您的位置:首页

详情

国产载人深潜器母船探索一号改建项目主要研究成果及关键技术

2020-09-21

 

“探索一号”是由国家科学技术部、中国科学院和海南省联合出资改建的国产4 500米载人潜水器工作母船及深海科考通用平台。原船“海洋石油299”为海洋工程船舶(图1),于1984年在荷兰建造,具有CCS和DNV双船级社证书。由于船龄较长,原船部分机电设备老化、存在机械故障,外观较为老旧,锈蚀比较明显,燃油舱设计只满足旧规范要求,存在安全隐患。该船原船型为AHTS(Anchor Handling Tug Supply),为工程用三用拖船,且拓展增加了铺设长距离海底电缆及ROV和饱和潜水器支持能力,为适应多功能的需求,原船上布置杂乱,局部空间过于狭小,部分区域容易积水。承接该船改造任务的中国船舶重工集团公司第七〇二研究所经过多轮方案论证,突破以往改造思路,保留了原船动力系统、操舵系统、A架系统、机舱、集控室及艉段船体结构,新建了船舯向艏部分并与旧船体进行了对接。“探索一号”(图2)于2015年3月在广州中船文冲船坞有限公司开工建造,2016年5月交付使用。
 
1 主要研究成果
1.1 公约规范适用性研究 
经过计算分析及专家多轮评审,发现在原船基础上进行改建,存在燃油舱双壳保护、特殊用途船舶概率法破损稳性以及船员舱室布置等问题不适用规范。评估后提出调整液舱布置、优化燃油舱,并通过概率性泄油量计算使该船满足规范要求。经过增加船长、设置横舱壁和分析破损稳性许用舱长,使该船满足特殊用途船舶概率法破损稳性。此外,重新设计了上层建筑,优化了舱室布置,使之满足国际劳工组织要求。
1.2 导流罩优化设计研究
“探索一号”承担众多深海科考任务,配置了万米多波束测深系统、走航式ADCP(38 kHz)、Bathy2010浅地层剖面仪。声学设备安装对环境振动噪声源要求严苛(航速24节时,816 kHz频带的噪声谱密度不大于60 dB),通常位于船艏1/3船长位置,避免兴波和侧推孔引起的气泡的影响。万米多波束测深系统外形为7.4 m×8 m的T字型,分别布置了发射阵和接受阵换能器,对船体的水动力构型影响很大,其布置结合船型特点通常考虑有嵌入式、导流罩式、Gangdola以及气泡式4种方式。结合该船的船型及总体布置,气泡式安装方式被排除,项目团队采用“基于物面重叠的多附体船舶阻力数值模拟”方法分别对5个安装方案进行流场和阻力比较分析,通过量化比较得出导流罩式a型方案流场阻力性能更优。结合流场和设备发射频率综合考虑声学设备布置,避免设备之间的相互干扰。
 1.3 载人潜水器搭载系统研究
载人潜水器搭载系统由系固系统(图3)、输转系统(图4)、布放回收系统(图5)、水声通信系统(图6)、水声定位系统、维保系统和消防系统组成。系固系统按CCS《货物系固手册编制指南》对非标准货系固要求进行计算,优选下沉式系固点,提高甲板利用率;运输系统利用齿轮与齿条啮合迁移,将潜水器从潜器间移动至布放回收系统的A架下方,利用系统具有波浪补偿功能的吊放装置将潜水器吊放入水,吊放过程通过止荡装置减少船舶导致潜水器在变幅过程中的横纵向运动,保证潜水器内人员的安全性和舒适度;潜水器入水后通过船载水声通信和吊放水声通信实现船与潜水器之间的通信;由长基线和超短基线实现水下定位,实时共享潜器与母船之间相对位置信息;潜水器作业完成,由具备恒张力功能的绞车将潜水器牵引至船艉,配合布放回收系统回收至运输小车;潜器上船后在潜器间进行维护保养,潜器间配置与潜水器匹配的移动式维护平台、液压源、加油车、空压机、蓄电池充放机、新风系统、充氧泵以及行车等;为了提高工作间安全性,针对锂电池配置了七氟丙烷灭火系统。
搭载于“探索一号”科考船的载人潜水器布放回收系统由门架系统、吊放系统、拖曳绞车和电液系统等组成。其中门架系统借助原船已有设备,并进行适应性改装。该吊放系统额定安全工作负载为50吨,为蛟龙号“向阳红09号”布放回收系统的2倍,系统顺利完成“深海勇士号”海上试验和试验性运用。之后项目团队对系统进行了升级改造,满足全海深载人潜水器布放回收使用要求,全面提升系统智能化、操作性、维修性,攻克了主起吊补偿技术、防摇晃缓冲动力学分析技术、高海情对接联锁控制技术、多执行件精确控制可靠性技术等关键技术,并进一步升级波浪补偿控制、全新拖曳控制、多重监控控制等性能。潜器布放回收系统经受了多海区复杂海况、暴雨、高温高湿、振动等恶劣环境的考验,布放回收“深海勇士号”超过200 次,各项性能表现优异。实践证明,由中船集团第七〇四所研究并完成供货的这套潜器布放回收系统具备世界最大负载的全海深载人潜水器布放回收能力,并且打破世界深海领域的1VS1固定模式,实现了一套布放回收系统适用于两种潜水器的布放回收作业。更为重要的是,在打破潜水器布放回收系统国际垄断、实现该系统国产化研制道路上又迈进了夯实的一步。
1.4 新旧船体型线优化研究
“探索一号”打破国内外以往改造思路,加长船体、减小船体吃水,保留原船艉部线性,重新设计船艏线型,并采用自主开发的基于仿真设计精细化船型优化设计技术和 Oship 仿真计算评估手段,以快速性和耐波性为目标对加长部分的船型进行优化设计,获得阻力优秀、耐波性能佳的目标船型,完全满足总体设计要求,并通过耐波性模型试验验证,从而保证该船性能优异且经济实用。
 利用RANS理论计算和模型试验对“探索一号”的耐波性进行预报,该船耐波性能良好,人员舒适度较高,晕船率较低,艉部吊放潜器的A型架和潜水器工作间处加速度较小,可满足潜水器四级海况安全工作,五级海况可安全回收。
1.5 外观构型优化研究
经过多轮方案比较,项目团队优选垂直形船艏结合流线型封闭上层建筑,造型新颖且改善了阻力性能,减少船舶在波浪中艏部抨击及上浪,提高了船艏船员作业安全性。
1.6 配电网络优化研究
改造前全船电制均不能兼容我国工业及生活电制380 V/50 Hz、220 V /50 Hz,导致很多国产设备使用寿命降低。停泊工况下,需要开启一台主发电机,发电机组效率低,燃油经济性差;电制不匹配,每个船员房间均配备了AC110 V/AC220 V变压器,既不方便又不安全;所有发电机组均未作静音处理,不满足声学测试要求。项目团队经过实船调研,对发电机组进行了隔振处理,对原船电网系统进行了梳理,将全船供配电网络架构重新设计,将主配电板分为3段母排,设置3只联络开关,任意两只联络开关合闸,能够保证主配电板三段母排均可正常馈电,在任一母排分断发生故障时,可迅速将故障段和正常段切断,保证正常母排段的正常供电,使得电力系统具有较强的生命力。并通过两段母排与侧推配电板左右母排相互馈电,使得电站配置灵活多变,根据不同的工况选择不一样的电站模式,满足该科考船各种复杂多变的工况环境。
 
2 攻克的关键技术
2.1 基于SBD的节能船型优化设计技术
SBD技术是随着CFD技术、CAD技术以及优化技术的发展而出现的一种新的以目标驱动设计的构型设计模式。SBD技术将CFD技术系统地融入优化过程,并结合优化理论与几何重构/变形技术,实现对优化目标的直接寻优。其基本原理与优化设计流程如图7和图8所示。“探索一号”船艏利用SBD船体几何自动重的船型优化技术,阻力降低12%。
 2.2 结构轻量化优化技术
项目团队综合评估船体结构预定的全船设计寿命,分析了结构载荷分布情况,定量设计结构尺寸,为了实现轻量化,控制腐蚀余量,“探索一号”关键位置布置了牺牲阳极以及阴极保护装置。上层建筑和甲板室结构采用槽型舱壁,通过优化舱室布置和槽型舱壁节点设计,提高了槽型舱壁材料利用率。 
2.3 冰温保鲜技术
冰温保鲜技术由第七〇四所研发,率先采用精确控温和均匀温度场控制技术,与常规冷藏装置相比,将船舶常备蔬果保鲜时间提高了1倍以上,冰温保鲜时间达到6575天。通过冷藏装置双压缩机多级负荷调节与冷风机制冷剂流量调节技术相结合,首次实现±0.5℃的船舶冷库温度控制精度,达到国际先进水平。首创了冷库天花板层流送风技术,解决了冷库温度场均匀问题,保证了冷藏装置精确库温控制的效果。开创性地在船用冷藏装置上使用储能式热气融霜替代电加热融霜,解决了融霜过程干扰库温精确控制的难题。
2.4 载人潜水器安全回收技术
项目团队提出多执行件精确控制可靠性技术,创新载人潜水器安全回收技术体系,提高了恶劣海况下载人潜水器安全起吊与准确对接的可靠性,大大拓展了载人潜水器作业窗口。
通过开展主起吊补偿关键技术研究,实现了主吊缆高海况下高速运动跟随和稳定张力补偿,显著减少潜水器出入水过程冲击振荡和作业安全性,满足人员在起吊过程中的舒适度要求。
开展了防摇晃缓冲动力学分析技术研究,有效减少了潜水器在入水前和出水后的布放回收过程中因船舶摇摆引起的晃动,减少了冲击,有效提高了潜水器布放回收效率和作业人员舒适度。
研究了高海情对接联锁安全控制技术,通过多点潜水器对接缓冲技术及锁紧技术研究,满足了高海况下潜水器导接缓冲、可靠锁紧及安全转移要求;通过集成在线监控及报警技术研究,实现了多机构安全联锁控制策略,确保了高海情下潜水器布放回收安全性。
 
3 社会经济效益
“探索一号”可满足4 500米载人潜水器或全海深载人潜水器出海作业要求,该船潜水器吊放集成系统实现了完全自主化研制及支持保障,关键技术及研制经验可推广并应用到多种类潜水器、ROV、水下科考设备仪器等的吊放作业,促进我国各类潜水器的应用水平提升,并推动我国特种甲板设备等海洋装备的技术升级,为水面系统全面产业化奠定基础。另外,“探索一号”的改建模式为类似船舶的改造提供了良好典范,在缓解过剩海工船舶的产能的同时,为新的科考船型作出了有益的探索。