一种水下重载起吊打捞装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及水下起吊打捞技术领域，尤其是一种水下重载起吊打捞装置及其使用方法。

背景技术

在军事、海洋科学研究及海洋工程等领域，对水下大深度条件下失事后坐底的大型载人平台实施起吊打捞与救援，均具有迫切的现实需求。

现有技术中，对深海大吨位设施实施重载起吊打捞作业必须依赖配备有大型升沉补偿吊机等设备的海洋工程船舶来开展。现有的水面起吊打捞作业方式的不足在于：

1)作业海况受限，升沉补偿吊机的使用海况一般不超过4级海况；

2)受限于升沉补偿吊机能力，起吊重量和作业深度难以拓展；

3)存在较为复杂的水面-水下刚柔多体耦合动力学问题，打捞大深度大吨位设施的作业风险较大；

4)对于需要快速起吊救援的任务，响应不及时；

5)大型海洋工程船舶租金较高，作业成本高。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的水下重载起吊打捞装置及其使用方法，从而能够配合水面船舶实现起吊打捞，尤其适用于水下重载的打捞，具备响应及时、使用灵活方便的特点，并且受作业海况的影响较小。

本发明所采用的技术方案如下：

一种水下重载起吊打捞装置，包括代换水箱，代换水箱为密封箱体，代换水箱上开设有至少三个端口，一个为与气体发生器相连接的进气端，一个为与外部海水相连通的进出水端，另一个为与外部海水相连通的排气端；所述代换水箱中的填充介质在海水与气体之间切换，代换水箱中充满海水时打捞装置整体处于负浮力状态，代换水箱中充满气体时打捞装置整体处于正浮力状态。

作为上述技术方案的进一步改进：

还包括浮力材料，由浮力材料的设置来平衡打捞装置的重力与浮力，在代换水箱中充满海水时，由浮力材料的设置使得打捞装置整体处于微负浮力状态。

所述代换水箱的进气端通过吹除管路与气体发生器的输出端相连接，吹除管路上串联有用于管路通断切换的阀组一；所述气体发生器内填充有药剂，在气体发生器启动后药剂发生反应生成不溶解于海水的气体并输送至代换水箱中。

所述气体发生器固定安装于打捞装置上，气体发生器与吹除管路固定连接；

或者，所述气体发生器为分离于打捞装置的独立模块，气体发生器通过供气软管与吹除管路连接。

所述代换水箱的进出水端设置于箱底位置，代换水箱的排气端设置于箱顶位置；

所述进出水端和排气端为与外部海水相通的通海口，或者进出水端安装有伸至海水中的注排水管路，排气端安装有伸至海水中的通气管路，所述注排水管路上串联有阀组三，通气管路上串联有阀组二。

所述代换水箱为轻质金属材质的框架结构，或者是金属框架与水囊相结合的结构，水囊中的介质在海水和气体之间切换。

所述打捞装置还包括推力器、水下观察单元、水下定位单元和吊钩机构，以及与推力器、水下观察单元、水下定位单元、气体发生器电性连接的供配电与控制单元；通过推力器对打捞装置进行水平方向上的移动，使得打捞装置靠近悬停于被打捞设施的上方；通过吊钩机构使得打捞装置与被打捞设施相连接。

还包括机械手，机械手设置于打捞装置的下方或是侧下方，通过机械手将吊钩机构与被打捞装置进行衔接吊装。

还包括引导绞车，通过引导绞车将打捞装置引导牵引至被打捞设施的上方。

一种所述的水下重载起吊打捞装置的使用方法，包括如下步骤：

通过水面船舶布放ROV，对被打捞设施的状态进行观察与评估；

依靠水面船舶的布放系统，将打捞装置通过带缆布放入水；在入水过程中，逐渐向代换水箱中注海水至注满，打捞装置在负浮力状态下逐步下潜；

打捞装置下潜至预设深度后，依靠水下定位单位，结合水下观察单元和推力器，使得打捞装置靠近并悬停于被打捞设施的上方；

依靠水面船舶或是机械手，将打捞装置的吊钩机构与被打捞设施衔接吊装；

水面船舶控制气体发生器启动，产生高压气体并输送至代换水箱中，代换水箱中的海水被逐步吹除排出，打捞装置的正浮力逐渐升高，拉动被打捞设施离开海底开设上浮；

上浮过程中，水面船舶同步回收带缆，直至打捞装置上浮至水面；在上浮过程中，通过代换水箱中海水量的调节来调整上浮速度；

由水面船舶对靠近于水面的待打捞设施进行起吊、拖曳、转移至预定位置。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过代换水箱中海水与气体的可靠切换，使得打捞装置能够下潜至水下并拖带被打捞设施整体上浮，配合水面船舶实现起吊打捞，尤其适用于水下重载的打捞，具备响应及时、使用灵活方便的特点，并且受作业海况的影响较小，作业安全性更高。

本发明的起吊打捞装置在实施深海起吊打捞作业时，水面船舶仅需配备具有张力保护功能的布放绞车，能够在更恶劣的海况下进行作业，而利用升沉补偿吊机进行水面重载起吊一般仅能在不大于4级海况下作业；

本发明的水下起吊打捞装置，可在代换水箱容积不变的情况下，通过增加气体发生器药剂总量提升打捞深度；也可以通过增加代换水箱容积和药剂总量来提升单台装置的打捞重量，或者同时采用多台起吊打捞装置对同一设施进行打捞(多台起吊打捞装置通过专用起吊工装与被打捞设施进行连接)，进而极大地提升打捞重量，使用灵活性高；

本发明的水下起吊打捞装置可在深海载人平台作业过程中由水面母船实时搭载，一旦发生意外可立刻投入作业任务，救援更及时。

附图说明

图1为本发明打捞装置的结构框图。

图2为本发明代换水箱的管路连接示意图。

图3为本发明打捞装置打捞作业的流程示意图。

其中：1、吹除管路；2、通气管路；3、注排水管路。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实施例的一种水下重载起吊打捞装置，包括代换水箱，代换水箱为密封箱体，代换水箱上开设有至少三个端口，一个为与气体发生器相连接的进气端，一个为与外部海水相连通的进出水端，另一个为与外部海水相连通的排气端；代换水箱中的填充介质在海水与气体之间切换，代换水箱中充满海水时打捞装置整体处于负浮力状态，代换水箱中充满气体时打捞装置整体处于正浮力状态。

本实施例中，通过代换水箱中海水与气体的可靠切换，使得打捞装置能够下潜至水下并拖带被打捞设施整体上浮，配合水面船舶实现起吊打捞，尤其适用于水下重载的打捞。

还包括浮力材料，由浮力材料的设置来平衡打捞装置的重力与浮力，在代换水箱中充满海水时，由浮力材料的设置使得打捞装置整体处于微负浮力状态。

本实施例中，浮力材料在打捞装置上的布置位置需要能够保证打捞装置在水下布放过程中的稳性。

代换水箱的进气端通过吹除管路1与气体发生器的输出端相连接，吹除管路1上串联有用于管路通断切换的阀组一；气体发生器内填充有药剂，在气体发生器启动后药剂发生反应生成不溶解于海水的气体并输送至代换水箱中。

气体发生器固定安装于打捞装置上，气体发生器与吹除管路1固定连接；

或者，气体发生器为分离于打捞装置的独立模块，气体发生器通过供气软管结合可插拔接头与吹除管路1连接。

本实施例中，气体发生器内部可以装填肼、火药或其他类型的药剂，在气体发生器启动后药剂在不同压力条件下均可发生反应，生成大量不溶解于海水的气体；装填药剂的总量根据单位质量药剂的不溶性气体产生量(取决于药剂种类)、起吊打捞作业深度及代换水箱总净容积等参数确定，单个气体发生器药剂量与气体发生器的数量可根据需要灵活设计。

代换水箱的进出水端设置于箱底位置，代换水箱的排气端设置于箱顶位置；

进出水端和排气端为与外部海水相通的通海口，或者进出水端安装有伸至海水中的注排水管路3，排气端安装有伸至海水中的通气管路2，注排水管路3上串联有阀组三，通气管路2上串联有阀组二。

本实施例中，由气体发生器结合吹除管路1、阀组一，构成代换水箱的吹除单元；由注排水管路3、通气管路2以及其上的阀组二、阀组三，构成代换水箱的注排水单元。

本实施例中，注排水管路3上还可串联提供注排水动力的水泵，用于注排水的顺利进行。

代换水箱为轻质金属材质的框架结构，或者是金属框架与水囊相结合的结构，水囊中的介质在海水和气体之间切换。

打捞装置还包括推力器、水下观察单元、水下定位单元和吊钩机构，以及与推力器、水下观察单元、水下定位单元、气体发生器电性连接的供配电与控制单元；通过推力器对打捞装置进行水平方向上的移动，使得打捞装置靠近悬停于被打捞设施的上方；通过吊钩机构使得打捞装置与被打捞设施相连接。

本实施例中，水下观察单元主要包括水下摄像机、照明灯等。用于在水面船舶上的装置操控人员在打捞作业过程中对被打捞设施、周围环境及挂钩过程的观察；

本实施例中，水下定位单元主要包括声学信标、深度计、高度计等，用于水面船舶上的装置操控人员在打捞作业过程中获知装置的位置、深度和高度等信息。

本实施例中，供配电与控制单元主要包括供配电模块、装置控制模块、设备驱动控制模块等，用于接收水面船舶的供电及控制指令，向装置用电设备供配电、获取装置运行参数并实现对装置的控制。

还包括机械手，机械手设置于打捞装置的下方或是侧下方，通过机械手将吊钩机构与被打捞装置进行衔接吊装。

本实施例中，也可以通过机械手的设置来将气体发生器的供气软管与吹除管路1进行连接或分离操作。

本实施例中，机械手也可以由水面船舶上携带的ROV替代，进行相应的操作。

还包括引导绞车，通过引导绞车将打捞装置引导牵引至被打捞设施的上方。

本实施例中，引导绞车主要包括绞车、引导缆及吊钩等装置，如果在海流等因素作用下，起吊打捞装置无法依靠推力器靠近或悬停于被打捞设施上方，则可通过引导绞车释放引导缆，通过ROV将引导缆的吊钩与被打捞设施吊耳连接，然后吹除小部分代换水箱使装置整体变为微正浮力，引导绞车收揽将装置拉近至被打捞设施上方。

本实施例中，引导绞车不是必须配备的，其设置与否主要取决于推力器是否具备足够的水下控位能力。此外，由于使用引导缆时装置仍远离被打捞设施，引导缆的挂钩操作必须依靠ROV进行。

本实施例中，代换水箱具备如下特点：

1)水箱的总净容积根据打捞装置需要提供的正浮力来确定；

2)水箱采用轻量化结构设计，根据具体需要可采用钛合金、铝合金或复合材料等轻质结构材料，也可采用金属框架与软质气囊(水囊)相结合的结构形式；

3)代换水箱数量及单个水箱净容积的组合根据需要灵活设计。

本实施例中，水下重载起吊打捞装置根据实际设计需要，还可以包含有其他必要的辅助部件与设备，如防撞结构、设备安装基座结构、代换水箱液位监测设备等。

本实施例的水下重载起吊打捞装置在进行起吊打捞作业时，还需要水面船舶配备相应的水面布放与人员操控设备，用于实现起吊打捞装置由水面船舶向深海的布放、作业结束后装置的回收以及作业过程中对装置的供电和操控等功能。根据实际设计集成需要，水面布放与人员操控设备也可划归为本发明水下起吊打捞装置的组成部分。

水下重载起吊打捞装置的使用方法，如图3所示，包括如下步骤：

第一步：通过水面船舶布放ROV，对被打捞设施的状态进行观察与评估；

第二步：依靠水面船舶的布放系统，将打捞装置通过带缆布放入水；在入水过程中，逐渐向代换水箱中注海水至注满，打捞装置在负浮力状态下逐步下潜；

第三步：打捞装置下潜至预设深度后，依靠水下定位单位，结合水下观察单元和推力器，使得打捞装置靠近并悬停于被打捞设施的上方；

第四步：依靠水面船舶或是机械手，将打捞装置的吊钩机构与被打捞设施衔接吊装；

第五步：水面船舶控制气体发生器启动，产生高压气体并输送至代换水箱中，代换水箱中的海水被逐步吹除排出，打捞装置的正浮力逐渐升高，拉动被打捞设施离开海底开设上浮；

第六步：上浮过程中，水面船舶同步回收带缆，直至打捞装置上浮至水面；在上浮过程中，通过代换水箱中海水量的调节来调整上浮速度；

第七步：由水面船舶对靠近于水面的待打捞设施进行起吊、拖曳、转移至预定位置。

采用本发明的水下重载起吊打捞装置进行起吊打捞作业，具备各个方面的优势：

1)打捞作业对海况的适应性强：采用本发明水下起吊打捞装置实施深海起吊打捞作业，水面船舶仅需配备具有张力保护功能的布放绞车，能够在更恶劣的海况下进行作业，而利用升沉补偿吊机进行水面重载起吊一般仅能在不大于4级海况下作业。

2)打捞重量和作业深度具备拓展能力：利用海洋工程船进行水面起吊打捞的打捞重量和作业深度受限于海洋工程船吊机的设计能力。本发明水下起吊打捞装置，可在代换水箱容积不变的情况下，通过增加气体发生器药剂总量提升打捞深度；也可以通过增加代换水箱容积和药剂总量来提升单台装置的打捞重量，或者同时采用多台起吊打捞装置对同一设施进行打捞(多台起吊打捞装置通过专用起吊工装与被打捞设施进行连接)，进而极大地提升打捞重量。

3)作业安全性更高：利用海洋工程船对深海大吨位设施进行起吊打捞，需释放长达数百～数千米的起吊缆，存在较为复杂的水面-水下刚柔多体耦合动力学问题，打捞作业风险较大。而采用本发明水下起吊打捞装置则可以避免出现该问题。

4)救援打捞及时：大型海洋工程船租金昂贵且数量稀少，无法在深海载人平台作业过程中实时在水面保障。因此在深海载人平台作业过程中一旦出现需应急起吊救援的任务，临时调用满足要求的海洋工程船需耗费大量的备航、航渡、作业准备时间，可能错过宝贵的救援时间。而本发明水下起吊打捞装置可在深海载人平台作业过程中由水面母船实时搭载，一旦发生意外可立刻投入作业任务，救援更及时。

5)作业成本更低：租用大型海洋工程船实施深海起吊打捞作业，整个作业周期的租金成本非常高。而本发明水下起吊打捞装置的布放对水面船舶的要求较低，能够显著降低船舶租用成本。

本发明的水下重载起吊打捞装置配合水面船舶进行打捞作业，具备响应及时、使用灵活方便的特点，并且受作业海况的影响较小，作业安全性更高。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。