前瞻科技
| 综述与述评
2022, 1(2): 157-165
深海救捞技术的发展现状与展望
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作者信息
- 交通运输部上海打捞局,上海 200082
蒋岩,正高级工程师。现任交通运输部上海打捞局副局长。“十四五”期间国家重点研发计划“深海关键技术与装备”专项总体专家组成员,中国海事仲裁委员会仲裁员,交通运输部专家委员会成员,上海国际航运仲裁院专家咨询委员会委员。国务院政府特殊津贴专家,交通运输部“新世纪十百千人才工程”第一层次人选。主持完成国家重点研发计划“深海关键技术与装备”专项“深水协同应急处置技术及专用工具系统研究”项目。获上海市科技进步奖二等奖1项,交通运输部中国航海学会科学技术奖一等奖2项,交通部中国航海科技奖三等奖1项等。电子信箱： jy@coes.cn。
Development Status and Prospect of Deep-sea Salvage Technology
Affiliations
- Shanghai Salvage Bureau, Ministry of Transport, Shanghai 200082, China
出版时间: 2022-06-20
doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.02.012
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摘要
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世界各国在海洋领域内的竞争,无论是政治的、经济的还是军事的,归根到底是科技的竞争。同空间技术一样,深海技术是人类面向未来、拓展生存空间的高技术领域。近年来,越来越多的国家将发展深海技术提升到国家战略高度,人类探索深海的活动愈加频繁。如何保障深海活动安全,提升中国深海应急处置能力,是深海救捞面临的新问题。文章对深海救捞技术的定义与组成进行了简明介绍,对国内外深海救捞处置案例和相关技术的现状进行综合分析,对深海救捞技术体系进行归纳和总结,并对深海救捞关键技术和核心装备的研究方向与未来发展提出建议。
救助打捞
/
深海技术
/
工程作业
The competition among countries in the marine field, whether political, economic or military, is essentially the competition of science and technology. The competition of marine science and technology focuses on deep-sea high-tech. In recent years, more and more countries have raised the development of deep-sea technology to a national strategic level and increased the activities to explore the deep sea. How to ensure the safety of deep-sea activities and improve the deep-sea emergency response capability is a new problem facing China’s deep-sea salvage. This paper comprehensively analyzes the cases and related technologies of deep-sea salvage at home and abroad, summarizes the technical system of deep-sea salvage, and prospects the future development of related fields.
salvage
/
deep-sea technology
/
engineering operation
蒋岩.
深海救捞技术的发展现状与展望.
前瞻科技,
2022
, 1
(2)
: 157
-165
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.02.012
Yan JIANG.
Development Status and Prospect of Deep-sea Salvage Technology[J].
Science and Technology Foresight,
2022
, 1
(2)
: 157
-165
.
DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2022.02.012
正文
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习近平总书记在2016年全国科技创新大会上指出：“深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏,但要得到这些宝藏,就必须在深海进入、深海探测、深海开发方面掌握关键技术。”党的十九大报告中又一次明确提出,要“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”。
1 深海救捞技术的定义与组成
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救捞技术是指在发生海上灾难或者事故时,对生命、财产以及环境进行抢救以挽回损失所采用的相关工程技术,综合了航海、船舶、海洋工程、水文地质、海洋技术等学科领域[3,4]。随着中国向深远海迈进,深海技术同样是人类面向未来、拓展生存空间的高技术领域之一,是国家综合实力和大国地位的重要体现,也是支撑国家安全、推动科技进步、服务国民经济社会发展的基石。深海救捞技术是深海技术的新兴分支,是中国实现海洋强国、交通强国战略的重要保障。深海救捞技术既是各项深海高新技术集成应用的重要载体,也伴随着诸多深海共性技术的发展而发展,其产生和发展是为支撑中国救捞的四大核心使命（人命救助、环境救助、财产救助和应急抢险打捞）,提升救捞深海履职能力。目前常用的深海救捞技术涉及深海探测技术、饱和潜水技术、无人遥控潜水技术、载人潜水技术、深海打捞技术、深海油污及液体危险化学品回收技术等。
2 国内外深海救捞现状与对比分析
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2.1 国外深海事故与处置案例
2.1.1 西班牙“威望”号（PRESTIGE）打捞工程
2002年,装载有7.7万t原油的西班牙油轮“威望”号触礁断裂沉没于西班牙加利西亚大区海域,事发地点水深达3600 m。受限于当时的技术水平,受雇的专业公司无法阻止7万t原油在海底泄露,20多处泄漏点仅仅堵住了6个（图1）。该事件也造成当地500 km长的海岸线与183处海滩遭到污染,多达30多万只海洋生物与鸟类死亡,多个珍稀海洋物种灭绝。这也是世界海洋史上最严重的海上溢油事件之一,堪称生态灾难,经济损失达120亿美元,伦敦保赔协会赔偿额高达16亿欧元。
2.1.2 墨西哥湾溢油事故
2010年4月20日夜间,位于墨西哥湾的“深海地平线”钻井平台发生爆炸并引发大火,大约36 h后沉入墨西哥湾,造成11名工作人员死亡。英国石油公司作为该钻井平台的业主方,花费了约9亿美元,历时3个月,在尝试多种方法无果后,最终使用遥控潜水器（Remotely Operated Vehicle, ROV）,将漏油处受损的油管剪断、盖上防堵装置,防堵装置与油管相连,以把漏出的石油和天然气吸至油管内,再将原油送至海面上的油轮（图2）。但是3个月内约有80万~90万桶原油从海底冒出污染海洋,最终美国裁定英国石油公司赔偿208亿美元。
2.1.3 美国F-35C坠机打捞
2022年1月24日,美国“卡尔·文森”号航空母舰上一架F-35C战机着舰时坠入海中。2022年3月2日,美国海军完成该战机的打捞工作,从调遣打捞船只到将飞机打捞出水历时只有短短的38 d（调遣船只约1周时间,实际施工时间可能仅30 d左右）。据悉这次实施打捞,美国同样使用了ROV,该类机器人使用专门的索具和提升线与飞机相连,配合升沉补偿吊机,将失事飞机整体由3700多米的深海成功起吊出水（图3）。
2.2 中国深海救捞与处置案例
2.2.1 马来西亚航空公司（简称马航）MH370航班失联事件
2014年3月8日,马航MH370航班从马来西亚吉隆坡国际机场飞往北京的途中,在马来西亚和越南的交界处与胡志明管控区失去联系,同时失去雷达信号,且地面航空部门并未收到失踪飞机的求救信号。该航班上载有227名乘客（154名中国乘客）,机组人员12名。马航航班失联后,共有中国、马来西亚、越南、新加坡、泰国、菲律宾、印度尼西亚、美国、澳大利亚、英国、新西兰11个国家的舰船及飞机参与搜救。这场海上搜寻前后持续了1046 d,覆盖12万km2的海底区域,总共耗资1.6亿美元。搜索行动于2017年1月停止时,除在印度洋沿岸多处发现被冲上岸的3块飞机残片外,没有找到这架飞机的下落。该事件也被普遍认为是中国深海救捞技术发展的开端。
2.2.2 韩国“世越号”打捞工程
2014年4月16日,韩国渡轮“世越号”在全罗南道珍岛郡近海发生沉船事故,造成304人遇难（包括失踪者）、142人受伤,举世震惊。沉船船长145 m,宽22 m,型深14 m。交通运输部上海打捞局针对“世越号”工程中面临的恶劣海况和地质条件,为满足韩方提出的“保持原沉没姿态整体打捞沉船、保护遇难者遗体、防遗体流失”的特殊要求,首次使用了“钢梁托底、整体起浮、滚卸上岸”的特殊打捞方案,实现了不破坏沉船整体结构、不改变沉船水下姿态的高难度、大吨位沉船整体打捞,创造了世界打捞史上的奇迹,最大打捞重量达到17000 t,打捞深度47 m,如图4所示。
2.2.3 崖城油气田输港天然气管应急维修
2013年10月9日,崖城13-1平台至香港接收站的输气海管（水深约90 m）发现有大量天然气泄露,泄漏点海面冒泡直径超过100 m。此输气管线是专为香港中华电力有限公司所属的龙鼓滩发电厂供气,所供天然气占香港发电与民用天然气用量的近1/3,如不能及时修复,必将严重影响香港居民正常用电用气,并且对漏点附近船舶通行造成很大安全隐患。此次抢修事发突然,影响重大,抢修风险大、难度高,现场海况条件恶劣,同时可供参考的资料非常少。事故发生后,交通运输部上海打捞局“深潜号”于2013年10月10日到达现场对海管的2处泄露点进行管塞封堵,至2013年11月8日完成封堵。后续经过15 d的施工完成了辅脐带缆的修复与多根电液飞缆的连接等工作,高效完成了崖城13-4气田水下设施的永久修复工作。
2.3 中国深海救捞技术发展现状
如图5~图8所示,近年来中国深海救捞能力建设取得了长足发展,救捞系统共拥有1台6000米级ROV、3台3000米级ROV、1台Klein 5000 V2侧扫声呐等深远海高端扫测搜寻设备,初步具备了作业能力。“十三五”期间,救捞系统还从国外引进了1台6000米级自主潜水器（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）、1台6000 m深海拖曳系统、1台3000米级多波束探测系统、1台4000米级Kongsberg便携式水下定位系统,深远海搜寻探测装备系统已初具规模。此外,2020年成功实施了500 m饱和潜水陆基试验,标志着中国在有人潜水领域步入了世界先进行列,已初步具备了500 m饱和潜水系统的使用、检测和维护保养的技术能力[5]。
但是,对照上文提到的国外超深海应急处置典型案例,中国在深海应急救援、深海打捞建设方面存在的差距仍然较大[6]。中国渤海、黄海、东海和南海海域面积分别为7.7万、38万、70万和356万km2,最大水深分别为85、140、2717和5567 m。水深超过300 m的海域集中在南海和东海,同时,南海和东海也是当今世界重要的海上运输通道,超过50%的全球海上贸易途经南海。西方海洋强国可在水下6 km区域开展机械扫测打捞作业,最大作业深度已超过1万m。
目前,中国救捞队伍还存在设备人员操作及维修保养技能不高、缺乏实战累计经验的问题;人员技术装备距离应对深海救捞工程的可靠性要求还存在一定差距,造成作业技术水平不高、维修保养困难等问题。此外,以大吨位打捞技术、饱和潜水技术为代表的少数关键技术已步入世界领先行列,但某一项或几项装备技术的先进并不代表整体救捞能力强,往往某一项救援装备技术的短板就可能直接影响整体救捞能力的发挥,尤其是制约作业效率的发挥。只有各种救捞装备技术的优势互补,才能充分发挥救捞体系各要素紧密融合而成的整体能力。鉴于此,“体系建设”是中国深海救捞能力亟待加强的核心问题[3]。
3 深海救捞技术体系的构成
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深海救捞技术体系是融合了水下搜寻、水下救援、海上危险化学品回收、深海打捞等技术,针对海上突发事件进行应急反应、人命救助、船舶和财产救助、沉船沉物打捞、海上消防、清除溢油污染及其他为海上运输和海上资源开发提供安全保障的现代化专业救捞体系。其主要包括深海扫测定位技术、援潜救生技术、超深水沉船残油及液体危险化学品回收技术,以及深水沉船整体打捞技术。
3.1 深海扫测定位技术
深海扫测定位技术,主要用于救捞工程前期在海底发现并锁定目标（失事沉没的飞行器、舰船）[5,6]。首先,针对失事目标大小和失事海域深度的不同情况,对深海多波束扫测、侧扫声呐等设备进行选型并安装至船舶上,以确保设备能在载体上发挥最高精度和具有较大的扫测范围,或者通过海面船舶甲板系统下放拖曳系统,在拖曳系统上搭载扫测设备,在一定范围内进行拉网式精确搜寻（图9）。在发现疑似目标后,派遣无人潜水器（Unmanned Underwater Vehicle, UUV）、载人潜水器（Human Operated Vehicle, HOV）、ROV等作业搭载平台搭载多波束成像声呐和水下高清摄像系统进行海底搜寻。成像声呐在一定范围内对海底物体进行静态/动态成像,从而记录和确认可疑目标,如失事船舶携带的飞行/航行记录仪仍然运行,那么上述搭载平台也可携带引导声呐从而提升搜寻效率。在抵近搜寻确认目标后,安装声信标完成对目标的精确定位。上述技术是目前较为常见的深海搜寻解决方案,涉及了水面船舶—潜水器搭载平台—深海声学扫测设备的协同作业,是开展深海打捞、深海油污处置、援潜救生等深海应急处置任务的前置工序,搜寻效率直接决定了整个深海救捞工程的方案设计与作业方法。
3.2 援潜救生技术
援潜救生技术是目前世界范围内尚未彻底解决的难题。实现对失事潜艇的有效营救,特别是实现失事潜艇幸存人员救援,是一项十分艰难复杂、涉及潜水医学、深潜技术、深潜母船、动力定位技术于一体的高科技、技术密集型、高附加值的系统工程[4]。2000年震惊世界的俄罗斯“库尔斯克”号潜艇惨剧,说明了继续发展援潜救生技术的重要性,世界各国都普遍重视援潜救生技术,研制了各种新型救捞设备和装置。目前世界上已有数个国家的海军装备了深潜救生艇。如英国的“LR5”,最大工作深度达475 m,每次可营救10名艇员。意大利的“MSM-1”工作深度可达300 m,每次可营救8名艇员。还有瑞典海军的“URF”号及日本的“千寻”号救生潜艇都可不同程度地完成对水下失事沉没潜艇的救援任务。俄罗斯的深潜救生艇称为救生潜水器,自1962年至今,已发展研制了十几艘[7⇓-9]。中国海军曾从俄罗斯引进了一套救生潜水器,并将其列装于海军。整体而言,援潜救生就是要快速将设备投放至事故海域,完成潜水艇—救生艇的逃生通道连接,实现常压状态下的人员撤离。
3.3 超深水沉船残油及液体危险化学品回收技术
如今,随着远洋航运规模和运输船舶船型不断增大,沉船事故的风险也不断加大,沉船残油及危险化学品对海洋环境污染的次生风险也越来越高。在大深度环境下,进行液体危险化学品回收需依赖ROV进行,且面对深海压力大、温度低等恶劣环境,由于传统的开孔、加热、抽取、回收技术与经验已不再适用,需依托ROV为深海作业平台开发水下沉船残油及液体危险化学品回收专用工具系统。“十三五”期间,交通运输部上海打捞局研发团队依托国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项开发了设计深度6000 m的深水协同应急处置系统,为解决大深度沉船内部燃油与危险化学品回收作业工程化、程序化和智能化等问题提供了可选方案。该系统可放置于一套矩阵式布放舱内实现多套工具的一次布放,由ROV对接各个工具完成多个应急处置工具装备的轮换作业。项目研发的沉船内、外层抽液装备可实现针对沉船双层钢板开孔、抽液等多个作业工序,解决多工具组合布放及水下轮换作业效率等问题。此外,还研制了适应深海环境的超高压海水射流装备与机械手搭载圆盘锯破拆装备,可对失事舰船/飞行器进行水切割和机械切割处理。目前该项目成果已通过验收,后续还将就大深度燃油输送技术开展研究。
3.4 深水沉船整体打捞技术
该技术起源于20世纪60年代美国打捞苏联核潜艇的案例,即著名的“亚速尔计划”。美国曾将1艘石油钻井船改装为打捞母船,从母船中央释放1根长管道,其末端悬吊1具“爪子”,利用管道将爪子下放到海底抓起了半段苏联失事核潜艇。此外,俄罗斯“K159”号核潜艇于2003年8月30日沉没在巴伦支海250 m水深处,艇上携带有800 kg核燃料。荷兰SMIT公司针对该潜艇实施的打捞方案是将1套多抱抓系统安装于深海打捞驳内部,采用大吨位提升系统将液压抱爪放入水下将潜艇夹住后提升至驳船内部,然后驳船将其运送至浮船坞,浮船坞起浮出水完成打捞。抱抓式打捞具有效率高、适用深度大的特点,对实施深海高价值目标打捞具有重要意义[10⇓⇓⇓-14]。
4 中国深海救捞技术未来展望
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4.1 中国深海救捞能力规划简述
交通运输部救捞系统是中国海上专业救助打捞队伍,是国家应急救援保障体系的重要组成部分和国防战备的重要力量,承担着为交通强国建设提供海上应急救捞保障的重要职责。“十四五”是开启全面建设社会主义现代化国家新征程,加快建设交通强国的第一个五年期。对此,交通运输救捞系统高度重视深海救捞能力建设,并将其列入了“交通强国”重点任务[15]。
“十四五”期间,救捞行业将围绕提升深远海重特大海上险情救助打捞处置能力,拓展救助打捞应急反应覆盖范围,加快研发深海新技术、新装备,最大程度满足海上人民群众安全保障的需要,重点做好500 m饱和潜水成套作业技术的研发;1500 m深度10万t级沉船的系列打捞技术;基于工作母船（图10）、无人船、无人机、AUV、深拖系统等若干载体的深海协同搜寻模式;研发救捞专用ROV及协同作业工具设计制造技术;攻克深水沉船油品及液体危险化学品分辨遥感技术与流动控制系统,研制深水沉船开孔抽油成套系统。深海装备建设方面,在建成500米级饱和潜水支持船的基础上,建造1艘深远海半潜式应急抢险打捞工程船,同时配置1套新的6000米级救捞专用ROV,形成一主一备,此外还将引进1套6000 m扫测打捞设备。
4.2 中国未来深海救捞工程关键技术展望
4.2.1 虚拟仿真与数字孪生技术
随着计算机技术的发展普及,近年来国内海洋工程行业越来越多将虚拟仿真与数字孪生技术应用于海洋油气开发、风电设施建造等工程。同样,该技术也可在深海救捞工程中发挥巨大作用。作业时可使用潜水器搭载声学装备、各类传感器配合高清摄像头获取海底作业地形地貌状态、作业对象相对位置等信息。随后,通过虚拟仿真技术对作业区域进行建模,通过传感器采集相关数据,可为施工人员提供直观认识,开展施工设计及推演等。通过数字孪生技术实现动态实时三维显示,并集中显示受力、角度、相对位置等工程数据作为工程参考。近年来,交通运输部上海打捞局已开发了1套集中监控系统,对沉船打捞提升过程中的数据进行采集,从而判定沉船提升过程中的状态,并以此为依据调整作业设备的拉力。
4.2.2 人工智能识别与判断技术
当今这个信息大爆炸的时代,人工智能技术发展成熟,推动各个行业进入智能时代。结合深海装备技术,为提高水下机器人（无人潜水器）整体的智能化程度,降低人的作业强度,将人工控制升级为人工智能控制是一种趋势。目前ROV作业依赖于领航员的经验和技能,培养一个领航员需要几年时间,需要现场作业练习。如果实现机械臂的自主作业控制,优化控制算法,将传统速度指令输入转换为位置指令输入,就能减少对操作员的经验性依赖。在陆上控制技术飞速发展的今天,开发新型水下传感器,提高控制器适应性能,通过设计基于模糊推力的非线性控制器,对水下机器人位置姿态偏差进行平滑处理,从而实现执行约束,避免操作手过激操作。建立环境坐标系并自主定位,精确控制作业点的位置。水下机器人机械手可以通过陆上机器人的技术引入,操作更加灵活。通过人工智能识别来改变目前水下机器人人机交互模式,操作员只需发送简单的指令,以及监控任务的执行情况。在人机协作过程中,人员由传统的操作角色转变为监督角色,可以有效降低操作员的负担,并提高作业效率。
4.2.3 多平台、多潜水器协同作业和新型水下作业工具系统
应对深海救捞工程,一两台水下机器人在水下工作,耗时长、效率低、风险大。为克服以上不足,有效提高作业成功率,大型深水工程将会组合使用多种作业型载人潜水器、作业型ROV、自主遥控潜水器（Autonomous and Remotely Operated Vehicle, ARV）、AUV等潜水器,甚至和潜水员、常压潜水装具（Atmospheric Diving System, ADS）协同作业完成工程目标（图11和图12）。同时,面对不同工程目标,开发专用水下作业工具系统,在ROV、载人潜水器等操作下,完成作业任务。多平台、多潜水器协同作业将会带来各平台之间互相配合、减少干涉等问题。此外,上述深海作业平台都存在对外输出功率偏低的问题。要解决这些问题,一方面需要在信息技术、人工智能、水下通信等潜水器应用领域取得技术突破,同时也可开发大功率ROV（美国目前功率最大ROV的功率为400 HP）、大功率载人潜水器、专用水下动力源站[18⇓-20]。
4.2.4 深远海搜寻体系
目前,中国救捞系统所拥有的深远海搜寻系统为国外技术,无论是深海拖曳系统、定位系统,还是AUV、多波束扫测声呐等装备,国外发达国家技术经过多年积累使用和升级换代,其技术水平与可靠性均领先于其他国家。在这方面,中国需要研发自有核心技术,迎头赶上,要鼓励相关水下工程企业使用国产技术,不断改进、加快升级换代,同时形成完备的产业链,将主动权掌握在自己手里。一旦面临突发事件,就可以拥有足够的技术能力去完成国家赋予的应急保障任务。
4.2.5 动力定位深海救捞作业平台
根据交通运输部《关于推进现代化专业救捞体系建设的意见》提出的发展目标,到2025年,全方位覆盖、全天候运行、海江兼备、快速反应、处置高效的现代化专业救捞体系基本建成,交通救捞应急效率和处置效果达到世界先进水平,适应交通强国建设要求。
“十四五”期间,救捞系统将建造1艘大型动力定位深海救捞作业平台。该作业平台由下浮体、立柱、上平台3部分组成,可自航并动力定位作业。作业时,大部分浮力由下浮体提供,水线面小,受波浪干扰力小,因而耐波性好,作业气象窗口期长,能适应恶劣海况下的抢险打捞作业。该项目的建设,可有效应对深远海高海况环境下的工程作业,克服在中国南海一年作业窗口仅仅6个月,冬季季风季节无法施工的问题,有效作业天数可达到全年约90%。
作为海上作业支持平台,除救助打捞以外,动力定位深海救捞作业平台同时可应用于海上油气开发、海上风电建设、深海采矿、深海空间站建设、海上卫星发射以及特殊的海上保障任务。
5 结束语
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在国家顶层规划的牵引及科研人员的努力下,近年来深海救捞技术已取得显著进展,但是也必须看到相较技术领先国家几十年的发展,中国的技术底蕴还很薄弱,还要努力完善科技创新体制机制建设,搭建适合救捞技术研发的科研平台,从而实现深海救捞装备技术自动化、智能化发展,全面建成技术领先、装备精良、自主可控、运行保障和技术研发保障体系完备的深海救捞能力体系。
文献
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2022年第1卷第2期
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表12种不同金属材料的力学参数
| 科 Family | 属数 Number of genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) | 属 Genus | 种数 Number of species | 占总种数比例 Percentage of total species (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 鹅膏菌科Amanitaceae | 2 | 11 | 5.26 | 鹅膏菌属 Amanita | 10 | 4.78 |
| 小菇科 Mycenaceae | 2 | 12 | 5.74 | 丝盖伞属 Inocybe | 5 | 2.39 |
| 多孔菌科 Polyporaceae | 8 | 14 | 6.70 | 蜡蘑属 Laccaria | 5 | 2.39 |
| 红菇科 Russulaceae | 3 | 23 | 11.00 | 小皮伞属 Marasmius | 6 | 2.87 |
| 小菇属 Mycena | 11 | 5.26 | ||||
| 光柄菇属 Pluteus | 5 | 2.39 | ||||
| 红菇属 Russula | 17 | 8.13 | ||||
| 栓菌属 Trametes | 5 | 2.39 |
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