基于安全因素的开式潜水钟设计与研究

李 曦

（中国船级社 芜湖分社，安徽芜湖 241000）

基于安全因素的开式潜水钟设计与研究

李 曦

（中国船级社 芜湖分社，安徽芜湖 241000）

文章描述了某型开式潜水钟系统在设计与使用时，对人员和设备的安全因素进行了多层次的考虑，设计了多重保护，并结合中国船级社（CCS）《潜水系统和潜水器入级与建造规范》对回收潜水钟时独立的应急系统相关规定，重点描述了应急自浮系统解决方案。对同类型开式潜水钟设计与研究具有现实指导意义，并对日后CCS规范的修改有一定的参考价值。

安全；潜水钟；应急自浮系统

0 引言

现代船舶工业中，潜水器作为性能特别的一类海洋产品，随着中国日益走向海洋，以至深蓝，正起着越来越重要的作用，日益受到更多的关注。特别是中国蛟龙号深潜器，所取得的成就引起全世界关注。一方面，潜水器运载科学家和工程技术人员进入深海，在海山、洋脊、盆地和热液喷口等复杂海底进行机动、悬停，有效执行海洋地质、海洋地球物理、海洋地球化学、海洋地球环境和海洋生物等科学考察。另一方面，可以开展深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测与捕获、深海生物考察等功能。

1 概述

目前主要有5大潜水方式，即自携式潜水、管供式潜水、开式钟潜水、邦司潜水和饱和潜水。除了自携式潜水和管供式潜水外，其余3种潜水方式都要用到潜水钟[1]，因此潜水钟成为人们从事水下活动的重要装备。

潜水钟是一种钟形压力容器，配备在需要进行潜水作业的船上，可以运送人员往返于水下与甲板之间。开式潜水钟是指底部开口，钟内上部可形成气垫的潜水钟，又称湿式潜水钟，是潜水钟系列中的一种。开式潜水钟主要用于中浅深度的的空气潜水，一般与轻潜水装具配套使用，适用于潜水，是国际上较为流行的潜水运载工具之一。由于开式潜水钟系统具有独特的优势，在英美等发达国家得到广泛使用，并且已进入标准化生产与潜水作业。

虽然开式潜水钟系统具有独特的优势，方便，耐用，但同时，由于人员、设备皆需要潜入较深的海水中，承受深海中复杂的环境影响，对人员、设备进行着严苛的考验，稍有不慎，将出现人员、设备失踪、丢失的可怕结果，造成严重的后果。故各国在设计潜水设备时都十分重视设备和人员的保护。本文从某型开式潜水钟系统的设计，结合中国船级社《潜水系统和潜水器建造与入级规范(2013)》，探讨其安全设施的考量与设计。图1为潜水钟。

2 规范要求

中国船级社《潜水系统和潜水器建造与入级规范(2013)》[1]第13章浮性与稳性第二节，摘录如下：

“13.2.1.1潜水钟和系缆潜水器应在正常操作或航行的所有状态下以及应急状态时均应有足够的稳性。”

“13.2.1.2回收潜水钟和系缆潜水器至少应有1套正常系统和2套独立的应急系统。其中1套应急系统可用正常系统吊索[2]，导索，或脐带，但其驱动源应与正常系统所用的分开。另一套应急系统应与吊索，导索，或脐带无关。”

“13.2.1.3与吊索，导索，或脐带无关应急系统可采用本身自浮方式或应急解抛压载方式。依靠自浮应急上浮的潜水钟和系缆潜水器，在与吊索，脐带和吊放系统解脱后，应有足够的正浮力。”

3 SWZ1.3K120/2B.0型开式潜水钟系统设计说明

3.1 设计依据

设计依据包括如下标准：1）CCS《潜水系统和潜水器入级与建造规范(2013)》；2）CCS《船舶与海上设施起重设备规范(2007)》；3）CCS《钢制海船入级规范(2015)》；4）CCS《材料与焊接规范(2015)》；5）《机械设计手册(1983)》第二版，下册（化学工业出版社）；6）NB/T 47003.1-2009《钢制焊接常压容器》。

3.2 设计条件

1）钟体工作环境为潜水工作母船的甲板上和水下，空气常规潜水作业最大深度60 m（海水）以浅，混合气潜水作业最大深度120 m（海水）以浅；潜水员出钟距离潜水钟25 m远以内；

2）空气中温度−10℃～55℃，水下温度3℃～32℃，相对湿度100%，空气含盐量1 mg/m3；

3）工作时最大纵倾±2º、横倾±5º、纵摇±2.5º、横摇±8º；放置时最大纵倾±2.5º、横倾±8º、纵摇±5º、横摇±12º；

4）钟内乘员2人；

5）作业环境水下流速≤0.8 m/s；海况≤3级，蒲氏4级风力；

6）开式潜水钟运行速度≤20 m/min。

3.3 特别设计说明

1）开式潜水钟吊放装置（见图2）用来吊放和回收潜水钟，由门架及双变幅油缸、钟绞车及索具，导向压重绞车及索具、导向压重，脐带绞车及脐带，液压控制系统、泵站及控制电气等组成；其设计符合CCS《潜水系统和潜水器入级规范(2013)》第14章和附录B以及CCS《船舶与海上设施起重设备规范(2001)》的要求。

2）按CCS《潜水系统和潜水器入级规范》中13.2.1.2的要求，本设计中钟绞车及索具为正常的开式钟回收系统；导向压重绞车、索具及导向压重为一套应急的开式钟回收系统；抛弃可弃压载后开式钟上浮，为另一套应急的开式钟回收系统。

液压控制系统、泵站动力源及控制电气设计为两套，一用一备；主用系统作为正常的开式钟回收系统的驱动源时，备用系统则作为应急的开式钟回收系统的驱动源。

4 潜水钟设计

潜水钟是SWZ1.3K120/2B型开式潜水钟系统的关键部件，主要承担潜水员在水下作业的中继站和下潜、上升及水下减压的运载工具的作用。它由带椭圆形封头的钟罩、钟架体（包括护管架和钟底座）、钟压重块等组成。工作时，由开式潜水钟的吊放装置主绞车钢缆吊住顶部，并沿着预先放入水中的导向钢索，穿梭于水面和水下。

4.1 钟罩

位于钟的上部，在钟架体的包容下并与钟护管架焊接；由向下反扣的标准椭圆形封头和一段立式圆筒组成，作用是形成钟内气垫。这个气垫保证钟内潜水员的肩部以上、钟内供气、照明、通讯、监测系统器件等处于一个干式环境。

钟罩主体材料为Q345R；钟罩内直径为Ф1 300 mm；钟罩高度为575 mm。

钟罩的顶部设有供气、测深、热水和电缆的贯穿件。还设计有三个挂钩，可拖拉钟外失去知觉的潜水员入钟。

钟罩侧壁设有透明观察窗2只，观察窗玻璃材料为2#航空有机玻璃。

钟罩在水下时，内部气压与外部水压平衡，即强度和刚度由焊接工艺性和内挂件重量经验估计，并尽可能减轻钟的重量，同时满足 JB/T4735-1997《钢制焊接常压容器》标准中最小厚度≥3 mm的规定，本设计取厚度为6 mm。

钟罩本体需保证气密，设计和检验要求参照JB/T4735-1997《钢制焊接常压容器》标准。

4.2 钟架体

最大高度为2 308 mm；最大外径为Ф1 800 mm；钟底直径为Ф1 600 mm。

钟外由Ф76无缝钢管（材质不锈钢）焊成对钟罩的防撞框架，并与钢板（材质Q235B）焊制的钟底座可靠焊接；防撞框架各管内相通并保持水不进入，以防止管内部腐蚀。

钟罩顶部设有主吊耳，并按《潜水系统和潜水器入级规范》中15.2.3.2的规定设计成可附加的吊放系固点，依靠一条吊索和主脐带与水面母船联系在一起。同时钟外侧有4只导向滑套，使钟体穿固于导向索内。

钟架体底部有踏板，两侧按《潜水系统和潜水器入级规范》中15.2.3.9的规定有座位和安全带，可容纳两名潜水员踏上坐下，座位底下为可弃压载（钟压重块）箱。

开式潜水钟陆上总重量为1 750 kg，钟架体要有足够的强度，设计考虑在钟架体和钟罩组焊后，钟架体底板上放置重物，做1.5×(1 750+240)=2 985 kg的静载吊重试验。

4.3 潜水钟可弃压载

开式潜水钟不含可弃压载，在水中的浮力为向上8.14 kg，即钟在水中是向上浮的。

设计考虑要在水中应有约220 kg的向下浮力，以保持钟体稳定下潜，故配了228.6 kg的可弃压载，分置钟架体的座位下。

可弃压载由铅浇注而成的圆棒，在两侧潜水员座位下均布各9根，每根12.7 kg。特别紧急情况下，潜水员在水下可抛掉压载，实现自浮出水。

4.4 潜水钟应急自浮

特别紧急情况下（主绞车和导向压重绞车的钢缆全断或在水下意外阻滞，主脐带也断），此时潜水员打开两组钟应急气瓶阀，放出所有长度的潜水员脐带，潜水员移至钟外并打开座垫板抛弃压重棒，当钟开始上浮时，潜水员离开潜水钟，让潜水钟拖带着潜水员缓慢上升，当感觉拉力停止时，潜水员沿脐带减压至水面，在救急人员帮助下迅速进入甲板减压舱。

5 SWZ1.3K120/2B.0型开式潜水钟本体设计计算

5.1 计算条件

1）钟体工作环境为潜水工作母船的甲板上和水下，空气常规潜水作业最大深度60 m（海水）以浅，混合气潜水作业最大深度120 m（海水）以浅；潜水员出钟距离潜水钟25 m远以内；

2）空气中温度−10℃～55℃，水下温度3℃～32℃，相对湿度100%，空气含盐量1 mg/m3；

3）工作时最大纵倾±2º、横倾±5º、纵摇±2.5º、横摇±8º；放置时最大纵倾±2.5º、横倾±8º、纵摇±5º、横摇±12º；

4）钟内乘员2人；

5）作业环境水下流速≤0.8 m/s；海况≤3级，蒲氏4级风力；

6）开式潜水钟运行速度≤20 m/min。

5.2 设计计算

1）不含可弃压载和潜水员脐带时，钟的陆上重量=钟体+钟内附件；不含可弃压载和潜水员脐带时，钟的陆上重量=1 441.4 kg。

2）不含可弃压载时，钟在水下重量 =1 441.4−(1 396×1.026+17.24) =−8.14 kg，无配载水下为向上浮力。其中，17.24为潜水员脐带在海水中的浮力差。

3）钟配载压重的确定

参考JT/T205-2008《通风式潜水装具》标准，当人体和装具水下程中性（重力=浮力）时配重（前后压铅）30 kg，可抗≤2 m/s水流并自由下潜；现作业环境水下流速≤0.8 m/s，推算TF型通风式重潜水装具30/4 kg即可，但钟受阻面积较大约是TF型通风式重潜水装具的10倍，即为10×30/2/0.8=187.5 kg。

考虑钟固定在导向索上，导向索的倾斜使导向索与导向套的摩擦，设计考虑在水中配的可弃压载需克服浮力−8.14 kg，且向下浮力至少187.5 kg，以保持钟体的稳性和自由下潜的向下浮力为195.64 kg，设计取228.6 kg。

4）最终陆上总重量和最终水下总重量

考虑配可弃压载时，最终陆上总重量（钟总质量）= 1 750 kg，取1 750 kg。

考虑配可弃压载时，钟在水下总重量= 228.4 kg−(228.4/11.37)×1.026 kg=207.8 kg，大于195.64 kg。

5）钟的水下稳性

（1）考虑配载压重时

按CCS《潜水系统和潜水器入级规范(2013)》13.1.4条补充计算：

GB=ωNd/Wtgθ=75×1×500/1 432.3×tg25°=56.15式中，ω为乘员人均体重，取75kg；N为乘员总人数的10%，2人取1；d为乘员在钟内可走动的最大距离，取500 mm；W为水下排水量，由设计图纸为1 432.3 kg；θ为人员能保持坐位的最大倾角，取25°。

a）重心

现以环围管中心线将钟体分为上、下两部分进行陆上重量计算：

上部钟体重量=钟罩重量+上部纵向围管重量+焊接环+侧连板+环向围管重量的一半+钟内管系+钟内电器+其他=401.515 kg；重心取在上部几何中心。

而钟体全重为1 750 kg，于是下部钟体重量为1 750 kg−401.515 kg=1 348.485 kg；重心取在下部几何中心。

b）上下两部分综合重心计算

下部干重是上部干重的1 348.485/401.515=3.358倍，原两部分重心距离1 154 mm。设原下部重心到两部分综合重心距离为h，则h+3.358h=1 154，h=264.8 mm；

上下两部分综合重心位置如图3所示。

c）浮心

现以环围管中心线将钟体分为上、下两部分进行水下浮力计算：

上部浮力主要为钟罩浮力+上部管架浮力=936.952 kg，钟内管系和钟内电器因不在水中无浮力；浮心取在上部几何中心。

而钟体总浮力为1 396 kg，于是下部钟体浮力为1 396 kg−936.952 kg=459.048 kg；浮心取在下部几何中心。

d）上下两部分综合浮心计算

上部浮力是下部浮力的 936.952/459.048=2.04倍，原两部分浮心距离1 154 mm。

设原下部浮心到两部分综合浮心距离为H’，则H’+H’/2.04=1 154，H’=774.39 mm。

上下两部分综合浮心位置如图4所示。

H’−h=774.39−264.8=1 509.59 mm＞56.15 mm，故可保持稳性。

（2）不考虑配载压重时

按CCS《潜水系统和潜水器入级规范(2013)》 13.1.4条补充计算：

GB=ωNd/Wtgθ=75×1×500/1 375.89×tg25°=58.45式中，ω为乘员人均体重，取75 kg；N为乘员总人数的10%，2人取1；d为乘员在钟内可走动的最大距离，取500 mm；W为水下排水量，由设计图纸得1 396−228.6/11.37=1 375.89 kg；θ为人员能保持坐位的最大倾角，取25°。

a）重心

现以环围管中心线将钟体分为上、下两部分进行陆上重量计算：

上部钟体重量=钟罩重量+上部纵向围管重量+焊接环+侧连板+环向围管重量的一半+钟内管系+钟内电器+其他=401.515 kg；重心取在上部几何中心。

而不含配载时钟体全重为：1 750−228.6 =1461.4 kg，于是下部钟体重量为：11 461.4−401.515=1 059.885 kg；重心取在下部几何中心。

b）上下两部分综合重心计算

下部干重是上部干重的1 059.885/401.515=2.64倍，原两部分重心距离1 154 mm。

设原下部重心到两部分综合重心距离为h，则h+2.64h=1 154，h=317.03 mm。

上下两部分综合重心位置如图5所示。

c）浮心

现以环围管中心线将钟体分为上、下两部分进行水下浮力计算。

上部浮力主要为钟罩浮力+上部管架浮力为936.952 kg，钟内管系和钟内电器因不在水中无浮力；浮心取在上部几何中心。

而不含配载时钟体总浮力为：

1 396−228.6/11.37=1 375.89 kg，于是下部钟体浮力为1 375.89−936.952=438.938 kg；浮心取在下部几何中心。

d）上下两部分综合浮心计算

上部浮力是下部浮力的 936.952/438.938=2.13倍，原两部分浮心距离1 154 mm。

设原下部浮心到两部分综合浮心距离为H’，则H’+H’/2.13=1 154，H’=785.31 mm。

上下两部分综合浮心位置如图6所示。

H’−h=785.31−317.03=468.28 mm＞59.29 mm，故可保持稳性。

（3）增加水下稳性措施

考虑钟在水下受水流影响，钟每侧采用双导向扣环，穿于导向索上，故即便主钢缆呈松弛状态，也不可能出现钟体翻转。

6 现场试验结果

根据CCS批准的试验大纲，最终试验结果完全满足设计要求，潜水钟浮性与稳性良好，模拟的紧急上浮试验获得圆满成功，设计取得预期结果。

7 结论

中国船级社《潜水系统和潜水器入级与建造规范(2013)》规定回收潜水和系缆潜水器至少有2套独立的应急上浮系统。但对应急上浮系统没有规定具体的要求。实际上，当潜水器在海中作业时，遇到复杂的海况和设备故障时，最可靠的措施就是不需要任何外力，靠自身浮力，在保持稳性的情况下，紧急上浮，实现自救，保证设备和人员的安全。本文介绍了开式潜水钟本体的设计，重点对其稳性和浮性进行了科学的计算，对同类型产品的设计以及CCS规范的修改完善具有一定的参考价值。

[1]中国船级社.潜水系统和潜水器入级与建造规范[S].2013.

[2]中国船级社.船舶与海上设施起重设备规范[S].2007.

[3]中国船级社.钢制海船入级规范[S].2015.

[4]中国船级社.材料与焊接规范[S].2015.

[5]机械设计手册联合编写组.机械设计手册(第二版)[M].北京: 化学工业出版社, 1983.

Design and Research of Open-type Diving Bell Based on Safety Factors

LI Xi
(Wuhu Branch of China Classification Society, Anhui Wuhu 241000, China)

The article describes a type of open diving bell system in the design and use, the safety of personnel and equipment factors are considered by multi levels and the multiple protections are designed.Combined with the relevant rules of the independent emergency system in recovering the diving bell of China Classification Society (CCS) “Classification and Building Rules of Diving System and Diving Equipment”, the description focusing on the emergent self-floating system solution is done.It has practical guiding significance for the design and research of the same type open-type diving bell, and has some reference value for future modification of CCS rules.

security; diving bell; emergent self-floating system

U674.941

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.013

李曦（1968—），男，工程师，研究方向：国际/国内/内河航行船舶检验，海工和船用产品检验。