基于合成纖維纜的科考船地質絞車海上試驗方法

葛楊元，楊 宇，張洪欣，葉浩然，潘瑞祥，李文華

（1. 南通力威機械有限公司，江蘇南通 226500；2. 上海彩虹魚海洋科技股份有限公司，上海 201306；3. 自然資源部北海局，山東青島 266061；4. 大連海事大學 輪機工程學院，遼寧大連 116026）

0 引言

全海深地質絞車是配備于科考類船舶的高技術型船舶技術設備與科考調查設備[1]，適用于進行全海深條件下的海洋環境探測、生物地質取樣工作，是科考船上實現重要船載探測儀器布防與回收的關鍵設備[2]，為海洋調查研究工作提供強有力的保障[3]。合成纖維纜繩由于其自身高強度、低質量、小密度的特點，逐步成為大容量高強度海工設備的纜繩首選[4]。本文以國產使用合成纖維纜的全海深地質絞車系統海上試驗為參考，提出適用于國產地質絞車海上試驗的方法[5]，該海上試驗為驗收試驗，目的是檢驗驗證國產全海深地質絞車達到性能要求及考核指標各項工作。

1 海試準備工作

1.1 海試儀器準備工作

本次海試參試儀器設備為1套全海深地質絞車系統（見圖1），由1臺牽引絞車、1臺儲纜絞車、1套直角排纜器、1套纜繩松弛補償器、滑輪組、1根13 000 m合成纖維纜和控制系統等組成，設備技術指標見表1。前期已經完成了陸地聯調實驗，達到了海上試驗要求。

圖1 進行海上試驗的全海深地質絞車系統

表1 國產全海深地質絞車系統技術指標

輔助海試驗證儀器包含1套全海深多波束系統，用于提供作業詳細深度數據，設備已經完成標定和校準，確保數據準確可靠；1套箱式取樣器、1套柱狀取樣器和1套生物拖網取樣器，用于海試驗證作業，狀態正?？捎?。輔助海試驗證儀器見表2。

表 2 輔助海試驗證設備

1.2 海試人員準備情況

地質絞車海試航次的人員組成應當包含現場專家組、現場作業組，由航次領隊統一管理和協調現場作業，確保海試驗證任務順利完成。整個航次人員總計至應約24人，人員配置情況如下：

1）現場專家組負責對現場作業效果進行評價，設置組長1人，組員4人，共5人。組長負責合規性監督，組員分戰位進行各單項監督。

2）現場作業組負責作業過程的現場實施操作，設置指揮2人，操作人員2人，艙內觀察人員2人，A架操作人員2人，甲板拆卸、止蕩人員8人，共16人。組長負責協調組員完成數據準備、設備準備、設備布放與回收、絞車操作，安全員進行甲板作業過程監管，現場指揮，組員完成相應工作。

3）技術服務組負責處理和解決現場作業過程中出現的設備技術故障，共4人。

1.3 海試船舶準備情況

船到達預定的海域，使用多波束測深系統對取樣區域海底地貌進行掃測；根據海水流向和風向，確定船體可調控姿態（方向）；箱式取樣和柱式取樣的作業區域，選擇深度達7 500 m以上較為平緩的軟質底質；生物拖網取樣，根據預選海試區域，向北向西陡峭、向東向南逐步變淺至6 000 m左右的海底地貌情況，結合海水流向和風向，在船體姿態調控穩定的狀態下，船由東南向西北方向航行，做深拖試驗，目的是由淺向深拖曳，避免生物拖網觸底。

2 海上試驗內容和流程

2.1 作業程序

1）常規地質取樣試驗

常規地質取樣試驗為箱式取樣和柱狀式地質取樣。通過絞車控制系統計數器顯示數值與多波束測深系統數值進行比對，確保取樣作業順利完成。常規地質取樣試驗主要流程見圖2。

圖2 常規地質取樣試驗主要流程

2）拖曳式生物取樣試驗

絞車系統掛載生物拖網系統后，進行拖曳式生物拖網作業，驗證絞車系統的性能穩定性和設備可靠性。主要流程見圖3。

圖3 深水拖網試驗主要流程

2.2 箱式與柱式取樣作業操作步驟

1）布放

（1）絞車系統上電，操作、控制系統正常。

（2）纜繩端固定配重塊，達到合適配重情況。

（3）纜繩端用25 t卸扣與柱式取樣器連接。

（4）操作絞車系統和A架協同動作，取樣器吊離甲板至船舷外。

（5）操作絞車系統布放柱式取樣器，其布放速度由慢速向高速運行（0～90 m/min）。

（6）箱式或柱式取樣器布放過程中，對放纜長度進行監測，對比多波束探測采樣器下潛深度，距離海床200 m左右時，下調布放速度，以55 m/min左右的速度下放取樣器，至取樣器觸底或插入海床。

2）回收

（1）操作絞車系統，牽引低速運行提起或拔出取樣器。

（2）絞車收纜長度監測與多波束探測到取樣器提起后，回收速度由低速向高速運行（0～90 m/min）。

（3）當絞車系統收纜長度反饋剩下距離500 m左右時，操作手柄降速收纜。

（4）操作絞車系統和A架協同動作，柱式取樣器吊放至船艉甲板上。

（5）觀察取樣器沉積物并取出。

2.3 生物拖網取樣作業操作步驟

1）布放

（1）絞車系統上電，操作、控制系統正常。

（2）纜繩端固定配重塊，達到合適配重情況；觀察生物拖網下沉效果并視情況進行配重調整。

（3）纜繩端用25 t卸扣與生物拖網連接。

（4）操作絞車系統和A架協同動作，生物拖網吊離甲板至船舷外。

（5）以水深6 000 m的平緩地帶為作業起點，船為懸停狀態，操作絞車系統布放生物拖網，其布放速度由慢速向高速運行（0～60 m/min），至布放深度3 000 m；此時，船舶以對地1 kn～2 kn的速度開始航行拖曳，絞車系統以速度50 m/min放纜，當絞車系統顯示放纜長度為11 000 m時，絞車停止放纜；船舶繼續以對地2 kn～4 kn速度航行30 min，觀察絞車牽引力，保持纜繩與海平面呈相應的夾角，確保生物拖網懸浮在水中不觸底。

2）回收

（1）操作絞車系統，回收生物拖網。

（2）纜長小于水深之后，船舶為懸停狀態，回收速度由慢速向高速運行（0～90 m/min）。

（3）當絞車收纜長度顯示剩余500 m左右時，操作手柄降速收纜。

（4）操作絞車系統和A架協同動作，生物拖網取樣器吊放至船艉甲板上。

（5）檢查生物拖網。

3 海上試驗應急流程及預案

3.1 海上試驗應急流程

為保障航次的順利實施，對所有人員上船后需進行安全培訓。為了預防緊急情況，特制定了應急程序，見圖4。

圖4 應急程序流程圖

3.2 海上試驗應急預案

1）絞車系統全程布放、回收過程中出現故障，應立即停機檢查，判別故障原因、制定維修方案、確定修理時間。短時內有元器件備件且可快速更換的，隨時觀察纜繩漂浮情況，避免纜繩卷入螺旋槳；短時內無法修理或無更換備件，應立即截斷纜繩，取消作業。

2）絞車高速長時間運行，減速箱、泵站、稀油站出現高溫報警，減速運行或短暫停機。

3）取樣器掛底無法回收，船體配合調整位置，操作絞車系統重復拖拽。

4）船體出現故障，需較長時間修理，特別是布放作業時應立即停止，快速回收取樣器。

5）纜繩纏繞螺旋槳上，截斷纜繩，取消作業。

4 海上試驗比測數據及實測數據處理方法

4.1 比測儀器及其狀態，比測方法和比測程序

1）比測設備為多波束測深系統，以完成設備校準與調試。

2）比測方法為讀取多波束水深測量數據，絞車自帶計數器進行放纜長度監測，通過對比多波束測深數據了解實測采樣器下潛深度。

3）比測程序按照淺水、深水試驗程序進行。比測程序流程圖見圖5。

圖5 比測程序流程圖

4.2 試驗數據和比測數據的處理辦法

多波束水深測量數據處理是常規處理流程。本航次的目的主要是對萬米地質絞車的實際性能進行海試驗證，因此獲取的數據包括海試驗證過程中所有的過程記錄文件，實驗過程中關鍵節點的絞車參數以及用于放纜長度和深度比對的多波束數據等。所獲數據進行橫向對比，尋找特別現象和位置，進行針對性檢查，確保絞車作業正常。試驗期間檢查和記錄下列項目：

1）絞車運轉平穩，無異常振動和響聲。

2）絞車機械各部分連接牢靠，緊固件無松動。

3）結構件無裂紋和永久變形。

4）減速器、液壓站、稀油站及液壓管線不得有漏油、滲油現象。

5）檢查減速器、液壓系統、稀油站的油位。

6）電氣設備安全可靠性。

7）記錄電機的電壓、電流、轉速。

8）記錄減速箱、電機、液壓站、稀油站及支撐座的溫度。

9）檢查電機盤式制動器動作靈活、安全可靠。

10）檢查儲纜絞車帶式制動器動作靈活可靠及滑移量。

11）排繩裝置運行應正常、無開阻。

12）操作臺儀表顯示正常、界面設定準確，操作手柄靈活、位置可鎖住。

13）記錄纜繩張力，測力準確、可靠。

14）記錄纜繩收放速度、長度，測速、測長準確、可靠。

15）牽引滾輪、滑輪組無跳繩現象。

16）儲纜絞車恒張力設定穩定、準確。

17）系統控制程序穩定、準確。

18）纜松弛補償器動作響應快。

19）檢查濾油器清潔度。

20）檢查儲纜絞車帶式制動器摩擦帶接觸及磨損情況。

5 結論

本文敘述的地質絞車海上試驗流程可應用于

目前國產使用合成纖維纜地質絞車可靠性驗證試驗，為大容量地質絞車系統的改進和完善提供依據。此外，對于其他使用合成纖維纜繩的國產相似科考類絞車，可以使用本文所提供方案進行驗證國產化設施的先進性，以達到增強市場競爭力的目的。同時為其他類型的絞車等甲板機械的海上試驗提供重要參考。