FALCONROV在小湾电站大坝检测中的应用

FALCONROV在小湾电站大坝检测中的应用张守楠1，李洪佳2，黄明辉2（1.中国水电四局小湾工程项目部，2.中国船舶重工集团公司七五○试验场）摘要：本文介绍了FALCON12167ROV的基本组成和主要技术性能，结合小湾电站大坝检测的实际案例，讨论了ROV在建筑物深水水下检测应用中的一些使用技巧及心得。关键词：大坝检测，ROV，SEAEYEFALCONXiaowanDamInspectionwithFalconROVZhangShounan１，LiHongjia２，HuangMinghui２(1.Xiaowanprojectdepartment,SinohydroEngineeringBureau4Co.,Ltd.Lincang2.CSIC750,Kunming650051)Abstract:ThebasiccomponentsandmainspecificationofFalconROVsystem12167areintroduced.BasedtheexampleoftheinspectionofXiaowanDam,someoperatingskillsandexperiencesofROVwhichisusedforinspectingconstructionsindeepwaterarediscussed.Keywords:Daminspection，ROV，SeaeyeFalcon1、引言目前建设的一般大型水电站大坝高度都超过百米，在建的世界最高砼双曲拱坝——小湾水电工程大坝坝高达292.5米，在其第三阶段蓄水之前，泄洪建筑物进水口处水深就可达70米以深（按照2010年7月份水位高程EL.1165m），泄洪建筑物的检修闸门要顺畅地收放，就需要对其闸槽事先进行细致的观察检测，得到直观、清晰的图像，以确认是否可以落放闸门，而不会因闸槽中的异物造成闸门放不下去收不回来的尴尬情形。水下观察检测既可由潜水员携水下电视实行，也可使用小型观察级ROV，由于大型水坝泄洪孔口的水深通常都不低于60米，因此对其闸槽、底坎的观察检测工作，ROV要优于潜水员，理由有三。首先，水面支持系统紧凑。水深超过60米时，潜水员需氦氧饱和潜水[1]，水面减压舱必不可少，水面支持系统对电、氧气、氦气、水以及场地均有要求，而小型观察级ROV仅需提供单相220V交流电和2m2～3m2的场地即可；其次，安全性高。超过60米水深的潜水作业风险是相当大的，任何一个环节稍有不慎，就会对潜员的身体造成伤害，甚至于危及生命；而ROV作业深度仅受其设备限制，观察级ROV工作极限可达300米[2]，作业时只要管理好ROV脐带，不仅不会损伤设备，更不会危及人身和生命安全；再次，观察效率高。潜水员水下观察检测时，不可能携带太多设备，通常就是一台配有水下照明灯的水下摄像机，观察检测过程中由于水下视距有限，要先通过潜员手掌探摸接近到观察区域，经目视确认后方才进行录像观测，而ROV不仅搭载有水下电视摄像机，还搭载有扫描声纳，在摄像机视距之外可提供观察区域的声反射图像，据此ROV可快速进入观察区域。因而，在小湾电站1#、2#放空底孔检修门槽及底坎的观察检测工作中，使用了英国SEAEYE公司的FALCON12167观察型ROV（遥控潜器）。2、工作过程2.1、小湾电站大坝简介小湾水电站位于云南省西部南涧县与凤庆县交界的澜沧江中游河段，在干流河段与支流黑惠江交汇处下游1.5km处，系澜沧江中下游河段规划八个梯级中的第二级。小湾水电站工程属大（1）型一等工程，永久性主要水工建筑物为一级建筑物。工程以发电为主兼有防洪、灌溉、养殖和旅游等综合利用效益，水库具有不完全多年调节能力，系澜沧江中下游河段的“龙头水库”。该工程由混凝土双曲拱坝（坝高292.5m）、坝后水垫塘及二道坝、左岸泄洪洞及右岸地下引水发电系统组成。水库库容为149.14×108m3，电站装机容量4200MW（6×700MW）。2.2、任务简述小湾电站即将竣工，鉴于大坝工程2010年防洪度汛方案调整，为确保放空底孔和泄洪中孔汛期安全可靠运行，确保第三阶段蓄水工作正常进行，要求提前下闸，对1#、2#放空底孔检修门槽及底坎进行检查，并对由于提前下闸检修门槽及底坎可能存在的一些沉淀杂物进行清理。1#、2#放空底孔检修闸门槽结构复杂并且位于坝体上游孔口内，考虑到实际施工难度及安全因素，提出采用FALCON12167观察级遥控潜器，对底孔门槽和底坎进行观察检测。若存在沉淀杂物可考虑采用ROV配合清理。2.3、FALCON12167观察型ROV的组成和主要技术规格图1FALCON12167观察型ROVFALCON观察型ROV由国际上最大的电动ROV生产厂家——英国SEAEYE公司制造，FALCON12167为一款增强型观察级ROV，在原标准型的基础上增加了一个5功能机械手托架，提高了ROV的工作性能。FALCON12167由以下部分组成：水面显控台、声纳显控台、ROV手操盒、5功能机械手操纵盒、脐带绞车（含450米脐带缆）和FALCON12167ROV本体。水面显控台为整个ROV系统提供所有的电能，电压输入范围为100－240VAC，且作为通往ROV本体的控制接口，解读手操盒给出的命令并将它们通过串行链接经由脐带传送给潜器，同事接收潜器发送来的视频和其它诸如航向和深度之类的遥测信息，与摄像机画面叠加之后，一起显示在监视器上。声纳显控台显示实时图像并可记录输出数据文件以供后续观察。做为声纳数据的补充，还可接收外部信息，例如GPS。ROV手操盒以一系列的开关和可变控制，在操作员和潜器系统之间提供一个接口，通过一个DIN插头连接到水面控制单元的前面板。手操盒完成以下控制：ROV本体的运动和速度、摄像机俯仰、水下灯开关及调光等。机械手控制盒控制液压泵的启动，机械手大臂的俯仰、中臂的伸缩和手爪的开闭及转动。脐带绞车为手动型，主体采用聚丙烯，衬杆为铝材，存储450米长的脐带缆。脐带缆在水面显控台和ROV本体之间传递传输电能、遥控信号和视频信号。ROV本体框架的取材为坚固的聚丙烯，外壳为玻璃钢，内部填充浮力泡沫材料，安装有以下设备：供电单元、接线箱、五台推进器、两盏水下灯、导航电子舱、摄像机俯仰平台及电机、一台彩色摄像机、Tritech超级海王扫描声纳、辅助供电单元以及均衡压载。FALCON12167ROV系统主要技术规格如下：水面显控台技术规格长527mm宽430mm深668mm重量58kg供电单相，50/60Hz，100至240VAC，约3000VA声纳显控台技术规格长527mm宽520mm深668mm重量35kg供电单相，50/60Hz，100至240VACTritech超级海王扫描声纳技术规格频率325kHz，625kHz或1MHz换能器波束宽度325kHz：3o×20o625kHz：1.5o×40o距离分辨率1m－4m：2mm5m及以上：10mm最小作用距离40mm最大作用距离300m（325kHz），100m（625kHz）ROV手操盒外形尺寸长280mm宽180mm高145mm重量2.42kgFALCON12167本体长1000mm宽600mm高500mm重量依据加装的设备，约在64kg及78kg之间（淡水中，加压载）。。最大工作深度300m前向推力42kg侧向推力17kg垂向推力14kg水下照明灯2×75W水下摄像机SeaeyeCAM04P彩色摄像机阴极电位计探针留有导线机械手SeaeyeGRIPSTICK01电动手爪深度传感器EAF500，精度：满量程的±5％罗盘磁通门，精度：±1o自动驾驶功能定深、定向2.4、任务的实施需要观察检测的1＃、2＃放空底孔位于坝体19#坝段、26#坝段，孔口高程为EL.1080，底孔门洞位于水下84米，距离坝顶高度约160米，宽约5米，高约12米，呈喇叭口状向内收缩，门槽位于从洞口纵深约5米的位置。门槽从孔洞一直延伸到坝顶，呈1:6斜度的方井。根据大坝的结构及现场的环境条件，FALCON12167的布放采取了本体与显控台分置的方式，即显控台置于坝顶，ROV本体利用船只运载至下水点，从坝顶将脐带缆放至作业船只，并留出作业余量，再由工作人员在水面连接电缆和ROV本体，通电检查后直接从水面入水。选择此种方式作业的原因在于：第一，由于门槽方井的结构特殊且内部空间狭小，水下情况复杂，ROV水下操作难度较大，故而不宜直接将ROV从门槽斜方井中布放，以免造成意外的缠绕，导致作业失败，给门槽清理增加困难；第二，水面距坝顶距离近80米，且无合适作业支持平台，无法解决供电及作业场地问题，故而采取显控台与ROV本体分离的方式，将显控台置于作业支持条件较好的坝顶，ROV本体则通过现场适用船只运送至作业水域；第三，FALCON12167的脐带不允许作为ROV本体的起吊缆使用，因而不能直接利用脐带缆将ROV本体从坝顶吊放至水面，只能将ROV本体利用适用船只运送至作业水域，并将船只作为临时作业平台，脐带缆从坝顶放至水面船只，与ROV本体连接，并预留足够长度以便作业之需，ROV本体直接从船只布放入水，这样就增加了系统的机动灵活性，使得作业过程方便可行。ROV作业时，由右岸至左岸，先后检测1＃、2＃放空底孔。1＃底孔靠近右岸，接近发电机组区，水流流速较大，不利于ROV的水下定位及操控，根据一般原则，当水流流速超过ROV最大动力推力的25％产生的速度时，ROV在水下做悬停、定向、定位等动作时将变得非常困难，稍有不慎，ROV将迷失航向，失去准确位置，甚至被水流冲走，以致须将ROV重新从水面就位，增加了作业的复杂度和难度，故而入水点选择了靠近1＃底孔坝体与1#泄洪中孔坝体之间的静水区域，就位后根据实际情况确定下潜点。根据大坝地理情况，上游方向是正北，右岸是正西，下游是正南，左岸为正东。如图2所示，对于1＃号放空底孔的水下检测，ROV显控台放在图中①的位置，该处为储门槽外围的一个平台，配电设施齐全，其正下方是由1＃放空底孔事故闸门槽外露坝体与1＃泄洪中孔事故闸门槽外露坝体所围成的一个凹槽，该处水域不受水流影响，是合适的ROV水面布放点，即图中所示②处。入水前，ROV艏向朝南以明确方位，方便ROV在水下判断位置和方向。1＃放空底孔孔口位于其闸门槽外露坝体斜面水下部分约84米的位置，ROV下潜时保持一直位于凹槽中，以免被槽外的水流冲走；并贴近坝体面西面，水下摄像机能够清楚观察到坝体面，从而对ROV在水下的相对运动有直观的掌握。ROV在水下运动时贴近坝体面移动，但不与之接触，一方面防止碰撞，另一方面防止坝体面残留的突起物与脐带缆发生缠绕，最重要的是，可以通过坝体面来作为一个参照物驾驶ROV运动。ROV在水下的深度、姿态、航向等信息可以在显控台的显示器上读取，操作人员可实时掌握ROV在水下的状态。ROV布放及航行过程中，操作人员、指挥人员随时与水面人员保持联络，及时通报ROV的水下状况，指挥水面人员放缆或收缆，以保持ROV在水下的正常、安全、机动灵活的运行。操作人员准确估计放缆长度，一般情况下保证ROV拖动脐带缆并使之承受一定拉力，不宜过度放缆，既免脐带缆沉降对ROV的运动造成影响，也防止其过长下落而缠绕到其他物体，致使ROV在水下出现危险。一旦脐带缆在水下发生缠绕，可根据ROV的运动状态、姿态及受力情况判断缠绕的情况，并减缓ROV运行速度，缓慢转身，寻着脐带缆找到缠绕位置，并设法解脱。在回行过程中要避免发生新的缠绕情况。ROV在水下的运动遵循原路返回的原则，尽力避免围绕物体运动的情况。ROV下潜过程中解除自身的定向功能，因为门槽为铁质金属结构，对于ROV磁罗经有影响，可能导致方向数据错乱，从而引起螺旋桨误动作，致使最后操作人员失去参考无法判断ROV实际航向及姿态。当大坝坝体中金属结构物对磁罗经的影响较大时，航行数据变化较快较大，此时的各个数据对ROV操作产生不利，解决方法是，先解除ROV自动定向功能，再利用水下摄像机和扫描声纳来判断ROV的相对位置和状态。在水下摄像机的视距范围内，可以通过观察到的坝体来判断ROV的大致方向和姿态，在水