自升式連體潛標測量系統的設計與實施

徐如彥, 沈 寧, 倪佐濤, 李 強, 李家剛, 黃必桂, 雷方輝, 張振波,朱友生, 吳海京, 陳志平, 陳 強

(1.中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2.中海石油(中國)有限公司研究總院, 北京 100027; 3.中海油服物探事業部工程勘察中心, 天津 300451)

潛標測量技術是近幾十年由一些海洋發達國家開始使用并發展起來的。

長期以來, 國內外學者, 針對海洋環境調查技術問題, 不斷地進行改進與探索, 特別在潛標測量技術方面有了不斷發展與改進, 隨著觀測儀器設備性能、體積、浮體材料的不斷改進, 使得海洋環境觀測技術手段有了很大提高。潛標系統是海洋環境測量的最重要技術手段之一, 在惡劣的海洋環境條件下, 無需人工值守, 對海洋水文要素進行長期、連續、同步、自動的測量, 是遠離海岸測量的重要設備,具有其他調查方法無法代替的作用, 其重要性越來越受到世界各海洋國家的重視[1-2]。

現對潛標測量系統的設計與實施分述如下。

1 自升式連體潛標測量系統

自升式連體潛標測量系統裝置由三部分組成 ,即座底式結構框架、筒體保護裝置、浮體組件構造裝置。

1.1 座底式結構框架

座底式結構框架由框架和配重組成, 構成錨定,自升式連體潛標放在錨定內座落在海床上。通過釋放裝置脫鉤, 脫鉤后連體潛標可自行升浮到海面,可獲取可靠的海洋水下環境剖面流資料, 并具有隱蔽性好不易被破壞的優點。

該結構框架可根據需要選用各種不同材料制作,本研究選用不銹鋼材料?？蚣軆炔靠臻g根據裝載的儀器設備浮體體積而定, 組合的浮體設計在框架內,可容納整套連體測量儀器設備。鋼結構底部或底部的周圍側面, 根據需要加配重塊, 將預制好的水泥條塊或其他材料的條形重塊, 固定在框架的底部或底部周圍。質量也可視需要而配重[3-6]。

鋼結構框架可設計為圓臺式和四面體棱臺式兩種形狀, 本鋼結構框架設計為四面體棱臺式, 其上部周長為280 cm, 高度為65 cm(因釋放器高度為65 cm),底部周長為520 cm。

配重約100, 200, 300 kg, 直至1 t不等。該鋼結構框架為搭載美國產150K ADCP剖面海流計而設計。

該鋼結構框架的連體潛標還可以搭載美國產75KADCP或38KADCP多譜勒剖面海流計, 只需多加一塊或幾塊預做好的浮體構件組塊和配重即可。75KADCP或38KADCP海流計與150K ADCP海流計儀器設備相比高出30 cm?？梢蕴幱谕搀w保護裝置的控制范圍內[7]。

1.2 筒體保護裝置

為了提高潛標測量系統精度、保障儀器設備測量系統安全, 根據連體潛標測量系統的結構特點,保證測量系統釋放裝置順利升浮, 避免受結構框架內壁阻力及釋放器吊鉤掛在鋼結構上面, 為了防止潛標系統受底流、臺風流、內波流等外力因素的影響以及因海區海床底質軟泥導致浮體進入軟泥而不能順利升浮等問題, 設計了筒體保護裝置。為防止連體潛標沉入海底軟泥, 下端端口視底質條件結構而定。當海底底質為軟泥(硬底質）時, 筒體保護裝置設計為封閉式(開放式)的, 用不銹鋼或塑料板制作成圓柱體、方形體。上端端口是敞開式的。根據自升式連體潛標外徑大小預做一個大于浮體潛標外徑的不銹鋼圓柱體或方形體, 以保證儀器設備正常工作及順利釋放浮出水面。

1.3 浮體組件構造裝置

1.3.1 浮體組件構造

連體潛標是由玻璃微珠浮力材料與儀器設備集成組合而成。根據儀器設備大小、質量, 每個浮體預制成每塊浮體浮力重為20, 30, 40 kg直至200 kg等的圓柱體或方形柱狀體, 使用時視儀器設備重量所需要的浮力而選用不同重量的浮體進行組合[8], 浮體用螺栓組合成一體。把儀器固定在預先做好的浮力潛標體的預留孔內。這種浮力材料與儀器設備預置到一體構成連體結構。該設計與以前報道過的所有潛標裝置不同的是: 本設計是把所有的儀器設備和釋放器合成在浮體的同一平行面的浮體內, 構成了目前一種體積最小的潛標測量單元。浮體組件構造見圖1。

圖1 浮體組件構造圖Fig.1 Structual system of the floating component object

1.3.2 浮體浮力計算

為保證自升式連體潛標有足夠的升浮力, 保證儀器設備順利升浮, 因此, 需要對連體潛標進行浮力計算[9]。

對儀器設備凈浮力進行計算, 給出連體潛標系統的凈浮力。

r1＝350 mm,r2＝115 mm,r3＝65 mm,r4＝7.5 mm,H＝440 mm。

H表示浮體高度。

V表示浮體體積, 單位為kg/m3;P表示潛標質量,單位為 kg;ρ1表示浮體密度,ρ2表示海水密度,ρ1＝500 kg/m3,ρ2＝1 025 kg/m3;F1表示潛標浮力, 單位為kg;F0表示浮體的凈浮力,P1表示儀器質量,Fa為浮體減去儀器質量的潛標系統凈浮力。

由公式(1)至(5)計算得出, 預留孔為單釋放器時潛標的凈浮力為76 kg; 單孔潛標系統凈浮力Fa為31 kg。

2 自升式連體潛標測量系統設計原理

2.1 設計原理

將儀器設備、釋放器加配預置到預先做好的預留孔連載浮體內, 潛標孔根據儀器的形狀、大小而合成。將浮體材料、測量儀器、釋放器合成為同一平面、同一體, 構成了單位體積最小的測量單元結構即為連體潛標。然后將連體潛標裝入鋼結構框架的筒體保護裝置內。將連體潛標的釋放器與鋼結構框架底部相連, 甲板單元給出釋放器指令, 釋放器脫鉤后連體潛標測量系統靠自身產生浮力很快升浮到海面即為自升式連體潛標測量系統。自升式連體潛標測量系統見圖2。

2.2 自升式潛標測量系統的受力及升浮時間計算

潛標在上浮過程中, 會受到重力、浮力、水流作用力[10-11]。浮力大于重力, 即凈浮力大于 0, 則潛標上浮; 浮力小于重力, 即凈浮力小于 0, 則潛標下沉。在潛標上浮初期, 在凈浮力作用下潛標加速上浮,為防止潛標向上運動, 在潛標上必須有一個力與流體質點所施的力大小相等, 方向相反, 這個力就是上升阻力。隨著速度的增加, 其上升阻力也增加, 最后與凈浮力大小相等, 方向相反, 作用在浮體上的力達到平衡, 這時, 潛標以恒定的速度上升, 直到水面[12]。

圖2 自升式連體潛標測量系統示意圖Fig.2 Constructed profile of the double submerged buoy

潛標升浮時間計算如下:

潛標外形為半球體和圓柱體組合而成, 在上升過程中, 潛標姿態保持不變, 可認為迎流面為近似半球體, 迎流投影面積為球體截面積A=πr2,r為潛標半徑。

根據現有潛標尺寸及表面材質, 得知該潛標的阻力系數C=0.4。上升阻力大小為

ν0表示上升速度(m/s);R表示上升阻力(kPa)。

為計算潛標測量系統上升時間, 需要進行計算潛標的極限速度。當潛標以恒定速度上升時, 作用力平衡為:

B表示浮球浮力。

潛標上升極限速度為:

根據本試驗, 我們可以計算出浮球上升的極限速度為0.67 m/s, 即浮球穩定上升速度為0.67 m/s。

根據上述條件, 可以計算出潛標上升時間,

t表示潛標上升時間;h表示水深。

由上述公式計算出表1的結果。

表1 潛標不同布放深度的升浮時間Tab.1 The timing of release of submersible buoy at different depths

3 自升式連體潛標測量系統的投放與回收

3.1 投放

分別在海洋石油 709船和南海503船上進行自升式連體潛標測量系統測量試驗, 采用船懸自由落體式投放。

先把整個連體潛標測量系統吊掛在船舷外, 然后讓連體潛標自由落體沉入海底。潛標搭載了釋放器、美國產150K ADCP、日本產ELC單點海流計、水位計、水溫儀等。也可加配其他測量儀器?，F場投放自升式連體潛標測量系統見圖3。

圖3 自升式連體潛標測量系統投放照片Fig.3 Picture of the emplacement of the self-elevating double submerged buoy

3.2 回收

在南海水深410 m處進行了近1 a的測量試驗,已多次回收成功, 并獲取了大量的實測剖面海流資料, 水位資料, 溫度、鹽度資料。試驗結果良好。

平流回收時, 自升式潛標測量系統回收升浮時間約為10 min。深海漲、落潮時, 回收升浮時間約為12 min。由此看出深海漲、落潮對上升時間和平移距離影響很小, 平移距離為200 m左右。自升式連體潛標測量系統回收見圖4。

圖4 自升式連體潛標測量系統浮出水面的照片Fig.4 Picture of the recovery of the self-elevating double submerged buoy after recieved the releasing order

4 小結

自升式連體潛標測量系統, 于2012年完成了初步設計, 經過多次改進、完善與試驗, 已成功地把儀器設備、釋放器與浮體材料, 合成了單位體積最小的潛標測量系統。

該項設計有望成為代表未來進行連體潛標剖面流觀測技術的新模式。

本設計的最大特點是把各種儀器設備與釋放器搭載組合成同一平行面的潛標。其浮體材料及儀器合成一體的連體潛標的體積小, 其高度僅為45 cm。這種形式的集成設計的潛標測量平臺, 是目前國內外集成度最高、體積最小的潛標測量平臺。大大減少了儀器設備、潛標、重塊等常用的繩索和錨鏈的連接環節。

采用了座底式筒體保護裝置, 使其連體潛標在框架內順利升浮, 完全避免了測量系統受海洋中各種外力作用, 防止浮體因海底軟泥條件而陷入海床下, 提高了測量質量?？捎行У販y量水深 1 200 m內的剖面海流及海底水位、水溫、鹽度等海洋環境參數。本系統對潛標內測量系統結構及技術方法的改進, 是一種卓有成效的革新, 有望成為未來潛標觀測技術的發展與方向。

[1]趙忠生, 袁志偉, 黃磊, 等.深海潛標ADCP的實時數據傳輸[J].海洋科學, 2012, 36(8): 94-97.

[2]王婷.國外海洋潛標系統的發展[J].聲學技術, 2011,30(3): 324-326.

[3]蘭志剛, 龔德俊, 劉育豐, 等.一種簡易的潛標輔助尋標定位系統[J].海洋科學, 2006, 30(12): 1-4.

[4]倪佐濤, 姜靜波, 徐永平, 等.一種用于石油平臺的有纜潛標系統的設計與布放方法[J].海洋科學, 2012,36(12): 81-83.

[5]蘭志剛.平臺基有纜潛標實時內波監測系統[J].海洋科學, 2012, 36(12): 76-80.

[6]劉素花, 李思忍, 徐永平.基于單片機和模糊控制的潛標自動防碰撞系統[J].海洋科學, 2010, 34(10):57-61.

[7]王士榜, 孫壽昌.測流潛標系統中儀器架的改進[J].海洋科學, 1985, 9(5): 50.

[8]楊坤漢, 王明午.繃緊型單點錨定潛標系統布放回收操作方法[J].海洋技術, 1989, 8(1): 52-53.

[9]王明午.海洋潛標系統的靜力分析和姿態計算[J].海洋技術, 2001, 20(4): 42-43.

[10]郭飛, 盛巖峰, 何紅輝, 等.淺海環境觀測專用潛標和潛標錨泊系統的研究[J].海洋技術, 2000, 19(2):7-12.

[11]朱剛, 杜月中.波浪作用下潛標拖纜動力學分析[J].海洋工程, 2007, 25(4): 15-20.

[12]李飛權, 張先明, 張鵬, 等.海洋潛標系統的設計和應用[J].海洋技術, 2004, 23(1): 19-21.