CN112894895B - 一种海底光缆剪切器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海底光缆剪切器，该海底光缆剪切器，总体尺寸较小，水中重量较轻，不超过10kg。小型、中型和大型ROV均可搭载使用；具有较强的剪切能力，可破断直径Φ30mm的海底光缆。光纤布置于海底光缆中心处，外围由多根直径Φ4mm、抗拉强度1080MPa的80号优质碳素结构钢丝组成的金属铠装层防护，最外层由8mm厚的浸沥青麻绳包裹；剪切速度可达到微秒级，可大幅度提高光缆维修作业效率；适用于1000米以浅的海域作业，最大远程操作距离不小于2km，可保证当前及今后相当长一段时间海洋石油开发领域海底光缆维修保障的需求。

Description

一种海底光缆剪切器
技术领域
本发明涉及一种海底光缆剪切器，属于海洋石油开发领域。
背景技术
海洋石油固定式采钻平台(或油轮)间的通讯传输通常都是由铺设在海底的光缆实现的。近年来，随着海洋石油开发不断向深海发展，海底光缆的铺设深度也逐步增加。目前，南海各油田的海底光缆铺设深度平均为100m左右，正在开发的深水项目将达到180m水深。但是这也给海底光缆的故障维修带来了新的困难与挑战。
海底光缆的故障维修通常包括水下调查、故障点定位、掩埋点标记、水下剪切、打捞、故障处理、续接、下放等过程，其中水下剪切是个非常重要、却又十分困难的环节。在渤海海域，由于水深只有30m左右，一般由潜水员参与完成；但是在南海超过100m的水深进行维修作业，潜水员使用空气潜水方式根本无法到达，只有采用成本非常高昂的饱和潜水资源才能到达工作位置，而一旦工作水深超过120m，饱和潜水作业本身也存在很大的风险，致使维修作业无法实施。而水下机器人(ROV)是一种工作于水下的极限作业系统，通常可携带维修工具，下潜至1000m水深完成作业。
海底光缆剪切器作为一种可搭载于水下机器人的重要维修工具，可完成深水海底光缆打捞前的剪切工作，应具有便于搭载水下机器人、较强的剪切能力和大范围的作业深度等特点，将逐步成为海洋石油开发领域海底光缆维修保障性技术研究的重点和热点之一。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种海底光缆剪切器，具有尺寸小、水中重量轻、剪切力强、剪切速度快、可大深度作业、可远程操作等特点。
一种海底光缆剪切器，包括声通信舱(1)和剪切组(4)；所述声通信舱(1)用于接收和处理声学信号，并按起爆要求向剪切组(4)输出起爆电流；
所述剪切组(4)包括弹膛(54)、动刀(56)、定刀(60)、旋转挡板(49)、刀架(58)、锁紧摆杆(46)、锁紧压板(47)、销轴(48)、支撑弧形板(50)、扭簧(51)、击发部件(52)、空包弹(53)；弹膛(54)为中空壳体，右端与同为空心壳体结构的刀架(58)对接；击发部件(52)和空包弹(53)置于弹膛(54)中；刀架(58)中部开有一个凹槽；所述旋转挡板(49)包括一体加工的上段的条形板和下段的弧形板，两者交接处通过销轴(48)连接到凹槽的左端端部，可绕销轴(48)顺时针转动；初始时，上段的条形板伸出凹槽的上方，下段弧形板容纳于凹槽内；下段弧形板外表面设有一个凸起；销轴(48)下方的刀架(58)上设置第二销轴，锁紧压板(47)的下端连接在第二销轴上，初始时，上端卡在锁紧摆杆(46)的卡槽内，当旋转挡板(49)转动后，其上凸起拨动锁紧摆杆(46)，锁紧压板(47)从锁紧摆杆(46)的卡槽中脱出，并可在扭簧(51)的驱动下，绕第二销轴顺时针转动，最终转到所述凹槽中，压紧其内的光缆；
所述动刀(56)置于凹槽左侧的刀架(58)内部，并可在刀架(58)中移动；定刀(60)固定在凹槽右侧的刀架内部。
进一步的，还包括位于声通信舱(1)和剪切组(4)之间的减震器组(2)；减震器组(2)包括两个减振器底座(37)、四个万向钢丝绳减振器(40)和转接舱组件(41)；两个减振器底座(37)之间连接四个万向钢丝绳减振器(40)；一侧的减振器底座(37)连接声通信舱(1)，另一侧的减振器底座(37)通过转接舱组件(41)连接剪切组(4)。
较佳的，所述转接舱组件(41)包括转接板(42)、容线舱(43)和锁紧螺母(44)；转接板(42)左侧连接减振器底座(37)，右侧固连容线舱(43)，锁紧螺母(44)套接在容线舱(43)的右端，并可绕容线舱(43)转动。
较佳的，所述声通信舱(1)包括水密连接器(14)、壳体(16)、电池部件(17)、水听器(19)和声处理模块(21)；其中水密连接器(14)安装在壳体(16)的左端，用于将外部电源引入壳体(16)内部的声处理模块(21)，对其供电；水听器(19)安装在壳体(16)外壁上，用于外部数据的接收和发送；声处理模块(21)根据从外部接收的数据，按要求转换电池部件(17)的输入电流，使声处理模块(21)向剪切组(4)输出电流满足起爆要求。
较佳的，所述电池部件(17)包括下法兰(26)、电池支撑座(28)、电池安装座(29)、电池(31)和电池压板33；电池(31)固定安装在电池压板33和电池安装座(29)之间；电池安装座(29)通过两个电池支撑座(28)固连在下法兰(26)内侧；水密连接器(14)安装在下法兰(26)的中部通孔中。
较佳的，声处理模块(21)包括声学控制板(34)、电路板安装座(35)和上法兰(36)；声学控制板(34)通过电路板安装座(35)安装在上法兰(36)上，上法兰(36)固定在所述壳体(16)内壁上。
较佳的，所述壳体(16)包括顺次连接的长柱壳(23)、转接壳(24)和短柱壳(25)；所述电池部件(17)位于长柱壳(23)内；声处理模块(21)位于转接壳(24)和短柱壳(25)内。
进一步的，还包括捕捉头(63)，固定于刀架(58)的前端；捕捉头(63)上短下长，两端之间通过弧形结构过渡连接。
较佳的，击发部件(52)包括固定螺塞(67)、插针(64)、插座(65)、击针(66)、击针顶块(69)、调整螺套(70)、压簧(72)；
击针顶块(69)为中空结构，后端固定插座(65)，插座(65)有一通孔，通孔后端固定插针(64)；击针顶块(69)的后端外部固定连接固定螺塞(67)；固定螺塞(67)安装到弹膛54中；击针(66)安装在击针顶块(69)的通孔中，其后端与插座(65)焊接成一体；前端伸出击针顶块(69)，与空包弹(53)接触；击针(66)设有一圈凸起；击针顶块(69)通孔中螺纹连接有调整螺套(70)，可以在通孔中前后移动；凸起与调整螺套(70)之间设置压簧(72)。
较佳的，击针顶块(69)与固定螺塞(67)之间设置绝缘套(71)；击针顶块(69)前端端部设置有绝缘片(75)。
本发明具有如下有益效果：
(1)该海底光缆剪切器，总体尺寸较小，水中重量较轻，不超过10kg。小型、中型和大型ROV均可搭载使用；
(2)具有较强的剪切能力，可破断直径Φ30mm的海底光缆。光纤布置于海底光缆中心处，外围由多根直径Φ4mm、抗拉强度1080MPa的80号优质碳素结构钢丝组成的金属铠装层防护，最外层由8mm厚的浸沥青麻绳包裹；
(3)剪切速度可达到微秒级，可大幅度提高光缆维修作业效率；
(4)适用于1000米以浅的海域作业，最大远程操作距离不小于2km，可保证当前及今后相当长一段时间海洋石油开发领域海底光缆维修保障的需求。
附图说明
图1和图2是本发明的海底光缆剪切器结构示意图；
图3是图1的局部放大图；
图4是本发明的声通信舱结构示意图；
图5是声通信舱的壳体结构示意图；
图6是电池部件的结构示意图；
图7是声处理模块的结构示意图；
图8是本发明的减振器组的结构示意图；
图9是转接舱组件的结构示意图；
图10-图19均是本发明所述的剪切组的结构示意图；
图10-图12为捕捉海底光缆过程；
图13是图10的俯视图；
图14是旋转挡板的立体图；
图15-图17为海底光缆剪切过程；
图18是图15的左视图；
图19是击发部件的结构示意图。
其中：1-声通信舱、2-减振器组、3-水密电缆、4-剪切组、5-内六角螺钉、6-平垫圈、7-弹垫圈、8-六角螺母、9-六角螺母、10-平垫圈、11-弹垫圈、12-O形密封圈、13-O形密封圈、14-水密连接器、15-挡板、16-壳体、17-电池部件、18-十字槽螺钉、19-水听器、20-水听器罩、21-声处理模块、22-O形密封圈、23-长柱壳、24-转接壳、25-短柱壳、26-下法兰、27-内六角螺钉、28-电池支撑座、29-电池安装座、30-拉杆、31-充电锂电池、32-纤维加强胶带、33-电池压板、34-声学控制板、35-电路板安装座、36-上法兰、37-减振器底座、38-十字槽螺钉、39-弹垫圈、40-万向钢丝绳减振器、41-转接舱组件、42-转接板、43-容线舱、44-锁紧螺母、45-十字槽螺钉、46-锁紧摆杆、47-锁紧压板、48-销轴、49-旋转挡板、50-支撑弧形板、51扭簧、52-击发部件、53-空包弹、54-弹膛、55-O型圈、56-动刀、57-扣紧螺母、58-刀架、59-限位弯杆、60-定刀、61-活动横板、62-顶紧螺塞、63-捕捉头、64-插针、65-插座、66-击针、67-固定螺塞、68-O形密封圈、69-击针顶块、70调整螺套、71-绝缘套、72-压簧、73-弹簧座、74-绝缘环、75-绝缘片。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明做进一步的详细描述。
如图1-图3所示一种海底光缆剪切器，包括声通信舱1、减振器组2、水密电缆3和剪切组4。声通信舱1与减振器组2之间通过多个内六角螺钉5、平垫圈6、弹垫圈7和六角螺母8连接固定；减振器组2与剪切组4之间通过螺纹连接固定，并压紧端面处的O形密封圈13实现密封；水密电缆3的两端均通过六角螺母9、平垫圈10、弹垫圈11和O形密封圈12，分别与声通信舱1和减振器组3实现连接固定和密封。其中水密电缆3贯穿减振器组2，用于声通信舱1向剪切组4供电，即水密电缆3一端与声通信舱中的电源相连，向剪切组4提供起爆电流。
如图4-图7所示，声通信舱1用于系统上电，接收和处理声学信号，并按起爆要求输出起爆电流。包括水密连接器14、壳体16、电池部件17、水听器19和声处理模块21；其中水密连接器14用于系统上电；水听器19用于数据接收和发送；声处理模块21用于数据处理并按要求转换电池部件17的输入电流，使声处理模块21的输出电流满足起爆要求。
水密连接器14通过六角螺母9与电池部件17连接固定，并压紧端面处的O形密封圈12实现密封，其尾部导线与声处理模块21连接；电池部件17与壳体16的一端之间通过多个内六角螺钉5、平垫圈6、弹垫圈7、六角螺母8和挡板15连接固定，并通过O形圈22实现密封，电池部件17引出导线与声处理模块21连接；声处理模块21与壳体16另一端之间靠减振器组3的挤压力实现固定，通过O形圈22实现密封；水听器19与壳体16之间通过六角螺母9固定，通过两个O形密封圈12实现密封；水听器19引出导线与声处理模块21连接；水听器罩20通过多个十字槽螺钉18固定于壳体16上，用于保护水听器19。
壳体16由长柱壳23、转接壳24和短柱壳25焊接成一体，实现密封和抵抗外水压的能力。
电池部件17包括下法兰26、电池支撑座28、电池安装座29、拉杆30和电池31、电池压板33等组成。其中下法兰26、两个电池支撑座28和电池安装座29之间通过多个内六角螺钉27连接固定；电池处于电池安装座29和电池压板33之间，通过两个拉杆30、多个平垫圈6和六角螺母8压紧固定；纤维加强胶带32沿电池31圆周方向多层缠绕，加强电池31和两个拉杆30之间的固定。
声学控制板34、电路板安装座35和上法兰36之间通过多个内六角螺钉27连接固定，形成声学处理模块21。
如图8-图9所示，两个减振器底座37、四个万向钢丝绳减振器40和转接舱组件41通过多个十字槽螺钉38、弹垫圈39、内六角螺钉5、平垫圈6、弹垫圈7和六角螺母8连接为整体，构成减振器组2，其中钢丝绳减振器40有一定的弹性，可起到缓冲作用。
转接舱组件41的特征是转接板42和容线舱43焊接在一起，锁紧螺母44可绕容线舱灵活转动。
如图10-图19所示，当海底光缆接近剪切组4时，会被卡入旋转挡板49的十字槽内，并在压力的驱动下使旋转挡板49绕销轴48顺时针转动；当海底光缆靠近支撑弧形板50时，旋转挡板49上的凸起拨动锁紧摆杆46逆时针转动，同时解除锁紧摆杆46对锁紧压板47的限位，致使锁紧压板47在扭簧51的弹性力作用下绕另一个销轴48顺时针旋转，直到压紧海底光缆为止，从而实现了海底光缆的捕捉。其中支撑弧形板50通过多个十字槽螺钉45固定于刀架58上；锁紧摆杆46通过六角螺母8限位；锁紧压板47和扭簧51通过销轴48限位；旋转挡板49通过另一个销轴48限位。
当海底光缆被捕捉后，ROV水面平台上的声学设备会向海底光缆剪切器发出声学信号，声通信舱1收到声学信号后向两路击发部件52发送击发起爆电流，两路空包弹53内的火药燃烧，形成的高压气体推动动刀56沿着刀架58内部的轨道向前高速运动，将光缆挤压致彻底断裂后停止。其中击发部件52通过螺纹与弹膛54连接，弹膛54与刀架58通过扣紧螺母57连接，限位弯杆59焊接于刀架58上，定刀60靠活动横板和顶紧螺塞62固定于刀架58上。多个O型圈55在动刀56与弹膛54之间形成密封，保证弹膛54内部的水密性。
捕捉头63通过两个内六角螺钉27固定于刀架58的前端；如图15和18所示，捕捉头63上短下长，两端之间通过弧形结构过渡连接；剪切器通过机械手带动插到光缆下方，捕捉头63的铲状结构捕捉到光缆后，光缆沿着刀架58向后移动，直到接近剪切组4，被卡入旋转挡板49的十字槽内。
击发部件52由两部分组成，一部分是固定螺塞67和O形密封圈68，完成与弹膛54的连接和密封，并形成接地，即负极；另一部分是插针64、插座65、击针66、击针顶块69、调整螺套70、压簧72和弹簧座73组成导电的正极，其中调整螺套70、压簧72和弹簧座73用于击针66的复位，达到重复利用的目的；绝缘套71、绝缘环74和绝缘片75用于以上两部分的绝缘。
击针顶块69为中空结构，后端固定插座65，插座65有一通孔，通孔后端固定插针64；击针顶块69的后端外部固定连接固定螺塞67，两者之间设置绝缘套71；固定螺塞67安装到弹膛54中，固定螺塞67外圆设置密封圈68，用于密封。击针66安装在击针顶块69的通孔中，其后端与插座65焊接成一体；前端伸出击针顶块69，与空包弹53接触；击针66设有一圈凸起；击针顶块69通孔中螺纹连接有调整螺套70，可以在通孔中前后移动；凸起与调整螺套70之间设置压簧72。调整螺套70前后移动可以调整压簧72的弹力。击发部件52安装到剪切器中时，击针66前端与空包弹53上的电底火挤压并接触。插针64接收外部的起爆电流，通过插座65、击针66传到空包弹53上的电底火，电底火起爆后引爆空包弹53内部主装药。

Claims (10)

1.一种海底光缆剪切器，其特征在于，包括声通信舱(1)和剪切组(4)；所述声通信舱(1)用于接收和处理声学信号，并按起爆要求向剪切组(4)输出起爆电流；
所述剪切组(4)包括弹膛(54)、动刀(56)、定刀(60)、旋转挡板(49)、刀架(58)、锁紧摆杆(46)、锁紧压板(47)、销轴(48)、支撑弧形板(50)、扭簧(51)、击发部件(52)、空包弹(53)；弹膛(54)为中空壳体，右端与同为空心壳体结构的刀架(58)对接；击发部件(52)和空包弹(53)置于弹膛(54)中；刀架(58)中部开有一个凹槽；所述旋转挡板(49)包括一体加工的上段的条形板和下段的弧形板，两者交接处通过销轴(48)连接到凹槽的左端端部，可绕销轴(48)顺时针转动；初始时，上段的条形板伸出凹槽的上方，下段弧形板容纳于凹槽内；下段弧形板外表面设有一个凸起；销轴(48)下方的刀架(58)上设置第二销轴，锁紧压板(47)的下端连接在第二销轴上，初始时，上端卡在锁紧摆杆(46)的卡槽内，当旋转挡板(49)转动后，其上凸起拨动锁紧摆杆(46)，锁紧压板(47)从锁紧摆杆(46)的卡槽中脱出，并可在扭簧(51)的驱动下，绕第二销轴顺时针转动，最终转到所述凹槽中，压紧其内的光缆；
所述动刀(56)置于凹槽左侧的刀架(58)内部，并可在刀架(58)中移动；定刀(60)固定在凹槽右侧的刀架内部。
2.如权利要求1所述的海底光缆剪切器，其特征在于，还包括位于声通信舱(1)和剪切组(4)之间的减震器组(2)；减震器组(2)包括两个减振器底座(37)、四个万向钢丝绳减振器(40)和转接舱组件(41)；两个减振器底座(37)之间连接四个万向钢丝绳减振器(40)；一侧的减振器底座(37)连接声通信舱(1)，另一侧的减振器底座(37)通过转接舱组件(41)连接剪切组(4)。
3.如权利要求2所述的海底光缆剪切器，其特征在于，所述转接舱组件(41)包括转接板(42)、容线舱(43)和锁紧螺母(44)；转接板(42)左侧连接减振器底座(37)，右侧固连容线舱(43)，锁紧螺母(44)套接在容线舱(43)的右端，并可绕容线舱(43)转动。
4.如权利要求1所述的海底光缆剪切器，其特征在于，所述声通信舱(1)包括水密连接器(14)、壳体(16)、电池部件(17)、水听器(19)和声处理模块(21)；其中水密连接器(14)安装在壳体(16)的左端，用于将外部电源引入壳体(16)内部的声处理模块(21)，对其供电；水听器(19)安装在壳体(16)外壁上，用于外部数据的接收和发送；声处理模块(21)根据从外部接收的数据，按要求转换电池部件(17)的输入电流，使声处理模块(21)向剪切组(4)输出电流满足起爆要求。
5.如权利要求4所述的海底光缆剪切器，其特征在于，所述电池部件(17)包括下法兰(26)、电池支撑座(28)、电池安装座(29)、电池(31)和电池压板(33)；电池(31)固定安装在电池压板(33)和电池安装座(29)之间；电池安装座(29)通过两个电池支撑座(28)固连在下法兰(26)内侧；水密连接器(14)安装在下法兰(26)的中部通孔中。
6.如权利要求4所述的海底光缆剪切器，其特征在于，声处理模块(21)包括声学控制板(34)、电路板安装座(35)和上法兰(36)；声学控制板(34)通过电路板安装座(35)安装在上法兰(36)上，上法兰(36)固定在所述壳体(16)内壁上。
7.如权利要求4所述的海底光缆剪切器，其特征在于，所述壳体(16)包括顺次连接的长柱壳(23)、转接壳(24)和短柱壳(25)；所述电池部件(17)位于长柱壳(23)内；声处理模块(21)位于转接壳(24)和短柱壳(25)内。
8.如权利要求4所述的海底光缆剪切器，其特征在于，还包括捕捉头(63)，固定于刀架(58)的前端；捕捉头(63)上短下长，两端之间通过弧形结构过渡连接。
9.如权利要求4所述的海底光缆剪切器，其特征在于，击发部件(52)包括固定螺塞(67)、插针(64)、插座(65)、击针(66)、击针顶块(69)、调整螺套(70)、压簧(72)；
击针顶块(69)为中空结构，后端固定插座(65)，插座(65)有一通孔，通孔后端固定插针(64)；击针顶块(69)的后端外部固定连接固定螺塞(67)；固定螺塞(67)安装到弹膛(54)中；击针(66)安装在击针顶块(69)的通孔中，其后端与插座(65)焊接成一体；前端伸出击针顶块(69)，与空包弹(53)接触；击针(66)设有一圈凸起；击针顶块(69)通孔中螺纹连接有调整螺套(70)，可以在通孔中前后移动；凸起与调整螺套(70)之间设置压簧(72)。
10.如权利要求9所述的海底光缆剪切器，其特征在于，击针顶块(69)与固定螺塞(67)之间设置绝缘套(71)；击针顶块(69)前端端部设置有绝缘片(75)。
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