根據調查機構統(tǒng)計，國外海上風電后期運維過程中，海纜和樁基等水下資產占據了海上風電總體保險賠付金額的92.7%和數(shù)量的55.6%。我國海上風電起步較晚，海上風電場的投運時間普遍較短，但也出現(xiàn)了多起由于樁基礎和海纜故障導致的風電機組以及風電場長期不能正常發(fā)電，發(fā)電企業(yè)承受了巨大的經濟損失。因此，定期開展水下檢測，掌握水下資產健康狀態(tài)，對避免發(fā)橫故障或降低損失具有重要的意義。
目前海上風電水下常規(guī)檢測方法包括由潛水員攜帶水下攝像機或其它檢測設備進行水下作業(yè)，船舶搭載多波束成像聲吶、測掃聲吶或電磁檢測設備進行檢測作業(yè)。近年來，隨著水下機器人在海洋科學研究、海洋工程及戰(zhàn)略高技術等領域得到了廣泛應用。在海上風電領域，有纜遙控水下機器人依靠臍帶電纜提供動力，水下作業(yè)時間長、數(shù)據實時，作業(yè)能力較強，能夠針對檢測作業(yè)類型搭載各類傳感、測量和檢測系統(tǒng)，具備執(zhí)行海上風電水下檢測的能力，得到了廣泛關注。
一、水下機器人簡介及應用現(xiàn)狀
水下機器人的研究始于1953年，最初用于軍事方面的需求，由美國、俄羅斯、日本和法國等國率先研制，同時結合了計算機技術、聲吶技術、水下微光電視、遙控技術和定位導航等技術。后來，海洋石油工業(yè)的迅速發(fā)展帶動了工業(yè)型水下機器人的發(fā)展，北海油田和墨西哥灣油田在1975年使用了第1臺商業(yè)化水下機器人，至今各種類型、各種功能的水下機器人(ROV)數(shù)量已數(shù)不勝數(shù)，有超過400家廠商提供水下機器人生產銷售與技術服務。
水下機器人從與母船之間有無電纜可分為有纜遙控ROV，無纜自治水下機器人(AUV)。按使用目的可以分為觀察級水下機器人與作業(yè)級水下機器人。觀察級水下機器人通常僅搭載圖像采集設備，不攜帶作業(yè)設備，結構上ROV和AUV都有;而作業(yè)級水下機器人除了搭載圖像采集設備之外，還需要攜帶作業(yè)設備(例如機械臂、機械手等)，結構以ROV為主。總體來說，ROV系統(tǒng)可分為水上控制部分、臍帶纜和水下作業(yè)部分。水上部分一般包括電動絞車、控制箱(電源箱、工控機、顯示器等)和手持控制器等。
臍帶纜一般均為零浮力凱夫拉臍帶纜，通過內部的線纜實現(xiàn)供電、數(shù)據傳輸和控制。ROV水下作業(yè)部分的載體結構采用開架式結構，由主體框架、浮體材料、動力系統(tǒng)(推進器)、傳感和控制系統(tǒng)(水下電子倉)以及供電和通訊線纜等部分構成，這樣將ROV內部空間預留給水下定位系統(tǒng)和各類檢測系統(tǒng)，便于設備的安裝和保護，最大限度優(yōu)化ROV的空間結構布局，同時也能保證ROV具有良好的外部擴展性，能夠搭載各類傳感系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和機械手作業(yè)系統(tǒng)。如圖1所示，隨著科技的不斷進步，ROV整體的發(fā)展趨勢向著深海、重型化和多功能作業(yè)，一方面下潛深度不斷增加，另一方面通過搭載多個機械手開展水下調查和作業(yè)。
在海洋石油工程領域，ROV在水下導管架和海底管線施工及運維作業(yè)中得到了廣泛應用，主要包括地貌調查、導管架定位、引導插樁、監(jiān)控打樁、輔助作業(yè)、導管架調查、海底管線屬下觀測、電位測量、管線懸跨測量、水下作業(yè)等工作。
圖1 ROV發(fā)展歷程
在電力領域，ROV在水電站大壩檢測、核電站水池作業(yè)以及海上風電水下檢測領域均有一定程度的應用。在歐洲、美國等海上風電場，通常由專業(yè)的服務公司運用ROV提供海底工程和相關的檢測服務工作。2022年，法國電力集團(EDF)和海上機器人資產認證中心(ORCA)聯(lián)合使用ROV首次實現(xiàn)了風電場水下基礎的自主檢測。由于國外海上風電場普遍水深較深，海洋水質環(huán)境好，深水環(huán)境下水流較為穩(wěn)定，和海上石油平臺環(huán)境類似，通常借鑒和沿用海洋石油工程的ROV和檢測作業(yè)內容，使用的ROV重量也普遍在500kg以上，主要的生產廠商包括SharkMarine、Fugro和Oceaneering等。
在國內海上風電領域，近年來也逐漸開始嘗試使用ROV攜帶光學或聲吶設備對水下結構進行觀察。但由于我國海上風電項目還基本處于近海，存在著水深較淺、海水較為渾濁、水下地形復雜、流速快、障礙物多等不利因素，使用小型ROV抗流能力差、檢測手段單一，作業(yè)受到海況嚴重制約，作業(yè)效率差。使用海油工程中的作業(yè)型ROV又存在體積重量大、設計環(huán)境和近海實際作業(yè)環(huán)境不匹配、對母船要求高、設備昂貴且維護不便等問題。
二、海上風電場水下檢測需求分析
我國海上風電起步較晚，盡管近年來發(fā)展迅猛，但整體技術水平特別是水下領域和國外還有一定差距，我國海域特點又與國外具有較大差別，同時“搶裝潮”也在一定程度上影響了工程質量，基建過程中水下隱蔽工程施工缺乏有效監(jiān)測，導致在投運后出現(xiàn)了較多問題。
⒈樁基礎結構檢測需求
樁基礎結構常見問題包括水下鋼結構及附件損傷、變形以及海生物的附著，犧牲陽極海生物附著、過量消耗和保護效果下降，以及基礎沖刷嚴重導致機組振動超標和長時間停機等。針對上述問題，檢測作業(yè)需求主要包括：
⑴外觀檢查： 檢查鋼結構、套籠外表面完整性，是否存在凹陷等明顯形變、腐蝕、防腐涂層損傷和構件缺失;檢查外表面海生物附著情況，包括覆蓋率、厚度和類型。
⑵犧牲陽極檢查： 犧牲陽極結構是否完整，是否有破碎、脫落以及固定支架是否完好，犧牲陽極表面海生物附著情況，以及腐蝕范圍、白色覆蓋程度。犧牲陽極尺寸，如耗蝕超過2/3，應進行更換。
⑶基礎沖刷檢測： 檢查水下結構基礎的沖刷淤積情況、結構附近的掉落或沉淀物情況;測量沖刷或堆積的范圍、深度和高度。
⑷海生物清理： 清理附著在水下結構和犧牲陽極表面的海生物。
⑸防腐檢測： 測量水下結構和犧牲陽極的電位，經保護的鋼結構點位必須低于−0.8V，評估防腐系統(tǒng)性能和保護效果;測量特定防腐涂層厚度。
⑹金屬無損探傷： 對水下結構損傷部位、連接點、管節(jié)點和焊縫進行無損探傷，確定缺陷開始位置、結束位置以及缺陷長度、深度。
⒉海底電纜檢測需求
海底電纜常見問題包括海纜保護裝置(海纜中心夾具、彎曲限制器)損壞失效;海纜受到海生物、潮汐、洋流和海事活動(錨害)的影響引發(fā)鎧裝層、絕緣層損壞以及過負荷引起的絕緣擊穿導致海纜短路故障，影響系統(tǒng)的正常運行;海纜故障點的精確定位和查找困難等。針對上述問題，檢測作業(yè)需求主要包括：
⑴裸露海纜檢測： 檢查裸露海纜外觀，是否存在懸掛、彎曲和破損等;測量裸露海纜的長度、彎曲半徑等數(shù)據是否和設計一致。
⑵接入端海纜檢測： 檢查接入端海纜保護裝置完整性，有無破和缺失;測量海纜和喇叭口夾角、入泥夾角和裸露長度等是否和設計數(shù)據一致。
⑶掩埋海纜路由和埋深檢測： 測量掩埋海纜的絕對經緯度位置和深度，確定海纜的路由信息。
⑷海纜故障點定位： 在海纜發(fā)生故障后，精確定位故障點經緯度位置和故障點損壞情況，為故障處理和修復提供關鍵數(shù)據。
三、ROV檢測技術
ROV具備高效、大深度、長時間水下作業(yè)和自動化作業(yè)等優(yōu)點，特別是能夠搭載多種類型檢測系統(tǒng)完成水下檢測作業(yè)和故障點的定位，可使用的水下檢測技術和搭載的檢測設備主要可以分為以下幾類。
⒈光學檢測
光學檢測主要是指通過水下攝像機獲取高質量的水下目標圖像，適用于水質條件較好的海域。光學攝像機的分辨率一般要求大于1080p，光照靈敏度大于0.001lux，視角可達到110°。水下攝像機一般安裝在ROV上的獨立外置云臺和框架上，云臺的俯仰控制一般可以達到±90°，有效擴展了觀察范圍。如果水深較深，能見度較低，則可以通過在云臺和框架上可以補充安裝多個照明燈提高可見度，單個照明燈光通量可達到8000lm。水下攝像機往往還設有激光標尺，可以在一定程度上對目標物長度進行測量，激光點間距應超過0.5m。
受到ROV自身運動保持能力和外部海流等因素的干擾，高分辨率水下攝像機必須靠近目標物才能獲取較高質量的圖像，因此ROV的抗流能力和運動控制的穩(wěn)定性至關重要。在水質較為渾濁的海域，通過偏振光成像技術和軟件的后處理可以在一定程度上實現(xiàn)目標圖像增強。見圖2。
圖2 裸露海纜可見光圖像
⒉聲學檢測
聲學是水下檢測的常用檢測技術之一，可供ROV搭載的主要設備包括多波束圖像聲吶和機械掃描聲吶。
⑴多波束圖像聲吶
該類型聲吶的成像原理是通過發(fā)射換能器發(fā)射聲波，在一定空間內形成多個垂直航向分布的窄波束，記錄回波獲取多個波道信息，實時生成二維/三維圖像數(shù)據。如TeledyneBlueViewM900圖像聲吶，其最大量程可達到100m，最優(yōu)量程可在2m～60m，量程分辨率0.025m，圖像更新率達到25Hz，視野區(qū)域達130°。3D圖像聲吶CodaEchoscope的量程范圍為1m～120m，量程分辨率0.03m，圖像更新率達到12Hz，視野角度50°×50°，可以從每次聲波傳輸中生成一個由逾16000個探測點組成的完整三維模型。
多波束圖像聲吶一般和水下攝像機共同搭載在ROV前方的云臺上，相對于可見光成像，圖像聲吶成像距離遠，受水質和水下光線影響小等特點。如圖3所示，ROV搭載圖像聲吶主要用于導航和目標識別、檢測，同時具有面積測量、長度測量等功能。
圖3 多波束圖像聲吶成像圖
此外，還有針對渾濁水域的渾水聲吶ARISExplorer系列，可采用1.8MHz高頻聲波發(fā)射和接收，有效量程可達15m，成像數(shù)據更新率可達15Hz。如圖4所示，ROV搭載ARIS渾水聲吶具有更加清晰的成像效果，但視野區(qū)域將嚴重受到限制，僅有28°。
圖4 渾水聲吶成像
⑵機械掃描聲吶
機械掃描聲吶一般包括單波束機械掃描聲吶和3D機械掃描聲吶單波束機械掃描聲吶的成像原理是利用發(fā)射基陣向水中發(fā)射聲脈沖，通過目標產生的脈沖回波對水下目標進行測距、定位以及識別。然后聲吶探頭以一定的角度步進旋轉，再次重復發(fā)射和接收過程，旋轉360度后形成一幅完整的二維海底圖像。相對于多波束圖像聲吶，機械掃描聲吶能夠獲得范圍更大的、更精確的海底圖像，其測量量程可達到0.5m～300m，距離分辨率可達到0.03m。如圖5所示，通過ROV搭載MS1000單波束機械式掃描聲吶在合適海底位置坐底并進行掃描，能夠獲得樁基礎周圍的二維精確圖像數(shù)據，并可計算水下結構距離、海底沖坑的面積，裸露海纜的長度等關鍵數(shù)據。
圖5 單波束機械掃描聲吶測量
3D機械掃描聲吶，其測量原理是聲吶頭發(fā)射1個頻率為脈沖信號形成1個的扇形掃描區(qū)域，系統(tǒng)接收到目標物反射的信號后，結合波束形成、波束指向、振幅及相位檢測等技術生成1個2D圖像(幀)，再通云臺在水平方向上360°旋轉，實現(xiàn)檢測目標物不同部位的位置信息，最終生成3D結構圖像。
除了單角度掃描，還可使聲吶依次向上或向下傾斜一定的角度之后再進行水平方向的旋轉掃描。掃描的區(qū)域是一個球形，球形掃描比單角度掃描范圍更廣，且有部分掃描區(qū)域重疊。點云的密度更大，精度更高，但由于是多個傾斜角度依次掃描，掃描時間是單角度掃描的若干倍。3D機械掃描聲吶Teledyne Blue View BV5000的測量范圍可以達到1m～30m，最小的距離分辨率可以達到0.015m。如圖6所示，使用ROV搭載BV5000在合適海底位置進行坐底后進行掃測，能夠獲得樁基礎周圍的三維精確點云數(shù)據，通過點云處理軟件可計算水下結構距離、海底沖坑的面積，高度/深度、裸露海纜的長度和夾角等關鍵數(shù)據。
圖6 三維機械掃描聲吶測量
⒊電學檢測
電學檢測主要使用電位計測量水下結構和犧牲陽極的電位，以確認陰極保護的有效性。如可供ROV搭載的PolatrakCP探針量程為0至−1999mV，精度達到±5mV。
如圖7所示，在測量電位前，應使用高壓水槍或者空化射流噴頭清理表面附著的海生物，再操作ROV使探針和金屬結構表面進行持續(xù)的緊密接觸測量。在實際測量過程中，被選擇的陽極平均分布在導管架的不同側面和不同水平層上，對外觀檢查到陽極耗蝕嚴重位置、或陽極不起作用位置應重點檢查。
圖7 CP探針檢測電位
⒋磁學檢測
磁學檢測是目前應用廣泛、切實有效的水下檢測技術之一。針對水下結構金屬無損檢測和針對海底掩埋海底電纜的檢測技術又有所區(qū)別，包括以下4類。
⑴金屬結構ACFM技術
交流電磁場測量法(ACFM)的基本原理是交流電流在待測導電試件表面及附近產生感應電流，進而在試件表面產生感應磁場，通過對試件表面磁感磁場特征的測量，反演判斷試件表面的裂紋信息。ACFM檢測具有無需接觸、可穿透涂層進行測量、可準確測量裂紋長度和深度、待測表面清潔度要求低、對材料性質變化不敏感、對探頭的升降不敏感，檢測效率高、測量要求相對簡單等優(yōu)點，因此也廣泛應用在水下金屬結構的無損探傷。
針對水下結構不同的檢測部位，需要ROV通過配置的機械臂、探測小車等特殊結構搭載不同類型的檢測探頭。如圖8所示，英國TSCAmigo2檢測系統(tǒng)就具有標準焊縫探頭、鉛筆式探頭、提方式陣列探頭和掃查式陣列探頭等多種專用探頭和搭載裝置。
圖8 ROV機械臂搭載提放式陣列探頭
ACFM系統(tǒng)通過探頭測量焊縫等關鍵位置的Bx信號、Bz信號和蝶形圖數(shù)據，實現(xiàn)缺陷的在線判定。如圖9所示，當存在缺陷時，Bx信號有波谷出現(xiàn)，Bz信號有波峰和波谷出現(xiàn)，蝶形圖出現(xiàn)缺陷環(huán)。
圖9 ACFM檢測數(shù)據分析
⑵海纜絕對磁場測量技術
使用ROV搭載共振磁力儀、磁通門磁力儀以及磁梯度儀等傳感器，測量海纜鎧裝層對地磁場的影響(磁異常)，已知的磁場分布規(guī)律對比后可對海纜進行定位。但磁力儀易受到強磁噪聲、載體推進器以及其他傳感器噪聲的干擾，同時在進行海纜的埋深反演時還需要考慮各種測量誤差。
⑶海纜有源檢測技術
有源檢測技術主要通過ROV搭載的探測系統(tǒng)識別海纜正常運行期間的工頻交流信號，以及在海纜故障期間注入的外加特定頻率的交流信號，并進行分析處理，獲得海纜和ROV的位置關系，結合ROV自身搭載的慣性導航、DVL多普勒計程儀和USBL超短基線的高精度融合定位數(shù)據，計算海纜精確位置和埋深數(shù)據。英國TSS350系統(tǒng)可探測周圍10m范圍左右的電纜信號，系統(tǒng)精度可達到0.1m，但如圖10所示，由于各種噪聲源的干擾以及電磁信號的衰減，ROV需要始終保持穩(wěn)定運行在目標海纜左右有效測量距離內。
圖10 海底電纜路由和埋深檢測
⑷脈沖感應技術
由于海底電纜包含加強鋼絲和鎧裝層等金屬材料，通過探測金屬材料對外源電磁場的影響而實現(xiàn)對海纜的檢測，無需向海纜注入額外信號。使用ROV搭載英國TSS440系統(tǒng)，系統(tǒng)包括3個線圈及高度計，在不接地回線中輸入交變電流產生變化的磁場，海底電纜感應此磁場產生2次磁場，最終由接受線圈接受2次磁場所對應的感應電壓，從而確定海纜和ROV的距離，配合高度計可探測埋深，但檢測效果受檢測目標的響應能力(即目標物體積)和周圍的磁性物質影響較大。
四、結論
近年來，我國海上風電的快速發(fā)展，水下檢測的需求不斷增長，而隨著海上風電向深遠海發(fā)展，單純依靠船載測量系統(tǒng)和潛水員作業(yè)已經無法滿足未來的需求。ROV作為水下檢測和作業(yè)系統(tǒng)的搭載平臺，勢必會在未來發(fā)揮更大的作用。本文對存在的問題和發(fā)展趨勢進行了整理和分析。
⑴提高檢測技術的準確度，采用多種類型檢測相結合，精準評估水下資產的健康狀態(tài)，保障海上風電的安全穩(wěn)定運行水下環(huán)境復雜多變，同時面對各種嚴重的干擾。空氣中有效的檢測技術在水中或者無法應用，或者效果不佳。目前水下檢測可采用水下光學、聲學、電學、磁學等不同的檢測手段具有不同的優(yōu)勢和局限性，一方面應當在檢測技術上進行研究和探索，不斷提高檢測的準確度，另一方面要將各個孤立的檢測系統(tǒng)的測量數(shù)據相融合，構建水下資產健康的評估模型，精確掌握設備狀態(tài)，才能對海上風電的基建和生產運維起到幫助作用，促進海上風電的持續(xù)健康發(fā)展。
⑵針對我國海上風電的實際情況，開發(fā)適用于海上風電水下檢測作業(yè)的專用ROV我國的海上風電的情況和國外海上風電、海洋石油行業(yè)均有所不同，目前我國海上風電項目已經實現(xiàn)平價上網，降低后續(xù)運維成本是降低海上風電成本的關鍵。因此，設備購置、使用和維護成本對ROV在海上風電的應用至關重要，海洋石油行業(yè)上廣泛使用的進口大型作業(yè)級ROV在海上風電行業(yè)并不適用。此外，面對近海海況復雜、潮流影響大、作業(yè)窗口期短、檢測作業(yè)項目多、專業(yè)運維船舶不足等問題，采用通用的ROV已經無法很好的滿足需求，應針對性的開發(fā)適用近海高抗流、模塊化設計、可供多種檢測設備搭載的海上風電專業(yè)ROV。
⑶加快水下關鍵傳感器、檢測系統(tǒng)的國產替代進度，避免“卡脖子”目前用于海上風電檢測的ROV基本上已經能實現(xiàn)國產化，但ROV搭載的關鍵傳感器和檢測系統(tǒng)基本由國外產品壟斷。盡管有部分關鍵設備正在開展國產化工作，但實際效果和國外產品還有較大差距。雖然我國近年來在深海和軍事領域的聲吶等水下傳感器取得了一定進步，但海上風電位于近海，檢測目標距離近、測量精度要求高，兩者的技術路線也存在較大差異。面對復雜的國際形勢，各種關鍵設備不斷面對禁運的威脅，所以不論是應用單位、生產廠商還是高校科研單位，應積極聯(lián)合，共同加快海洋高端裝備的國產替代進程。
⑷運用人工智能技術，提高ROV的智能化水平目前ROV基本具備了一定的自動化水平，但在進行水下檢測作業(yè)時基本由操作人員在甲板上控制臺遙控作業(yè)，操作人員容易受到天氣、海浪等環(huán)境因素的影響，從而影響水下檢測的效率和準確性。針對海上風電場通訊條件較好的情況，應利用海上風電場通訊條件較好，開發(fā)ROV遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)檢測數(shù)據同步回傳和專家遠程診斷指導。隨著人工智能和深度學習算法的不斷發(fā)展，進一步開展基于深度學習的水下目標檢測、識別和路徑規(guī)劃算法的研究和應用工作，從而實現(xiàn)自主化檢測作業(yè)，降低對操作人員技術水平和身體狀態(tài)的依賴程度。
