摘要：针对某深水半潜式储油平台凝析油舱内检测所面临的舱室深、清洗难度大、人员进舱坠落风险高和窒息等困难与 风险，通过分析舱室内部结构，研究出一种使用系缆无人机 + 地面供电系统组成的智能检验检测装置，利用在无人机上 所搭载的检测设备来完成舱室内部结构建模、防腐锌块尺寸测量、舱壁外检测和壁厚测量任务，从而实现在舱室外的智 能化检测。此方案不仅解决了传统作业过程中人员进舱坠落或窒息风险，还提高检测效率约 80%，节省检验检测费用约 224 万元 /5 a。

　　关键词：半潜平台;舱室内检测;系缆无人机;智能化检测

　　Research on Intelligent Internal Ispection of Semi-submersible Platform Functional Cabins

　　XIONG Xiaolin

　　(CNOOC China Limited, Hainan Branch, Haikou 570311. China)

　　Abstract: In response to the difficulties and risks faced by the inspection of the condensate tank of a certain deep-water semi- submersible oil storage platform, such as cabin depth, difficulty in cleaning, high risk of personnel falling into the cabin, and suffocation, an intelligent inspection and detection device composed of a tethered drone and ground power supply system is developed by analyzing the internal structure of the cabin. Utilize equipment such as lidar visible light fusion mapping phase and ultrasonic thickness gauge installed on unmanned aerial vehicles to complete tasks such as modeling the interior structure of the cabin, measuring the size of anti-corrosion zinc blocks, detecting the exterior of the cabin walls, and measuring wall thickness, thereby achieving intelligent detection outside the cabin. This solution not only solves the risk of personnel falling or suffocating during traditional operations, but also improves detection efficiency by about 80%, saving inspection and testing costs of about 2.24 million yuan per five years. Keywords:semi-submersible platform; functional cabins internal inspection; tethered drone; intelligent internal inspection

　　引言

　　海上某深水半潜式储油生产平台为全球首个凝 析油储存平台，其中在船体内设置有 60 多个功能舱 室，为保证舱室结构完整性，每五年需要对所有功能 舱室完成清舱及内部结构检验作业。在这 60 多个功 能舱室中，作业难度最高、风险最大的则是位于船体 四个立柱内的凝析油存储舱 (如图 1 所示)。由于凝析 油舱从舱室顶部到舱室底部中间没有任何分隔，只在 舱室的一侧侧壁上设置有爬梯，若采用常规的人员进 舱检验方式，则需要先对舱室进行人工清洗、惰化、活 化，然后在舱内搭建脚手架，搭建完成后检验人员再进 舱进行检验，整个作业面临入舱清洗作业量大、作业难 度大、人员窒息和人员坠落等风险。经统计，完成四个 舱室的清洗和检验至少需要 50 d，费用约 300 万元。 因此，采用常规舱室检验方法耗时长、作业风险高、投 入费用高。

　　为了降低作业风险，提高作业效率并降低作业成 本，本文则针对检验作业风险最高的凝析油舱开展研究，目的是研究出一套智能化舱室检验检测装置[1]，以实 现作业人员在舱室外即可完成舱室的可视化检查及 测厚等检测工作，从而避免人员进舱作业所带来的安 全风险。

　　1 凝析油舱室结构简介

　　此半潜平台船体四个立柱内各有一个凝析油舱， 舱室从船体立柱顶部一直向下延伸至压载舱顶部，深度达 48.2 m，中间无隔断。在距离舱底 22 m以上的舱室容 积约占凝整个舱室容积的 1/4.22 m 标高以下部分则分 别向两侧延伸，最终形成双 L 型异型结构舱室 (如图 1)， 同时在舱室垂直方向中间设置有带孔隔板，隔板的作 用为一方面提升舱室的结构稳定性，另一方面可以防 止凝析油在舱内形成浪涌，影响平台的稳定性。

　　每个凝析油舱室内设置有 1 台凝析油泵和 7 台 洗舱机。在开展舱室检验前，通过凝析油泵排空舱内 凝析油，再通过洗舱机对舱壁进行冲洗，去除残留在 舱壁的油污以及舱底的油泥。

　　2 舱室检验要求

　　为保证船体舱室的结构完整性，每年需要对选定 的船体舱室进行检查检验，并在五年内完成所有舱室 100% 全覆盖检验 (如表 1 所示)，检验方式通常为目 视检查，对于关键结构应力区域或以前已记录的异常 情况位置，还需要使用射线、磁粉等无损检测方式来 进一步分析确认该处结构的完整性。当舱室壁厚减少 明显或外观有明显腐蚀时，需使用超声波进行测厚检 测，以评估腐蚀量。另外每年还需要测量舱室内部防 腐锌块，并计算其腐蚀速率是否在正常范围。

　　3 智能化检测方案研究

　　3.1 完整性解决方案

       通过对凝析油舱内部布局、舱口位置与尺寸、检 验检测需求进行综合分析后，经研究，确定采用系缆无 人机 + 地面供电系统及无人机搭载的各种探测器所组 成的综合性凝析油舱智能检验检测装置 (如图2 所示)， 又称系留无人机检测系统[2]。此系统包含一台无人机 及其控制系统、地面供电系统和辅助装置 (系留线缆 滑动托坠环、无人机保护罩、超声波测厚仪等)。工作 时，通过系留供电线缆将电能传输至无人机，使无人 机长时间飞行。作业人员在舱室外操作此系统即可完 成舱室检测，包括舱壁外观检查、舱室三维建模、舱壁 测厚和防腐锌块尺寸测量，真正实现无人进舱的智能 化检测模式。

　　3.2 系统设备组成

　　本次研究的智能化检测系统相关设备主要从以 下三个方面开展选型：一是设备的可靠性和经济性， 选择市场上成熟的无人机产品，不但能减少研发费用， 还能保证设备的可靠性。二是性能，为了能有效查看舱 室内结构情况，所拍摄的图像分辨率不低于 3 840 × 2 160 像素，视频分辨率不低于 1 920 × 1 080 像素，需 要选择可搭载高清摄像头的无人机。三是适用性，由 于凝析油舱为危险区，设备需要具有防爆功能，防爆 认证需满足 Exd IIB/IIC T5 Gb 标准。只有满足以上 三个方面的要求，才能实现舱室的智能化检测，系统 设备具体情况如下。

　　3.2.1 无人机

　　本系统无人机选用了大疆经纬系列 (M300 RTK)， 该系列无人机具有四个优点：一是硬件成熟，拥有 55 min 超长续航、高精度的空中传感器和可靠的数据链接系 统;二是可搭载 2 000 万像素、23 倍混合光学变焦和 1 200 万像素广角的相机，能有效保证在舱室内所拍图 片和视频的清晰度;三是通过搭载激光雷达和激光测 距仪实现高精度定位，还能同时进行数据扫描，完成对 舱室内部结构尺寸测量与三维建模;四是载重量大， 载重可达 2.7 kg，可搭载超声波测厚仪、云台灯等。缺 点则是不具备防爆功能，因此防爆功能需要单独研发。

　　3.2.2 地面供电系统

　　虽然大疆经纬系列无人机具有超长续航，但仍然 无法满足长时间检测的需求。因此本方案选择了一套 与无人机配套使用的地面供电系统为无人机持续供电 (如图 3 所示)，型号 TK300.此地面供电系统具有重量轻 (约13 kg)、IP 防护等级高 (IP54)、线缆长 (110 m) 以 及能与大疆无人机匹配等优点。

　　此系统主要作用为将单相交流电转换成直流高 电压，通过供电线缆[3] 将电能持续地传输到无人机， 赋予无人机长时间续航飞行能力。线缆内芯采用高性 能镍合金材料，用于电力传导，线缆外壳由轻质合成 材料制成，强度高，线缆直径约 3.5 mm。当无人机故 障坠落时，可通过线缆将无人机收回，从而避免人员 进舱带来的风险。

　　3.2.3 辅助装置

　　系留无人机智能检测系统辅助装置包括无人机 桨叶保护罩、系留线缆滑动托坠环、超声波测厚仪、云 台灯和激光雷达可见光融合测绘相机。

　　(1) 无人机桨叶保护罩。由于凝析油舱室舱壁有较 多筋梁，且结构复杂，为防止无人机在舱内失控造成无 人机碰撞损坏，通过在无人机外增加一个保护罩的方 式来防止螺旋桨与舱室物体碰撞。桨叶保护罩采用两 半式镂空轻量化设计和碳纤维材质 (如图4 所示)，重 量轻，几乎不影响无人机操控。保护罩由碳纤维管组 成，通过支点与无人机机臂连接固定，最终形成一个 球形[4]。由于保护罩可承受碰撞力且有一定的弹性， 因此当无人机碰撞舱壁或其他障碍物时可以回弹，从 而解决无人机碰撞损坏问题。

　　(2) 系留线缆滑动托坠环。系留线缆滑动托坠环 的作用防止系留线缆缠绕到无人机内部，造成无人机 螺旋桨损坏。滑动托坠环安装于靠近无人机侧系留线 缆上，托坠环可在线缆上自由滑动，以确保无人机底 部的系留线缆一直保持垂直状态。

       滑动托坠环采用黄铜材质，以满足防爆要求。在 托坠环内部对称布置有 4 个滑动滚轮，滚轮采用聚四 氟乙烯材质，以减小托坠环在滑动过程中的摩擦阻力，在保证滑动顺畅的同时避免损坏系留线缆，托坠 环重量约 400 g(如图 5 所示)。(3) 超声波测厚仪。超声波测厚仪根据凝析油舱舱壁 钢板厚度 (20 mm) 以及涂层厚度 (约2 mm) 进行选择，通 过比选，最终选择重量轻、应用成熟的 Multigauge6000 无人机超声波测厚仪，此款测厚仪由检测探头、安装支 架和耦合剂分配器组成 (如图6 所示)。

　　此型号超声波测厚仪探头能穿透防腐涂层，最大可 穿透 20 mm涂层直接测量金属基体厚度 (如表 2 所示)。超声波测厚仪通过探头支架安装在无人机上，探头支架采用碳纤维材料[5]，支架前端设置有压缩弹簧和锥形保护罩，以保护探头在接触钢结构时不被碰撞损， 并使探头紧密地贴合在检测结构表面。同时探头采用 特殊耦合设计，通过耦合剂分配器将耦合剂泵送到探 头表面完成测量。测量结果通过无线传输信号发送到 接收终端设备，传输距离可达 500 m。

　　(4) 云 台灯。由于凝析油舱室内没有照明光源， 要实现对舱室内部舱壁的外观可视化检查，则需要有 充足的照明。本次选择了与 M300RTK 无人机匹配的 GL60 Plus 云台灯。该灯仅重 750 g，额定功率高达 120 W， 在 150 m 的照射高度下，有效照射面积达 1 225 m2.完 全可以满足对舱室舱壁的目视检查和照片与视频拍摄。

　　(5) 激光雷达可见光融合测绘相机。为实现无人机 自动避障与导航、舱室三维结构建模等需求，为下一次 检测提供定位和检测依据。本次智能化检测方案选择 了能搭配经纬 M300RTK 无人机的大疆禅思 L1 激光雷 达可见光融合测绘相机，其集成搭载了激光雷达模块、 高精度惯导、测绘相机、三轴云台等模块[6]，并配合大 疆智图软件实现三维数据获取和后期三维模型生成。

　　4 系统检验操作

       在开始检测作业前，使用舱内洗舱机对舱室进行 清洗，清洗后使用深舱测氧仪检测舱内气体组分，组 分要满足可燃气体含量低于爆炸下限 (LEL) 的 20%。 然后再进行舱室惰化，惰化后氧含量低于 5%，完成后 即可开展检测工作，无人机搭载云台灯和检测作业步 骤如下 (如图 7 所示) ：

　　(1) 操纵无人机从凝析油舱顶部检修口进入舱 内，检修口形状为方形，尺寸为 0.9 m ×0.9 m，能满足 无人机顺利通过。无人机进入舱室后，自上而下进行 凝析油舱大舱 (凝析油舱室从舱顶直通至舱底部分舱 室) 的检测。

　　(2) 大舱检测完成后，再操纵无人机从大舱与小舱 底部留出的开口进入小舱，完成小舱的检测。大舱与小 舱底部的开口宽 6.9 m，高 1.5 m，无人机可轻松通过。

　　(3) 利用无人机上搭载激光雷达融合测绘相机对 舱室底部的防腐锌块进行扫描和尺寸测量。

      (4) 若检测出舱壁有严重腐蚀或缺陷，则回收无 人机，更换超声波测厚仪对舱壁进行检测。

　　检测完成后，通过软件计算和数据处理，形成舱 室三维模型，同时计算出防腐锌块的损失量，为后续 制定更换计划和评估舱室腐蚀情况提供数据支持。

　　5 结论

　　经计算，完成四个舱室的人工进舱清洗和检验作 业需要约 324 万元，包含清洗人工费 84 万元 (8人× 30 d ×3 500 元 /(人·d))，搭建脚手架费用约 240 万元 (约60元 /舱)。而使 用 智 能化舱 室检验检测 系统进 行检测作业则只需要费用约 100 万元 (5人×10 d × 20 000 元 /(人·d))。因此，采用本文研究的舱室内检 测智能化方案具有以下优势：

　　(1) 直接经济效益—节省费用：相对于传统的人 工进舱检验方式，使用智能化检测系统检测每五年可节 省费用约 224 万元，在 30 年生命周期节省 1 344 万元， 经济价值可观。

　　(2) 间接经济效益—安全效益：开创了智能化 检验代替人工检测方式的先河，避免了人员进入舱室 作业带来的人员坠落以及其他风险，实现了作业的本 质安全。

　　(3) 间接经济效益—产量效益：智能检测作业较 人员进舱检验作业时间更短，避免了长时间作业凝析 油存储空间不足引起的减产产量损失约 1 000 万m3/d。

　　(4) 间接经济效益—技术突破：异形深舱智能 化检测技术的研发与应用，打破传统舱室检测方式， 为不同结构舱室检测提供了技术基础和经验，从而实 现智能化数字化的高效应用。

参考文献：

　　[1] 王锋，逮振坤，周国庆，等. 系留多旋翼无人机技 术进展及设计方法研究[J] . 机械工程师，2019 (4)：68- 72.75.

　　[2] 王永全，李清泉，汪驰升，等. 基于系留无人机的 应急测绘技术应用[J] . 国土资源遥感，2020.32(1)：1-6.

　　[3] 周莹，徐天平，何庆，等. 一种用于系留无人机的 系留线缆：CN202021197588.1[P] . 2020-12-01.

　　[4] 周茂繁. 四旋翼无人机保护罩结构设计[J] . 南方 农机，2019.50(10)：145.

　　[5] 严康烨，韩纪层，夏晓健，等. 无人机搭载镀锌层 厚度测量装置：CN115950347[P] . 2023-04-01.

       [6] 陈朝晖，荆长伟，凌在盈，等. 大疆 L1 无人机激 光雷达在数字高程模型制作中的应用研究[J] . 浙江水利 科技，2023 (2)：102-105.