某极地科考船科考收放系统设计

2024-01-22罗志农巫振汉

广东造船 2023年6期

罗志农，巫振汉

（广东广船国际海洋科技研究院有限公司，广州 511457）

1 前言

某极地科考船能够满足无限航区和南北两极海域航行、科学调查作业以及绿色环保要求；能够携带国产化的“深海勇士”号、“奋斗者”号等载人潜水器进行极区载人深潜；配备国际先进的极区海洋科学综合调查设备，在环境调查方面能够承担极区大气、水面、海冰、水体、底质等综合调查观测研究任务，具备有关气候变化的海洋环境综合观测取样能力，并可开展极区深海资源调查；具有全海深全海域特别是极地水域航行和科考的特点；能够布放回收载人潜水器、水下缆控潜水器（ROV）、水下无缆自主机器人（AUV）、自动采水系统（CTD）；可测量海水温度、深度、盐度；配备了深海绞车、艉门架、舷侧门架、月池系统等科考收放设备和系统。

2 绞车设计

2.1 绞车选型

按照本船的功能需求，需要配置CTD 绞车、地质绞车、ROV 绞车、光电缆绞车。本船配置了先进的变频电动科考绞车系统，其主要功能如下：

1）自动/手动排缆、收缆/放缆方向控制；

2）绞车无级调速、应急停止；

3）缆绳张力、速度、长度检测及报警等信息实时显示；

4）本地操作+远程线控；

5）缆绳清洁及绞车摄像；

6）远程故障诊断。

各绞车选型要求如下：

1）绞车缆长可支撑全海深科考作业；

2）满足地质取样器等的承重要求；

3）尽可能减少绞车数量，可考虑兼用；

4）各绞车安全工作负载，应满足尽可能多规格的收放设备的需求。

绞车选型如下：

1）CTD 绞车1 套，变频驱动，牵引式，缆长10 000 m，安全工作负载6 t；

2）地质绞车1 套，变频驱动，牵引式，缆长13 000 m，安全工作负载30 t；提供承重眼环，收放设备通过承重眼环与缆相连接；

3）光电缆绞车1 套，变频驱动，牵引式，缆长6 000 m，安全工作负载25 t，光电缆绞车兼作ROV绞车。

2.2 绞车布置

考虑绞车系统在极低气温下的安全可靠运行，所有绞车采用集成埋舱方式布置在绞车间；绞车系统的布置应考虑绞车排缆走缆的便利性、绞车维护操作的便捷性，同时兼顾海上作业转换的高效性。

绞车间布置图，如图1 所示。

图1 绞车间布置图

3 门架设计

3.1 艉门架

本船露天作业甲板艉部设置一台液动门架，可用于载人潜器的收放操作，并可服务于光电缆和地质纤维缆。该门架设置了2 个滑轮吊点，右舷滑轮吊点兼顾光电缆和地质纤维缆的布放；配置了无线便携式操控板用于本地操作，也可在艉操控室操作。

按照全海深载人潜水器“奋斗者”号的重量，再加上潜水器导接头的重量并留一定余量，艉门架的工作负荷定为100 t；左舷滑轮吊点设计用于未来其它深海装备的收放，其安全工作负荷尽可能大，为50 t，以适应重型深海装备。艉门架布置图，如图2 所示。

图2 艉门架布置图

3.2 舷侧门架

潜器间旁艉部作业甲板右舷设置一台ROV/CTD 共用A 架，其工作负荷为20 t，用于ROV 和CTD 系统的收放等工作；A 架配置ROV 导接头和CTD 吊点滑轮，按照兼容超大重型ROV的要求，参考国内外ROV资料，最大重量约为5 t，再加上中继器、导接头重量并考虑恰当余量，舷侧门架安全工作负载定为20 t；按照兼容多层大型CTD 的要求，参考国内外CTD 资料，CTD 吊点滑轮安全工作负载定为6 t。舷侧门架布置图，如图3 所示。

图3 舷侧门架布置图

4 月池系统设计

月池系统主要包括：收放系统；舱盖系统；操控系统。月池系统可配合ROV 绞车及CTD 绞车等，进行ROV、CTD 收放等科考作业；也可通过月池收放其它科考设备和仪器，如搜寻探查型 AUV、水下吊车等。

4.1 月池系统配置

月池系统的配置，见表1。

表1 月池系统配置

为了可收放所有型号的ROV 以及大型科考设备，月池净开口越大越好。但是大开口会对船体总纵强度造成损害，同时对船体的横向强度及刚度都有显著的影响，并且结构设计需要满足5 级海况开启月池及科考作业的安全性。所以在保证船体安全满足规范的情况下，通过有限元及3D 建模CFD 对结构进行优化，考虑船体结构设计安全、设备作业需求、现场施工方便等要求，使设计更加合理；同时，结合船舶布置空间的限制，本船在船中#52～#60 设置月池结构，月池由主甲板通往外板，月池围井尺寸为6.4×7.6 m，净开口尺寸为4.8×6 m。

开口尺寸为4.8×6 m 的船底外板对于航速影响极大，因此设置了水密底舱盖。水密底舱盖采用单块盖板向上开启的方式：舱盖关闭时舱盖下表面与船底外板齐平，同时舱盖满足水密要求，盖板强度考虑了冰区加强的要求，舱盖四周设有防冻措施，保证舱盖在冰区的安全启闭。

月池顶盖如设计为风雨密，设备成本较高，同时设计和安装要求也较高，通过优化本船总体设计，可达到顶盖非密性要求。本船月池顶盖位于月池围井顶部，采用2 块埋入式盖板向下开启的方式，舱盖上表面与主甲板齐平，当处于关闭状态时，舱盖上可以堆放一定负荷的重物，同时舱盖向下开启，减少了对月池收放提升机构的影响。

月池收放系统，主要技术指标如下：

1）ROV 收放系统

（1）ROV 布放回收模式

安全工作负载：5 t

工作速度：30 m/min

作业海况：4 级正常作业，5 级应急回收

（2）其它装备布放模式

安全工作负载：20 t

工作速度：15 m/min

作业海况：3 级

2）CTD 收放系统

安全工作负载：3 t

工作速度：30 m/min

作业海况：4 级正常作业，5 级应急回收。

4.2 月池系统工作原理

以ROV 收放为例，先将无人潜水器ROV 与月池系统的ROV 收放装置的导接头进行连接，并提升离开月池顶盖；采用油缸分别驱动月池顶盖和底盖开启，操作ROV 收放装置，顺着月池导轨进行下放、入水，下放至海面规定深度，将导接头与ROV 脱开，此时可操作光电缆绞车进行ROV 的布放工作；回收时采用光电缆绞车，将ROV 回放至海面规定深度，与导接头连接后进行提升，从水下一直提升至月池顶盖上方一定深度；关闭月池顶盖和底盖，将ROV 放置在月池顶盖上方，完成ROV 在月池的布放回收工作；CTD 装置的收放原理与上述基本一致，但ROV 收放装置工作时需要CTD 收放装置处于收藏状态，当使用时将CTD 收放装置展开使用。

月池收放系统是月池系统的核心，需要实现CTD、ROV、AUV 等科考设备的收放：CTD、ROV 收放提升，采用固定导轨结合活动导轨的方式，即在顶盖下方设置固定导轨，顶盖上方设置活动导轨。非工作状态时，顶盖关闭，活动导轨处于最上端位置，收放提升装置通过止挡块固定在活动导轨上；工作状态时，顶盖开启，活动导轨在液压油缸作用下，垂直向下移动，直至与月池围井中的固定导轨完成对接。此时，收放提升装置就可顺利从活动导轨滑入固定导轨中，实现在围井内上升与下降的功能。

月池系统主要功能如下：

1）布放回收；

2）提升下放；

3）回转；

4）闭锁；

5）紧急停机；

6）顶盖、底盖开启；

7）锁紧。