代 鑫，彭 望，趙 旭，李長雁，高夢(mèng)雪，王 月

（1.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610000；2.中國電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650033）

1 引言

海上風(fēng)電是我國目前主要的能源之一。當(dāng)今海上風(fēng)電工程建設(shè)大多采用鋼結(jié)構(gòu)作為承重結(jié)構(gòu)，有些鋼結(jié)構(gòu)高度高、體型大，且大多位于水下，對(duì)其施工或運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量很難掌控，所以在工程施工階段或運(yùn)行維護(hù)階段對(duì)海上風(fēng)電鋼結(jié)構(gòu)的表觀缺陷的水下檢查越來越受到工程師們的關(guān)注。水下無人潛航器，又稱ROV，可以代替潛水員潛到水下，從而降低人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的人工潛水?dāng)z像摸查技術(shù)在海上風(fēng)電站的建設(shè)包括施工、檢修、維護(hù)等任務(wù)，該項(xiàng)作業(yè)不僅危險(xiǎn)，且工作效率較低，無法保障檢測(cè)成果質(zhì)量和作業(yè)安全。

本文以揭陽神泉一海上風(fēng)電水下檢測(cè)項(xiàng)目實(shí)例為依托，基于“光學(xué)為主、聲學(xué)定位”的檢測(cè)思路，展示了聲吶系統(tǒng)和水下無人潛航器技術(shù)聯(lián)合開展海上風(fēng)電工程施工及運(yùn)行維護(hù)水下檢測(cè)典型成果，完成了導(dǎo)管架插樁水下無人潛航器監(jiān)測(cè)輔助施工，查明了某風(fēng)機(jī)犧牲陽極運(yùn)行現(xiàn)狀，為海上風(fēng)電工程施工與運(yùn)行維護(hù)水下檢測(cè)提供了可靠的解決思路。

2 檢測(cè)技術(shù)及原理

傳統(tǒng)海上風(fēng)電水下施工與運(yùn)行維護(hù)以人工潛水?dāng)z像摸查為主，特別是在半潛式工作船施工中較為危險(xiǎn)且工作效率較低，作用有限，無法開展正常檢測(cè)作業(yè)。水下無人潛航器（Remotely Operated Vehicle，簡(jiǎn)稱ROV），作為能夠在水下環(huán)境中長時(shí)間作業(yè)的高科技裝備，尤其是在潛水員無法承擔(dān)的高強(qiáng)度水下作業(yè)和危險(xiǎn)條件下更顯現(xiàn)出其明顯的優(yōu)勢(shì)[1］。在海上風(fēng)電水下施工與運(yùn)行維護(hù)“光學(xué)為主、聲學(xué)定位”檢測(cè)思路中，光學(xué)主要通過ROV 搭載水下高清攝像頭、燈光獲取海上風(fēng)電水下結(jié)構(gòu)影像實(shí)現(xiàn)，聲學(xué)主要利用聲波反射原理獲取回聲信號(hào)圖像，根據(jù)回聲信號(hào)圖像分析獲取水下結(jié)構(gòu)的高分辨率回聲信號(hào)圖像[2］。二維圖像聲吶是一種主動(dòng)式實(shí)時(shí)探測(cè)設(shè)備，通過聲波反射原理獲取目標(biāo)回聲信號(hào)并實(shí)時(shí)顯示，相較光學(xué)攝像易受水體渾濁及流速影響造成圖像模糊變形，無法準(zhǔn)確獲取缺陷信息的情況，水下無人潛航器搭載二維圖像聲吶對(duì)水工建筑物缺陷進(jìn)行檢測(cè)可極大程度地減少水體能見度及水體擾動(dòng)對(duì)檢測(cè)成果造成的干擾[3-4］。

在海上風(fēng)電水下施工干預(yù)施工與運(yùn)行維護(hù)檢查中，針對(duì)檢查目標(biāo)，采用ROV 搭載二維圖像聲吶對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位后，ROV 搭載水下高清攝像頭、燈光抵近目標(biāo)進(jìn)行高清攝像監(jiān)測(cè)輔助施工檢查。

3 應(yīng)用與研究

3.1 工程概況

揭陽神泉一海上風(fēng)電場(chǎng)位于廣東省揭陽市神泉鎮(zhèn)南面海域，場(chǎng)區(qū)涉海面積約64 km2，外圍風(fēng)機(jī)包絡(luò)海域面積約為8.5 km2，水深范圍33 m～39 m，中心離岸距約26 km，項(xiàng)目規(guī)劃裝機(jī)總?cè)萘繛?00 MW，布置29 臺(tái)上海電氣7 MW 風(fēng)電機(jī)組，同時(shí)配套建設(shè)1 座220 kV 海上升壓站和1 座陸上集控中心。風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能通過35 kV 集電海底電纜接入海上升壓站。本實(shí)例中風(fēng)機(jī)單樁犧牲陽極水下檢查屬于運(yùn)行維護(hù)檢查，位于水下15 m 左右；導(dǎo)管架插樁屬于施工過程中的ROV 監(jiān)測(cè)輔助施工，位于水下20 m。本實(shí)例中水下檢測(cè)環(huán)境屬于典型的海上風(fēng)電施工ROV 水下檢查工程。幾年前，導(dǎo)管架的檢測(cè)任務(wù)，主要由潛水員完成。但是隨著導(dǎo)管架檢測(cè)內(nèi)容的多樣化，加上作業(yè)環(huán)境上的風(fēng)險(xiǎn)性，很多檢測(cè)任務(wù)潛水員無法完成，只能依靠 ROV（Remoted Operated Vehicle），即為水下機(jī)器人來完成。因此 ROV 在導(dǎo)管架檢測(cè)中承擔(dān)著越來越重要的角色[5］。

3.2 犧牲陽極水下檢查

犧牲陽極水下檢查時(shí)采用聲學(xué)和光學(xué)聯(lián)合開展檢查工作，主要采用深度計(jì)、羅經(jīng)、聲吶等多種方式進(jìn)行聯(lián)合定位，通過深度計(jì)確定ROV 的深度，羅經(jīng)、聲吶確定犧牲陽極的位置，到達(dá)犧牲陽極位置后，以塔閥門方向?yàn)樵c(diǎn)，對(duì)6 個(gè)牛腿進(jìn)行編號(hào)。沿順時(shí)針方向?qū)奚枠O進(jìn)行光學(xué)攝像檢查，檢查完01、02、03號(hào)牛腿的連接情況后返回原點(diǎn)，再從原點(diǎn)開始，沿逆時(shí)針方向?qū)奚枠O進(jìn)行光學(xué)攝像檢查，檢查04、05、06 號(hào)牛腿連接情況。檢查測(cè)線布置見圖1。

圖1 犧牲陽極水下檢查現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置

ROV 搭載二維圖像聲吶系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)單樁犧牲陽極進(jìn)行精確定位成果見圖2（a），發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物距ROV 3 m 距離，ROV 搭載高清攝像頭、深度計(jì)，羅經(jīng)等對(duì)犧牲陽極抵近攝像成果圖像見圖2（b），犧牲陽極牛腿光學(xué)攝像檢查成果見圖3，檢查發(fā)現(xiàn)犧牲陽極牛腿連接到位，未見異常?？梢娡ㄟ^采用ROV搭載聲納系統(tǒng)及高清攝像頭、深度計(jì)，羅經(jīng)等傳感器在海上風(fēng)電項(xiàng)目開展水下檢測(cè)獲取水工建筑物水下分布信息、開展缺陷損傷部位的初步檢測(cè)是可行的。

圖2 揭陽神泉一海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)犧牲陽極水下檢查成果圖像

圖3 揭陽神泉一海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)犧牲陽極牛腿光學(xué)攝像檢查成果圖像

3.3 導(dǎo)管架套管插樁水下監(jiān)測(cè)輔助

導(dǎo)管架套管插樁水下監(jiān)測(cè)輔助主要采用聲學(xué)和光學(xué)聯(lián)合開展檢查工作，主要采用深度計(jì)、羅經(jīng)、聲吶等多種方式進(jìn)行聯(lián)合定位，ROV 到達(dá)導(dǎo)管架套管口位置后，通過深度計(jì)判斷單樁所在的深度，羅經(jīng)、聲吶觀察單樁的位置和距離，引導(dǎo)單樁到達(dá)導(dǎo)管架套管口位置，之后采用ROV 搭載高清攝像頭對(duì)導(dǎo)管架樁基套管口極抵近攝像輔助，并和吊放人員進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，調(diào)整吊放距離和角度，最終引導(dǎo)單樁插入導(dǎo)管架套管。

ROV 搭載二維圖像聲吶系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)管架套管口進(jìn)行精確定位成果見圖4（a），發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物距ROV 2 m 距離，ROV 搭載高清攝像頭、深度計(jì)，羅經(jīng)等對(duì)導(dǎo)管架套管口抵近攝像輔助成果圖像見圖4（b）。ROV 監(jiān)測(cè)輔助施工成果見圖5?？梢娡ㄟ^采用ROV 聲納系統(tǒng)及搭載高清攝像頭、深度計(jì)，羅經(jīng)等傳感器在海上風(fēng)電項(xiàng)目開展ROV 水下監(jiān)測(cè)輔助施工的方法是可行的。

圖4 揭陽神泉一海上風(fēng)電導(dǎo)管架套管插樁水下監(jiān)測(cè)輔助成果圖像

圖5 揭陽神泉一海上風(fēng)電導(dǎo)管架ROV 監(jiān)測(cè)輔助施工成果成果圖像

4 結(jié)論

本文依托揭陽神泉一海上風(fēng)電水下檢查項(xiàng)目實(shí)例，基于ROV 在海上風(fēng)電施工項(xiàng)目中的的“光學(xué)為主、聲學(xué)定位”檢測(cè)思路，查明了某風(fēng)機(jī)單樁水下犧牲陽極的運(yùn)行現(xiàn)狀和完成了導(dǎo)管架套管插樁施工的ROV 水下監(jiān)測(cè)輔助施工。主要結(jié)論如下：

1）聯(lián)合二維圖像聲吶系統(tǒng)、水下無人潛航器開展海上風(fēng)電工程的ROV 水下監(jiān)測(cè)輔助施工和運(yùn)行維護(hù)檢查是有效可靠的；

2）相較于人工潛水水下摸查，ROV 水下檢查與監(jiān)測(cè)輔助施工的技術(shù)方法縮短了檢測(cè)時(shí)間，降低了檢測(cè)成本與作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高了檢測(cè)覆蓋范圍與適用性，在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好的效果，具有一定的推廣應(yīng)用意義。