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水下机器人在海上风电场退役中可以扮演哪些角色?

2021-05-26
海上风电在世界范围内不断蓬勃发展,俨然形成了一个全新的大行业,实时也证明了从海上获取清洁能源是有前途的做法。但是,很多人可能不了解,欧洲最老的风电场已经运行超过了20年。风电行业的很多做法都是参照了海洋油气,当然,如果有一天风电场要退役,势必也会效仿一些成熟的做法

ROV对海工行业来说,不算新鲜事物,用来执行勘测、观察、作业任务。海上风电退役时,不同类型的ROV可以在项目的早期阶段进行海底观察和调查工作,同时,拆除一些水下结构时也能派上用场退役工程完工后,也有必要使用ROV进行全面的海底环境评估。随着海上风电向更深更远的海域发展,ROV的使用率和使用范围会不断增加。

本文我们一起讨论下现有的各种类型的ROV、可用的工具在海上风场退役时的能够起的一些用途,特别是单桩基础,同时也分析一下现有装备的一些不足之处。

Blyth风电场退役时使用水力切割移除单桩

©辉固


深  海    人     用  智  慧  点  亮  深  海

作者 | 三叶虫
编辑 | 三叶虫

排版 | 三叶虫


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水下机器人番号大全

对于水下机器人的类型,或分类,无需赘述,分别是观察级(Observation)、调查级(Inspect & Survey)、工作级(Work-Class)、AUV(自治型),或者还可以再加一种,走地型(Crawling)。

水下机器人的海底作业能力已经被无数次验证过了,因此,移植到海上风电领域是完全可行的。之所有它有这么多种分类,每种分类下面还有很多种变体,这是因为不同的机器人为了适应不同的设备和工具选型。很多运营商在采购了基础款的ROV以后,可以对其进行各种改造,以适应不同的任务需求,因此,当今市场上的ROV设计也存在很大的差异。大型ROV供应商的目标客户比较固定,他们可以根据自己的规格和目标客户的需求制造系列化的ROV。但即便如此,许多公司在实际采购时,仍然会要求一些特定的ROV功能。以至于那些大的ROV运营商,如Oceaneering(300-400台工作级ROV)、Subsea7、Forum、Technip-FMC,Fugro都倾向于自己设计制造ROV,他们要么借鉴已有的ROV技术,结合使用经验自行组装,如Oceaneering、Fugro;要么收购一家现有的ROV制造商,如FMC收购Schilling Robotics,Forum收购Perry;要么拉来一个团队自己研发,如IHC、Saipem等等
话不多说,这里我们将市场上现有的一些水下机器人型号,根据分类、公司一一罗列出来,感兴趣可以收藏一下


Work Class ROV列表里红框圈出的,是出镜率最高,也是工程业绩最丰富的一些ROV,他们占据了当今工作级机器人八成以上的份额。表中部分机器人的类目仁者见仁,也有一些不是很合理,比如Freedom应该归到Inspection ROV里面,但是它又很大,重达3-4吨,加个带机械手的橇块也不成问题;ECA那几款严格意义上说算不上工作级ROV,但是它又带了不错的机械手。表中遗漏了Sonsub的工作级ROV,Sonsub是塞班的独立部门,自产自用,所以曝光机会不多。如果有不同意见,欢迎留言讨论。

AUV的种类更多,就简单列几个吧:


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风场退役用到的ROV工具

如今的大型作业级ROV可以操作大量的工具,基本都是为海上油气行业专门设计的。我们暂且不谈那些通用的工具,如快速卸扣,清理工具等,也忽略那些专用工具,飞头、阀门操作工具等,仅仅看退役这个过程,不难发现,最有可能用上的还是切割工具,金刚石线切割水力切割

线切割通常是在挑战环境中切割电缆的首选方法,因为以现有的ROV和工具配置完全可以胜任。对于单桩切割,现在的线割就有点力不从心了,一个是线切割在水平方向上切割时很容易堵塞,另外,石油平台导管架的单个腿柱粗细不过2-3米,而风电单桩要粗的多,对于切割工具而言,意味着要增加数倍体积和功率,不过体积和功率都可以解决,因为现在很多水下工具都可以使用独立液压系统,ROV只负责控制。

原则上,水刀是比较容易复制到海上风电领域的,因为它不挑厚度和直径,缺点就是慢。如果退役规范要求切割到泥面以下时,还要先清理走一定厚度的桩基周围的泥沙,这么看的话,就不如在桩筒内部使用水刀了。

现在有少量的海工平台退役使用了振动锤,也有一个风场退役使用振动锤拔桩的案例。貌似是比较方便的做法,但是对单桩这么做效率高,对多腿柱就无能为力了。

图 金刚石线割工具

图 水刀工具

图 塔筒内部水力切割

ROV的价值

海上风电的水深一般都小于50米,为了与潜水员竞争成本经济性,大多数ROV要具备更低的成本和更高的安全性,最好是能在更短的时间内完成潜水员可以完成的任务。观察级ROV可以部署在浅水区,体积更小,重量更轻,电力需求少,成本低廉,可以进行多种多样的定制化,帮助检查结构,以及高质量的成像,还可以执行过程监控。调查级ROV能够以3-5节左右的相对较高的速度覆盖广阔的区域,这意味着能够在短时间内绘制出桩基、防冲刷基础、电缆周围的海床图,并在拆除后监控该地点。经过多年的海底浸没,桩基基础会出现结构腐蚀和薄弱,通过调查级ROV深入检查的结果会影响移除单桩的方案制定。工作级机器人除了能够完成前面二类ROV的工作外,可以帮助进行更主动的作业,例如挖沟铺缆、引导切割工具和起重工具,以及一些重型ROV本身就配备了切割工具等等。此外,连接风场阵列的水下电缆等

ROV设计的一个重要考量点是深水,对于安置在深水场所的海上风电来说,这是个明显的优势,但是对于只有单桩基础的风场来说,深水ROV略显多余。总体上说,风电上能用的到的是轻型作业任务,监视,疏浚,挖沟机器人,这些都是明确的应用。


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总结

目前市面上存在多种可用的ROV,并且可以为每个单独的项目进行自定义升级改造。ROV是可以在未来海上风电退役中扮演一个角色色的,随着技术的发展并且越来越可行、可靠。不过,以现实情况来看,ROV的主要任务还是为桩基移除本身提供一些辅助支持,比如控制、指导切割工具的使用,在单桩周围挖泥、检查海床状况、结构状况、监视观察这些过程。由于单桩尺寸较大,在切割和提升方面,ROV现有工具的功率和体量受到限制,但是,当今的一些解决方案日后都可能会升级规格。
移除单桩的方案,工具和技术方面遇到的最大挑战是桩筒的尺寸,随着涡轮机的装机容量越来越大,桩的尺寸也增加非常快。另外,方案和工具的发展也和环境法规有关,部分移除还是完全清楚一直有争议,哪种方案对海洋环境的负面影响最小,在这种情况下为了实现安全、可持续和经济性,所使用的工具和方案在整个退役过程中就显得尤为关键



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