朱曉軍，閔少松，張 濤

(海軍工程大學(xué)，湖北武漢 430033)

通常情況下，艦船水下部分維修需到具有與艦船噸位和尺度相當(dāng)?shù)膲]中或排上進(jìn)行，由于進(jìn)出塢和上下排前艦船都需要一定的準(zhǔn)備時(shí)間，因此，艦船塢 (排)修一般都需要一個(gè)較長(zhǎng)的周期，這是導(dǎo)致艦船實(shí)際在航率偏低和維修費(fèi)用偏高的一個(gè)重要原因［1］。水下維修能在一定程度上緩解艦船水下部分維修需求對(duì)塢排設(shè)施的依賴，使其在不進(jìn)塢而恢復(fù)原有的技術(shù)狀態(tài)。水下維修指在水中對(duì)艦船設(shè)備或結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗、檢測(cè)和修理更換的一種維修活動(dòng)。本文主要介紹水下維修的國(guó)內(nèi)外水下維修的現(xiàn)狀以及水下維修技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)等內(nèi)容。

1 國(guó)內(nèi)外水下維修現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外對(duì)艦船的水下維修進(jìn)行著不懈的研究探索，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和較大的突破。從肉眼進(jìn)行水下檢測(cè)發(fā)展到運(yùn)用光、聲、電等儀器設(shè)備進(jìn)行水下檢測(cè)，如水下攝像檢測(cè)、水下超聲波測(cè)厚和水下磁粉探傷等;從潛水員實(shí)施水下維修操作發(fā)展到利用水下維修平臺(tái)和水下遙控機(jī)器人等裝置實(shí)施水下維修的操作。下面簡(jiǎn)要敘述國(guó)內(nèi)外水下維修技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀、水下修理的應(yīng)用范圍及其帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 國(guó)外水下維修現(xiàn)狀

美國(guó)海軍一直非常重視艦船的水下維修，設(shè)有專業(yè)的水下維修機(jī)構(gòu)，專門負(fù)責(zé)艦船的水下維修(艦船清洗和修理)，還設(shè)有專門的水下維修研究機(jī)構(gòu)，以開展艦船水下維修技術(shù)的研究和水下維修人員的技術(shù)培訓(xùn)等。從美海軍水下維修的作業(yè)方式來看，其水下維修主要依賴2種平臺(tái):水下維修艙和水下維修機(jī)器人平臺(tái)。美國(guó)海軍的幾個(gè)修船廠都存儲(chǔ)有大量針對(duì)不同類型艦船和同一型艦船不同水下部位的修理艙 (又稱為修理潛水箱、沉箱)，圖1為一個(gè)維修船體的水下維修艙實(shí)圖及示意圖，維修艙與船體貼緊后排水，在水下形成一個(gè)局部的干式維修空間，進(jìn)行相應(yīng)部位的維修作業(yè)，包括船體維修和鋼板及構(gòu)架的更換，推進(jìn)器、艉軸管、舵、減搖鰭的修理更換，聲吶導(dǎo)流罩的維修等等。

圖1 美國(guó)海軍用于艦船船體維修的水下維修艙

利用水下維修艙實(shí)施維修，可對(duì)船體水下局部區(qū)域進(jìn)行較快的檢測(cè)、清洗、修理和更換，然而，對(duì)于船底大面積的污底清洗，則因船體型線不同而需經(jīng)常更換維修艙，清洗效率較低，需要專門的清洗裝置來實(shí)施污底清洗。為了提高清洗工作的效率，美軍一直致力于高效污底清洗裝置的研究研制，其清洗裝置的發(fā)展大致經(jīng)歷了3個(gè)階段［2］:手工操持階段、機(jī)械操持階段和遙控機(jī)械或機(jī)器人自主作業(yè)階段。第一種方式基本是由潛水員手持轉(zhuǎn)刷，利用操作人員施加外力及轉(zhuǎn)刷產(chǎn)生的負(fù)壓使之緊貼船體，對(duì)船底污底進(jìn)行清洗;第二種方式利用各種噴射式清刷裝置如高壓水噴射裝置進(jìn)行污底清洗;第三種方式利用機(jī)器人的吸附和移動(dòng)功能，使用機(jī)器人本體上攜帶的高壓水槍、轉(zhuǎn)刷等進(jìn)行清洗作業(yè)。第三種裝置的清洗效率最高，是美軍重點(diǎn)研究和發(fā)展的方向，如美國(guó)海軍水面艦船中心成功研制的自動(dòng)水下船體清洗維修車［3］就屬于這種類型，該裝置由水面操作控制，無需潛水員，進(jìn)行污底清刷工作主要依賴旋轉(zhuǎn)刷、高壓水槍和聲震動(dòng)3種方式;該平臺(tái)上還裝有涂層厚度探測(cè)器和電位的探測(cè)器等傳感器，配備的攝像機(jī)可以拍攝水下靜態(tài)照片和錄像，這些傳感和攝像設(shè)備可以進(jìn)行艦船檢查和輔助維修計(jì)劃的制定。

英國(guó)的水下維修國(guó)際公司 (UMC)一直從事艦船的水下檢測(cè)維護(hù)和修理，是全球水下維修技術(shù)的領(lǐng)先者，是美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、法國(guó)和意大利等國(guó)家海軍艦船水下維護(hù)服務(wù)的提供商和水下檢測(cè)、維修設(shè)備的供應(yīng)商。UMC能夠在水下更換修理艦船大多數(shù)水下設(shè)備，圖2是UMC公司為英國(guó)海軍更換修理穩(wěn)定翼。

比利時(shí)Hydrex公司是向船主提供廣泛的水下清洗和維修服務(wù)的領(lǐng)頭國(guó)際公司之一，它的理念是干船塢并非船舶修理的必須設(shè)施，許多船體的清洗和維修工作可以在原位完成;該公司的服務(wù)包括船舶外部水下設(shè)備和機(jī)器的大修和更換，推進(jìn)器、螺旋槳、舵、軸管套、破損和腐蝕船體等其它外部設(shè)備的水下清理工作由其專業(yè)團(tuán)隊(duì)完成;工作方式主要由潛水員在水下操縱各種工具進(jìn)行維修或清理，屬于人工半自動(dòng)性質(zhì)。該公司開發(fā)了一種名叫WPS的焊條，實(shí)現(xiàn)了水下濕式焊接焊縫質(zhì)量的突破，圖3所示為Hydrex焊工正在進(jìn)行水下焊接修理。另外，Hydrex公司通過制造一個(gè)水下干燥環(huán)境進(jìn)行推進(jìn)器的修理和更換工作，類似于美軍的水下維修艙。Hydrex公司的水下船體清理系統(tǒng)利用各種液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備去清除船體污底，同時(shí)避免破壞船體上的涂層，其清刷裝置配備有3個(gè)刷頭和使機(jī)器貼在船體上的可調(diào)控的壓力系統(tǒng) (見圖4)，該裝置每小時(shí)可清刷約800 m2船體。

圖2 水下更換修理穩(wěn)定翼

圖3 水下濕式焊接

圖4 Hydrex公司的清刷機(jī)器

另外，日本、法國(guó)和丹麥等均對(duì)水下維修技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和探索，他們都致力于船舶水下部分的高效檢測(cè)、清洗和修理更換的研究工作。

可以看出，目前國(guó)外對(duì)艦船實(shí)施水下維修作業(yè)主要有3種方式:水下濕式維修作業(yè)、制造水下局部干空間實(shí)施維修作業(yè)和利用水下機(jī)器人平臺(tái)實(shí)施維修作業(yè)。在這3種方式下，目前能完成的水下維修作業(yè)如表1所示。從表1可以看出，艦船在干船塢中的大部分工作都能被水下維修所代替，為延長(zhǎng)艦船進(jìn)塢修理間隔提供了基礎(chǔ)，如上世紀(jì)90年代，美軍艦船進(jìn)塢修理間隔從3年延長(zhǎng)到5年以上，顯著提高了其艦船的在航率。

表1 國(guó)外艦船水下維修的范圍、作業(yè)環(huán)境及修理質(zhì)量

另外，在海上或在靠碼頭情況下對(duì)艦船實(shí)施水下維修，與在干船塢里修理相比更為經(jīng)濟(jì)。表2是1992年6月美國(guó)海軍時(shí)報(bào)所刊“水下維修與干船塢修理費(fèi)用對(duì)比表”，可以看出，使用水下維修具有重大的經(jīng)濟(jì)意義。

表2 水下維修與干船塢修理費(fèi)用對(duì)比表

1.2 國(guó)內(nèi)水下維修現(xiàn)狀

受效益最大化思想的推動(dòng)，國(guó)內(nèi)民用船舶行業(yè)中水下清洗技術(shù)發(fā)展較快。我國(guó)沿海地區(qū)在最近幾年內(nèi)相繼成立了多家水下工程服務(wù)公司，水下維修人員都有交通部頒發(fā)的潛水員證書?！按八鹿こ虣z測(cè)維修”許可證書。有的企業(yè)還獲得美國(guó)、挪威、法國(guó)等船級(jí)社的認(rèn)證。這些公司的業(yè)務(wù)包括水下觀察、檢測(cè)、清洗和簡(jiǎn)單的修理，能夠?qū)Υ斑M(jìn)行水下船體海生物的清理，水下電焊搶修，海底門、艉軸管、排水口的水下封堵、螺旋槳纏繞物水下清除、水下攝影錄像、船體探傷、船舶水下檢驗(yàn)等作業(yè)。

目前國(guó)內(nèi)的水下維修公司大多采用進(jìn)口設(shè)備，采用人工半自動(dòng)操作方式，而國(guó)內(nèi)船體污底清洗機(jī)器人裝置還處于樣機(jī)研究階段，如哈爾濱工程大學(xué)研制的水下船體清刷機(jī)器人樣機(jī)［4］。該機(jī)器人用于清洗水下部分船體表面附著的貝類和藻類生物等，它通過永磁體雙履帶吸附在船體表面，機(jī)器人既可自主作業(yè)，又可進(jìn)行人工操控作業(yè)，但這類清洗裝置的吸附履帶在船底曲率變化較大區(qū)域的作業(yè)能力還有待進(jìn)一步提升。

總的來說，目前國(guó)內(nèi)民用水下維修技術(shù)主要應(yīng)用于民用船舶和海洋結(jié)構(gòu)物的維修，在軍用艦船的水下維修中應(yīng)用較少。軍用艦船同民用船舶相比，船底型線更加復(fù)雜、水下附屬裝置檢修時(shí)的安全要求更高。因此，軍用艦船的水下維修是一個(gè)較民船水下維修更為復(fù)雜的活動(dòng)，需要綜合考慮船體型線及結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、水下維修對(duì)水線以下附屬裝置及船體的影響、船體及水線以下附屬裝置技術(shù)性能要求對(duì)水下維修的要求，尚需進(jìn)行有針對(duì)性的修理方案研究和樣機(jī)研制。

2 水下維修發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)

水下濕式焊接通常被用于應(yīng)急搶修，用于緊急情況下水下船體的裂縫和小面積破損船體的修復(fù)，對(duì)于水下作業(yè)人員和水下焊接裝置及焊材的要求較高。為了降低維修作業(yè)的門檻和提高維修作業(yè)的效率，未來，對(duì)于水下船體大面積的換板修理和水下裝置的修理更換將會(huì)更多地采用水下維修艙實(shí)施;而對(duì)于水線以下的污底清洗和大面積的船體外板狀態(tài)檢測(cè)將會(huì)采用水下維修機(jī)器人平臺(tái)實(shí)施。對(duì)于水下維修艙和水下維修機(jī)器人平臺(tái)，國(guó)外已經(jīng)逐步應(yīng)用并在繼續(xù)進(jìn)行深入探索，對(duì)我軍而言，目前還處于起步階段。因此，我國(guó)海軍未來艦船水下維修發(fā)展的重點(diǎn)將會(huì)是水下維修艙和水下維修多功能機(jī)器人平臺(tái)的研究研制。

2.1 水下維修艙發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)美軍水下維修艙的特點(diǎn)可知，對(duì)于某一維修艙而言，通常只能附著于某一特定艦型的某一特定區(qū)域。因此，海軍若想對(duì)現(xiàn)役艦船實(shí)施水下維修，必須制造大量的水下維修艙，如果對(duì)一艘艦船進(jìn)行一次從艏至艉的水下維修，則會(huì)用到許多水下維修艙，如果艦船遠(yuǎn)離岸基，則可以想象這種水下維修的開展是相當(dāng)困難的。因此，今后水下維修艙的發(fā)展趨勢(shì)將會(huì)是增加其對(duì)艦船外形的適應(yīng)性，研制自適應(yīng)艦船型線的水下維修艙，盡量減少一條艦船所需水下維修艙的數(shù)量，這就需要對(duì)現(xiàn)役艦船的型線進(jìn)行分析和歸類，研究水下維修艙同艦船附著邊沿自適應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。另外，水下維修艙附著力獲取方式的研究也是十分重要，還要研究在遠(yuǎn)離岸基且有風(fēng)浪影響情況下水下維修艙附著的穩(wěn)定性。

2.2 水下維修機(jī)器人平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)

艦船水下維修機(jī)器人平臺(tái)的主要工作任務(wù)是船體污底清洗和船體外板及各種水下附屬裝置的性能檢測(cè)。美軍雖已設(shè)計(jì)出自動(dòng)水下船體清洗維修車，但是該平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案和應(yīng)用卻鮮見報(bào)道，我軍要研制出這類水下作業(yè)平臺(tái)還需靠自身努力，因而有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決，主要包括平臺(tái)吸附、平臺(tái)貼船體運(yùn)動(dòng)的路徑規(guī)劃、污底清洗、船體外板檢測(cè)勘驗(yàn)、附屬裝置檢測(cè)和模塊化設(shè)計(jì)、平臺(tái)的水下的姿態(tài)控制、檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸和處理等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。這里僅敘述艦船水下維修機(jī)器人平臺(tái)對(duì)吸附技術(shù)和模塊化技術(shù)的要求。

1)平臺(tái)吸附技術(shù)。水下維修機(jī)器人平臺(tái)在水下的運(yùn)動(dòng)方式主要有2種:船體附近自由運(yùn)動(dòng)和水下船體的爬壁運(yùn)動(dòng)，其中平臺(tái)的水下船體爬壁運(yùn)動(dòng)最為復(fù)雜，涉及到平臺(tái)的吸附技術(shù)。總體來看，爬壁機(jī)器人吸附方式有負(fù)壓吸附、真空吸附、磁吸附、推力吸附等幾類［5］。負(fù)壓及真空吸附方式具有不受壁面材料限制、適用范圍廣等特點(diǎn)。但當(dāng)壁面凹凸不平時(shí)，吸盤容易發(fā)生氣體泄漏，導(dǎo)致吸附力不足，減小爬壁機(jī)器人的承載能力，甚至使爬壁機(jī)器人從壁面跌落;磁吸附有永磁和電磁兩種方式，但要求壁面必須是導(dǎo)磁材料，產(chǎn)生的吸附力遠(yuǎn)大于負(fù)壓和真空吸附，也不存在漏氣現(xiàn)象，對(duì)凹凸不平壁面的適應(yīng)性較強(qiáng);推力吸附法是一種新型的吸附方式，與真空吸附和磁吸附相比，在壁面移動(dòng)機(jī)器人的載體方面有了很大的創(chuàng)新。它不是依靠吸力而是使用螺旋槳產(chǎn)生合適的推力，使機(jī)器人穩(wěn)定可靠地吸附在壁面上。由于推力能始終指向壁面，機(jī)器人可容易地實(shí)現(xiàn)越障而適應(yīng)于各種情況的壁面。

由于船體水下部分尤其是尾部水下部分曲率變化較大，采用負(fù)壓及真空吸附法不太合適，而采用磁吸附又有可能會(huì)引起艦船結(jié)構(gòu)及設(shè)備的磁化，另外，磁力吸附要求機(jī)器人始終貼緊船體才能運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人從船體一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一點(diǎn)開始工作時(shí)，由于磁力機(jī)器人移動(dòng)較慢，因而影響工作效率。而推力吸附技術(shù)因?yàn)槠鋵?duì)壁面適應(yīng)性強(qiáng)、不會(huì)產(chǎn)生磁化影響和運(yùn)動(dòng)速度快將是未來水下維修機(jī)器人的發(fā)展方向。如前所述，推力吸附技術(shù)主要采用螺旋槳產(chǎn)生合適的推力來使機(jī)器人本體貼近船體壁面，因此，螺旋槳在機(jī)械本體上的布置以及其功率的選擇是關(guān)鍵，需充分考慮機(jī)械本體上功能部件如清洗轉(zhuǎn)刷工作時(shí)所產(chǎn)生的反作用力、波浪沖擊力和機(jī)械本體自身重力等因素的影響，需要經(jīng)過深入研究分析和試驗(yàn)方能確定。

2)模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)［6］。未來水下維修機(jī)器人平臺(tái)將承擔(dān)多種維修任務(wù)，不同的任務(wù)可能需要不同的功能部件，若將所有的功能部件都安裝在平臺(tái)上，勢(shì)必會(huì)增加平臺(tái)的自重和尺寸，給平臺(tái)的吸附、運(yùn)動(dòng)控制和準(zhǔn)確定位都會(huì)帶來不利的影響。因此，將功能部件按照模塊化的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)將是未來水下維修平臺(tái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，執(zhí)行任務(wù)前，根據(jù)不同的任務(wù)需求安裝不同的功能模塊，不僅可以減少自重、增加運(yùn)動(dòng)的可控性，還能提高工作的效率和準(zhǔn)確性。因此，模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)將是未來水下維修機(jī)器人平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)之一，需要綜合考慮各種模塊的物理接口和數(shù)據(jù)傳輸接口等要求。

3 水下維修推廣應(yīng)用前景

水下維修具有如下推廣應(yīng)用前景。

1)為船體水下維修方案的制定提供依據(jù)。利用水下維修機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行船體檢測(cè)勘驗(yàn)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定船體污底水下清洗的時(shí)機(jī)和清洗設(shè)備，確定船體水下附屬裝置及船體應(yīng)采用的修理手段，做到維修工作有的放矢，維修設(shè)備做到“對(duì)癥取材”，提高維修質(zhì)量，節(jié)約維修時(shí)間和維修經(jīng)費(fèi)。

2)為維修方式的改革提供基礎(chǔ)。通過水下維修機(jī)器人平臺(tái)進(jìn)行無損檢測(cè)，掌握艦船水下部分的技術(shù)狀態(tài)，有針對(duì)性地展開維修，實(shí)現(xiàn)由“定時(shí)維修”向“視情維修”和“以可靠性為中心的維修”轉(zhuǎn)變［7］。如通過水下檢測(cè)掌握船體水下部分的強(qiáng)度、腐蝕情況、犧牲陽(yáng)極等裝置的技術(shù)狀態(tài)等，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定是否需要修補(bǔ)或應(yīng)該采取的維修方式等。

3)為延長(zhǎng)進(jìn)塢修理間隔時(shí)間提供保障。目前國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家海軍水下維修基本可以完成船體污底清洗、船體水下檢測(cè)、水下部件修理更換等需要干船塢的維修工作，因此，這些國(guó)家艦船的進(jìn)塢修理間隔時(shí)間就相對(duì)較長(zhǎng)，如美軍核動(dòng)力航母的進(jìn)塢修理間隔從以前的5年左右延長(zhǎng)到了現(xiàn)在的9年左右，水下維修便是這一間隔延長(zhǎng)的重要保障之一，隨著塢修間隔的延長(zhǎng)，其航母的在航率也相應(yīng)提高，因而在其航母總數(shù)不斷減少的情況下，航母仍能滿足其國(guó)家戰(zhàn)略的使用需求。所以，若在我海軍大力發(fā)展水下維修，則會(huì)減少艦船全壽命周期內(nèi)的廠修時(shí)間，提高艦船的在航率。

4 結(jié)束語(yǔ)

水下維修指在水中對(duì)艦船設(shè)備或結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗、檢測(cè)和修理更換的一種維修活動(dòng)，目前艦船實(shí)施水下維修主要有3種方式:水下濕式維修作業(yè)、制造水下局部干空間實(shí)施維修作業(yè)和利用水下機(jī)器人平臺(tái)實(shí)施維修作業(yè)，后2種方式是未來水下維修的主要發(fā)展方向，其中水下維修艙將來會(huì)逐漸向?qū)Υw型表面適應(yīng)性強(qiáng)的方向發(fā)展，而水下清洗裝置將會(huì)逐漸向清洗與檢測(cè)勘驗(yàn)集成的多功能水下維修機(jī)器人平臺(tái)發(fā)展。

對(duì)艦船實(shí)施水下維修可以代替塢修中的許多工作，能在確保裝備技術(shù)狀態(tài)完好的前提下延長(zhǎng)塢修間隔，從而提高艦船的在航率和節(jié)約維修經(jīng)費(fèi)，具有重要的軍事和經(jīng)濟(jì)意義。

［1］朱志潔，朱曉軍，王政.破損艦船進(jìn)塢過程虛擬仿真研究 ［J］.船海工程，2007，36(2):87－89.

［2］酈智斌，龍彪.船舶水下清洗技術(shù)研究 ［J］.中國(guó)修船，2011，24(5):33－36.

［3］任達(dá)生.新型遙控船體水下清洗裝置 ［J］.中國(guó)修船，1999(6):10.

［4］孟慶鑫，王麗慧，王立權(quán).水下船體表面清刷機(jī)器人方案研究 ［J］.船舶工程，2002(1):44－46.

［5］王麗慧.水下船體表面清刷機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2002.

［6］季東軍.模塊化水下機(jī)器人及其故障診斷研究 ［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008.

［7］王小偉，張文瑤.無損檢測(cè)技術(shù)及其在艦船水下維修中的應(yīng)用 ［J］.中國(guó)修船，2004(1):41－42.