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    时而平静,时而狂躁的海浪;时而温柔,时而如刀似剑的海风,还有海底神秘的暗流造成“颠簸”—这是海上工作与生活永恒的旋律。然而,即使在波涛汹涌、暗流涌动中,“梦想”号上的科学家却能够平稳的实施科学钻探。“梦想”号可以在6级海况下正常作业、16级台风下安全生存,仿佛在吟唱“不管风吹浪打,胜似闲庭信步”。

    什么是三级动力定位系统?

    “梦想”号能如此的“稳”,很大原因是该船配备了三级动力定位系统(DP-3)。动力定位系统因其不依赖抛锚或系缆、部署和撤离迅速、对水深不敏感等优点,被广泛应用在深海油气开发、潜水作业、海底管道和电缆敷设及科学考察等方面。它的工作原理是,计算机通过控制推进器的推力大小和方向,以对抗由风、浪、流等造成的外部作用力,从而使船体位置和船头朝向保持不变,保证船体稳稳地保持在同一个定位。在“梦想”号上,动力定位控制系统中的传感器、位置参考系统和控制器均采用冗余设计,动力和辅助系统分布在三个防火分隔区域。这样设计的优势是,任何单个舱室的动力系统一旦发生故障,其它舱室的依然能发挥作用,这就是三级动力定位系统。

    动力定位示意图

    动力定位系统是如何知道自己的位置?

    精确的位置测量是动力定位系统的基础。“梦想”号安装了6套位置参考系统,分别基于卫星和声呐等两类不同的工作原理。其中,3套差分全球卫星定位系统,1套北斗卫星定位系统,2套超短基线声呐定位系统,所有系统的位置测量精度都达到分米级别,并不受作业区域的影响,任何一套位置参考系统都能满足定位要求,大大地提升了动力定位系统的可靠性。如遭遇太阳风暴,卫星定位系统可能会受到影响而失效,这时2套声呐定位系统依然能够保证动力定位系统有可靠的位置参考。

    动力定位系统的大脑—动力定位控制器

    动力定位控制器是动力定位系统的大脑,它接收位置测量、风速风向、船舶姿态以及艏向等信号,通过精密计算,输出正确的控制信号以控制推进器的转速和转向,这样就能使船舶保持在设定的位置和艏向上。三级动力定位系统配置了三个控制器,其中一个作为主控制器,其输出信号控制推进器。当主控制器故障时,另外一个控制器将自动切换为主控制器,实现定位功能不受影响。因此三级动力定位系统可靠性非常高。

    动力定位系统用的电从哪里来?

    “梦想”号安装了七台推进器,采用全电力驱动,为动力定位系统提供动力。为了保障电力供给的稳定,“梦想”号采用了闭环电网技术,即将多个中压配电板首尾互联,形成一个环形的供电网络。与传统的分段电网相比,闭环电网可减少运行发电机的数量,提高发电机的效率,还能减少发电机运行时间,降低维护成本。此外,闭环电网还具有容量大、抗冲击能力强、可靠性高、使用灵活的特点。然而,闭环电网中可能会出现的短路、接地和发电机故障等将会影响其他配电板和发电机的正常运行。为了避免上述情况的发生,“梦想”号闭环电网采用了先进的计算机综合保护系统和高级发电机保护技术,实现了对电网及发电机故障点的精准判断和快速切除。

    目前,闭环电网技术在船舶的应用并不多,主要应用于深水钻井平台或者钻井船等发电机装机数量较多的工程船舶。据了解,国内只有“蓝鲸二号”和“海洋石油982”等钻井平台采用了闭环电网,并完成实船短路实验。而“梦想”号的闭环电网也已完成实船接地和短路实验并通过中国船级社和挪威船级社的验收,在我国钻探船中尚属首例。

    闭环电网示意图

    节能法宝——蓄能蓄电池系统

    三级动力定位船舶作业时平均日耗油能高达40多吨,产生高昂运营成本的同时也造成环境的污染。“梦想”号作为全球最先进的大洋钻探船,配备了蓄能蓄电池系统,这好比汽车的混合动力系统。它如同一台大型不间断电源,在发电机发生故障时快速投入,代替故障发电机实现对电网的支撑。这样不仅能确保运行负载不受影响,使电网稳定、可靠,还能减少动力定位时发电机的运行数量,增加在线发电机的功率,提高柴油机的效率,降低油耗。它还能够存储液压钻机下行时产生的再生电能,实现能量回收和利用。由此,还能减少钻机由势能转化为热能所需的冷却水量,从而降低冷却水泵的能耗,实现进一步节能。此外,蓄能蓄电池系统通过削峰填谷功能实现稳定电网,减少发电机启停次数,降低发电机机械磨损,延长大修时间,节约维护成本。“梦想”号的蓄能蓄电池闭环电网比传统的电网节约超15%的油耗。

    “维稳”高手——能量管理系统

    “梦想”号的能量管理系统由功率管理系统和电池管理系统组成,将它与动力定位系统密切配合,为科学钻探作业的稳定安全实施立下了汗马功劳。为了节能增效、维持电网稳定,能量管理系统使出了2大“高招”。高招1:利用动力定位系统预测推进器负荷,通过提前调节发电机的频率,实现对动态负载的补偿,以减少电网频率的变化。高招2:根据电网中发电机以及蓄能蓄电池系统所能够承担的最大负载变化率(千瓦/秒)来控制大型负载的功率变化速度,实现动态负载的惯性补偿,减小电网波动,进一步增强电网的稳定性,减少在网发电机的数量,提高发电机的运行效率,实现节能增效。

     
    “梦想”号:不管风吹浪打,胜似闲庭信步

    当地时间11月26日13时,“嗡嗡嗡”,久违的声音响起,右推进电机终于正常工作,中国地质调查局所属的广州海洋地质调查局“海洋六号”船重启双桨,奋力向位于东太平洋的工区驶去。然而,对船上的所有人来说,刚刚过去的70多个小时里发生的一切,回想起来仍然心有余悸,“鬼知道轮机部都经历了什么!”

    “低速运行时右推进电机轴承部位声音和振动异常。”当地时间11月23日15时,轮机部二管轮耿强林在值班检查时发现了问题。

    闻讯后,轮机长耿志爱、大管轮李宗超、电气工程师郑正大马上赶到了舵桨舱,初步判断是电机轴承或者连接部位有问题,继续排查故障点。三个小时后,拆下联轴节,电机空转仍有异响,振动明显,轴承成为最大隐患。

    “问题严重了。“大家立即紧张起来。船长蓝明华告诉记者,右推进电机与右侧舵桨相连,为其提供动力,如果推进电机发生故障,就相当于“海六”的“右腿关节”出问题了。

    怎么办?这种“大手术”,一般来说都需要“住院治疗”,或者待停泊靠港后在厂家技术人员的专业指导下完成。显然,目前不具备如此条件,船已经离开夏威夷行驶到赤道附近,方圆5000公里都是海,无法寻找外援。

    去智利船厂维修,是最稳妥的方案,但路程太远、代价太大。单桨推进的速度仅接近正常航速的一半,如果仅靠一条“腿”蹦,中途不去工区开展作业,直接驶向最近的码头,也赶不上靠泊计划,再进厂修理,时间上吃不消,可能严重影响后续的南极科考任务。

    “自己动手吧!”轮机部主动请缨。有了这句话,“海六”临时党委书记孙雁鸣一直悬着的心稍稍安顿,但他也深知难度有多大:“这么大的故障,如果在船厂或者车间,有专业的拆装工具还好办一些,但船上的条件实在有限,以前还从来没做过,只能靠经验和技能。”

    缺少专业工具,说明书上没有完整的零部件结构图,更没有拆装工艺流程图……对于即将要面对的困难,老轨耿志爱心里也很清楚,但他们没有多余的精力去担心和焦虑,“就算遇到问题,也不用害怕,总会有办法的”。

    位于二层的舵桨舱,犹如一个机器的迷宫,四周是各种大型设备,头顶管道密布,侧身走在里面,一不留神头就撞上了。

    将疑似有问题的轴承拆下来,是目前最重要的任务。当地时间11月24日12时,在不足一人高,约2平方米的空间里,塞进了8个人,老轨、大管、郑师傅、助理电机员戴文军、机工方国明、梁安林、邱石、三管轮段开明,正忙得不可开交,轮机部其他人值完班后也陆续赶来帮忙。今早已经干了四个多小时了,他们刚刚又拆下一块“硬骨头”——动力输出法兰,即电机与舵桨之间的连接件。

    下午16时,坏消息传来:拆卸过程中,大家发现厂家随船提供的图纸与实际情况有差别。“按照图纸标识,轴承外面有道保护环应该是螺纹连接,但我们按照对应的方法却没法拆下来。”耿志爱的脸上不再有笑容,在和孙雁鸣、蓝明华和首席科学家邓希光商量后,决定向“家里”寻求支援。

    电话打通,广州海洋地质调查局领导和船舶大队负责人听闻海上的突发情况,立即与国外设备销售方联系,希望获得更详细的拆装说明书。

    然而,新图纸传来,却是空欢喜一场:与船上的图纸一模一样,厂商也无法提供更多支持。

    “总会有办法的。”大管轮带着大伙儿反复地研究图纸上的加工尺寸,再结合各方面的验证,最后判断——保护环的连接方式应该不是螺纹连接,而是过盈配合。所谓过盈配合,就是为了确保轴套配合得尽可能紧密,一般在设计轴和套的配合时,有意将套的尺寸加工得比轴更小一些,然后通过加热套膨胀后安装到轴上,待温度冷却后达到“抱死”效果。这也意味着,在船上的既有条件下,拆卸难度超乎想象。

      

    轮机部船员使用液压工具拉离故障轴承 

     

    安装调试轴承 

     

    使用手动葫芦吊装联轴节设备

    费了九牛二虎之力拆下轴承外的保护套后,就要拆卸轴承了,轴承也是过盈配合,而且直径近200毫米,和传动轴咬合得极为紧密,在狭窄的空间里,没有专业工具,人力也不可为,怎样才能拉出来?

    “需要什么工具,自己动手做就行了。”轮机部成员没有被困难吓倒,能想到的任何办法都要试一下,十八般武艺样样不放过,最后锁定了船上的液压工具,同时又是切割又是焊接“捣鼓”出好些件自制工具。尽管大家心急如焚,可每个人都清楚,这台主推电机是进口的精密设备,“娇气”得厉害,必须耐着性子一毫米一毫米往外拉轴承。

    功夫不负有心人,当地时间11月25日12时,轴承顺利拆下,大伙儿终于可以长舒一口气。正如所料,马达的轴承磨损严重,即使手推都能感觉到明显滞阻。

    接下来的事情就更加明确了,换上备用的新轴承。于是,好不容易才卸下的每一个零件,又要艰难地重新装回去,有时仅仅装一个环就需要7、8个人忙上一个小时。

    次日早晨9时,通过加热膨胀,新“关节”终于装上了。17时,通过打表测量推进电机输出轴和舵桨输入轴轴线符合要求后,联轴节安装完毕,一切准备就绪。半小时后,耿志爱与驾驶台联系,开始测试。李宗超和郑师傅一左一右,侧耳仔细辨别声音,同时用手感受马达的振动。其它的小伙子们也没闲着,或是拿起扳手紧螺丝,或是俯身倾听周边设备的声音是否正常。

    “无异响,无振动。一切正常!”直到此刻,这台“外科手术”才算真正成功了。“太不容易了!”孙雁鸣反复地说:“这次海上抢修的难度史无前例,真没想到能如此迅速地顺利完成。”

    喜讯传到万里之外的广州海洋地质调查局,张光学副局长也特意发来祝贺信息:“同志们的敬业精神和高超的自修工艺值得称颂。”

    是啊,如此复杂的一台“手术”,完全以自己的力量完美解决,靠的是什么?回想起这三天来的一幕又一幕,我好像找到了答案。

    首先是担当精神。在海上遇到突发问题,无论“海六”临时党委,还是轮机部,都是沉着应对,不推诿、不畏难。身处深海大洋,相信自己、依靠自己才是最重要的动力源泉。

    其次是“钉钉子”精神。在海上抢修的70个小时里,有大大小小数不清的难题,但比问题更多的是解决方案。在每一个重大关头,“总是有办法的”,这句话就会响起。正是凭着这股劲儿,一寸一寸地推进,才有了最后的胜利。

    最后是团队精神。无论是前方和后方的配合,还是“海六”上各个部门之间的支持,无不述说着“海六是一个无比团结的集体”。具体到轮机部,更让人印象深刻。

    发现故障后,我第一时间询问耿志爱,自己动手修有把握吗?“应该没问题,除了水下的部分我们没有条件修,其它的基本都可以搞定。”他既谨慎又肯定地回答。第二天,轴承拆不下时,我又问了他同样的问题。回答依然是,“应该没问题,我们团队里的每一个人都非常优秀,一定能找到办法。”

    抢修完成后,有一个场景始终在我脑中挥之不去。11月26日上午9时许,轴承已经装好了,接下来需要“对中线”,可怎么试误差都比较大。于是,分歧出现了,不同于大管李宗超的方案,段开明和戴文军提出了另外的想法。在逼仄的空间里,大家或蹲,或跪,或坐,或弯腰,或屈膝,手上拿着扳手、锤子或其他工具,想到什么就脱口而出。在这里,没有老轨、大管、大师傅、机工、助理这些身份,每个人都是毫无保留地提出自己的意见,不为争出输赢高下,而是共同找寻最佳的答案,像极了一群学生在课间讨论数学题的场面。

    毫无疑问,这一场硬仗,“海洋六号”赢得漂亮,成功通过了考验。新的征途已在前方铺开,我们相信,只要有“海六精神”护航,未来将无坚不摧。

    “海洋六号”首次海上成功抢修“右电推”

    “海马”号深海遥控水下机器人是“863”计划海洋技术领域“4500米级深海作业系统”重点项目的研制成果,也是我国“十二五”深海技术装备重大科研成果,实现了我国在大深度无人遥控潜水器自主研发领域零的突破。自2015年正式投入海洋地质调查应用以来,已连续多年顺利完成多项任务,取得了在南海北部陆坡首次发现“海马冷泉”、成功打捞大型设备等具有里程碑意义的重大成果,填补了多个调查领域的空白。

    正如“海马”这个名字一样,它既像一匹踏实勤劳的骏马,驰骋于大洋深处;又像中国海洋调查事业中一匹“黑马”,带领着科研人员屡建“大功”,是科研成果迅速转化的优秀典范。

    “海马”号一举成功

    自然资源部中国地质调查局广州海洋局技术方法所ROV技术室副主任陈宗恒向记者介绍说,自20世纪50年代美国人把摄像机密封起来送到海底开始,世界上在无人遥控潜水器领域的研发使用已有了半个多世纪的历程,而我国才刚刚起步。为了打破这一海洋探查和资源开发关键技术装备被少数发达国家垄断的局面,国家863计划海洋技术领域于2008年启动了“4500米级深海作业系统”重点项目,主要任务就是研发实用化的作业型4500米无人遥控潜水器。

    这一项目由广州海洋局牵头,联合上海交通大学、浙江大学、海洋化工研究院、同济大学和哈尔滨工程大学等单位,历经6年,最终突破了深海无人遥控潜水器核心技术。2014年,“海马”号三次下潜到南海中央海盆最深处4502米的海底,圆满完成了预定的海试作业任务,并通过了114项考核指标的现场考核和海试验收。

    陈宗恒回忆起这个过程直叹不容易。当时,国内大深度作业型ROV的研发尚属空白,基本无经验可循,项目组的中青年技术力量缺乏深潜器相关研究基础,只能从零开始。ROV系统要在4500米的深海工作,每个零部件都要适应高压力和腐蚀性的工作环境,任何一个环节的缺陷都可能成为致命弱点。而在材料和工艺方面,国内的技术水平存在先天不足的缺陷,每一根电缆、每一颗螺丝都有可能影响到整个系统的运行,成千上万根电缆和螺丝都要一一挑选和测试,系统设计更不用说,一个拳头大小的耐压密封灯罩都要经过十多轮的设计和改进才能最终满足使用要求,难度可见一斑。

    6年间,团队成员翻译和查阅文献超过1000篇,进行了大大小小上千次试验。作为广州海洋局主要参与“海马”号研发的工作者,陈宗恒驻扎上海交通大学项目组累计时间长达3年。最终,这套系统的国产化率超过了90%,突破了4500米作业级无人遥控潜水器控制系统、重型升沉补偿器、4500米级浮力材料、4500米级升降装置和系列化作业工具等核心技术,不仅打破了国外的垄断,还达到了国际同类产品的先进水平。

    陈宗恒谈到,“海马”号具有国际上所有无人遥控潜水器的常规功能,能够应用于海洋工程、救助、打捞、考古和海洋观测、科学考察作业等众多领域。通俗来说,如果我国海域发生了类似2010年墨西哥湾海上钻井平台爆炸导致的严重海上漏油事故,“海马”号能够像当时起到关键作用的无人遥控潜水器那样潜入水下执行艰巨复杂的长时间排险作业任务,制止原油泄漏。如果要打捞某个沉到海底的飞行器,“海马”号有能力执行如1999年7月在大西洋海底打捞自由钟7号同样的任务。最值得一提的是,“海马”号能够进行清晰的海底拍摄,并通过电缆光纤实时回传高清图像。“就像在大洋深处长了一双眼睛一样,可以根据看到的内容进行高效率的作业。”

    “海马”号在“海马冷泉”进行取样(上图为贻贝,下图为碳酸盐结壳)

    强化深海作战力

    “从立项到设计,从模型到设备,六年努力,‘海马’号一举成功,达到世界同类深海遥控潜水器的技术水平。这是我们自己研制的,驰骋在我国大洋深处的骏马。”陈宗恒动情地说。

    陈宗恒介绍,深潜器是挺进深蓝最重要的技术装备手段,深海遥控潜水器是世界上数量最多、技术最成熟、应用最广泛、类型最复杂、最经济实用、功能最强大的一类潜水器。与载人潜水器相比,深海遥控潜水器具有无可替代的优势:一是适应性强、功能强大,几乎可以应用于所有海洋开发活动,受海况和海底环境影响小,推进系统和机械手功率大,覆盖海底作业链各个环节,在海洋地质调查中应用前景广阔,可大幅提升调查能力;二是作业灵活、经济高效,可根据不同的海底作业任务进行功能扩展配置,收放便捷,不需要专门支持母船,占用甲板空间和作业人力等资源少,建造、运行和维护成本低;三是无载人风险,可在母船实时遥控操作,不需水面工作艇支持;四是能够长时间驻留海底,母船通过脐带缆提供电能,可无限时地执行高强度、复杂的海底定点作业任务。

    “海马”号的优势显而易见。但是,目前美、日、俄、法等国家已经拥有从先进的水面支持母船到可下潜3000至11000米的潜水器系列装备。“海马”号是不是已经落后?陈宗恒解释,海底4500米的深度可以覆盖我国98%的海域,以及绝大部分国际海域多种资源富集区。研制这一深度级别的深海作业系统,能够满足目前我国深海探查和作业的需求。

    2015年3月,“海马”号随母船“海洋六号”开赴南海,对海底“冷泉”活动和与天然气水合物赋存相关的微地貌特征展开勘查。陈宗恒介绍,“海马”号第一次下潜就取得了重大发现,在南海北部陆坡西部海底首次发现了与天然气水合物相关的双壳类生物群、甲烷生物化学礁、碳酸盐结壳、菌席和气体渗漏等活动性“冷泉”标志,获取了高清视频和实物样品,同时记录了海底温度异常和超高甲烷含量异常。“海马冷泉”是在我国管辖海域内由我国自主研发的深海高科技探查装备第一个发现的海底活动性“冷泉”,这充分证明了“海马”号强大的作业能力,该“冷泉”也因此被命名为“海马冷泉”。

    2018年4月底,广州海洋局“海洋六号”科考船与中国科学院深海科学与工程研究所“探索一号”科考船分别搭载“海马”号和“深海勇士”号,对南海珠江口盆地西部海域“海马冷泉”区进行联合科学考察。期间,“海马”号开展对海底“冷泉”的综合探查及取样作业;“深海勇士”号查明海底“冷泉”的分布范围、区域性特征、地形特征,并进行取样等作业。这次联合科考取得了“一加一大于二”的超预期多方面科学技术成果,为国产深海技术装备的业务化运作起到了先行示范作用。

    这几年来,“海马”号马不停蹄拓展功能,强化深海作战力,“‘海马’号一次下潜可以完成结壳取样、海底钻探、生物取样、海底摄像、测流、声学测厚等多种作业,功能非常强大,海马’号的作业工具已经武装到了牙齿。”陈宗恒说。

    “大海捞针”不再是难题

    “海马”号不仅应用于南海的调查作业,更远赴太平洋,在太平洋海山区开展富钴结壳资源调查活动。

    大洋调查与南海调查作业最大的区别是远离国门,出现故障只能自力更生解决。2015年6月11日,“海马”号第一次大洋试潜,前右垂直螺旋桨就出现了液压油渗漏的故障。作业人员顶着烈日仔细检查每一处可能的故障点,只用了不到两个小时就排除了漏油故障。然而在接下来的潜水中,“海马”号又出现了漏水的警报。检查和维修再次上演。此番征程,“海马”号利用携带的作业工具完成了对海底多金属结核样品和生物样品的抓取,获取了大量的高清晰海底视频资料。这是我国首次成功将自主研制的4500米级无人遥控潜水器应用于富钴结壳合同区调查,填补了我国在海山区资源和环境调查手段方面的一项空白。

    在随后的大洋调查中,“海马”号配备了结壳钻机、强力爪、温盐传感器、富钴结壳实时在线测厚系统等调查设备,成功实现了近海底高清视频拍摄、声学在线实时测厚、定点精确岩芯取样等多项海底任务,并成功实现了中国ROV第一钻,开展了国内首创的富钴结壳声学测厚工作,创造了我国深海作业的多项新纪录。

    此外,“海马”号“大海捞针”的本领同样令人刮目相看。科考人员将生物诱捕器和海流探测设备搭载至海底,进行精确布放,待海底作业任务完成后,根据布放的定位点,成功搜寻,再操纵ROV机械手通过自制的带缆挂钩轻松勾住布放设备,整个动作一气呵成。借助高精度水下定位系统和图像声呐搜索系统,以往令人望而却步的“大海捞针”不再是难题。

    “海马”号经过多年的大洋矿产资源调查,以及不断的技术升级,逐步形成了基于ROV作业平台,集高清光学视像、高频声学厚度探测、强力爪和钻机等多种取样工具为一体,适用于富钴结壳精细探测的技术方法体系,大大提高了富钴结壳探测效率和精度,展现了ROV在大洋科考中强大的工程应用能力。

     

    驰骋在大洋深处的骏马