积会随着压力的增加而逐渐减小，因此安全气囊使用在水深不超过200 m的区域。安全气囊中充入的是高压气瓶提供的气体，它主要借助电磁阀进行有效控制，使用时才会开启。高压气瓶具有重复利用率高、安全可靠等优点，但美中不足的是，充气速度太慢，气瓶较重，实际应用中可结合实际情况有效选择。

3 结束语

水下拖体安全性措施能有效提高水下拖体及水下拖曳系统的安全性和生命力，在设计时应重点考虑。同时，水下拖体安全设计涉及总体技术、流體动力技术、机械设计技术、自动控制技术和水声工程等多个学科，应与水下拖体及水下拖曳系统设计统筹考虑、综合权衡，根据实际情况选择合适的安全措施，在保证安全性的情况下满足各项功能、指标要求，以求达到各项功能最优化。

参考文献

[1]曹帅辉.水下拖体和拖缆运动模型研究探讨[J].舰船电子工程，2012（12）：82-84.

[2]郭小俊，谈黎洲.电子罗盘在水下拖体的应用[J].上海船舶运输科学研究所学报，2013（01）：62-65.

〔编辑：刘晓芳〕