JP6557803B2 - 水底作業用浮体型水中構造物 - Google Patents

Description

本発明は、水底で作業等を行うための浮体型水中構造物に関する。

海底で土木工事などの作業を行う場合、洋上の母船からホイール型車両、クローラ型車両などの海底で移動可能な車両型作業機器を海底に降ろして用いる方法（例えば、特許文献３参照）、海底に固定する洋上施設として浮体構造物を利用する方法（例えば、特許文献２参照）、作業用台船を利用する方法（例えば、特許文献４参照）などの技術が公知となっている。

また、より深い海底での採鉱、原油やガスの掘削・採取などの作業を行う場合、TLPなどの浮体を洋上で位置保持する洋上プラントを利用する方法（例えば、特許文献１参照）、洋上の作業船から作業を行う方法、有人潜水艇、ROV、AUVなどに取り付けられた作業機機を用いる方法等の技術が公知となっている。

特開２０１５−００６６８４号公報 特開２０１２−０５６３３３号公報 特表２００４−２０４４４０号公報 特表２００６−３０６１５８号公報

先に示した公知された技術には、それぞれ課題が残されている。水底での作業に対して、車両型作業機器を利用する方法は、海底面の傾斜、凹凸、障害物の存在などの状況によっては、利用できない場合がある。海底に固定する洋上施設を利用する方法は、海底への固定で水深に限界があると共に、作業区域の変更が難しく利用できない場合がある。作業用台船を利用する方法は、搭載する作業機器の規模で水深に限界があると共に、作業地点の保持が難しく利用できない場合がある。

また、水底での作業に対して、TLPなどの洋上プラントを利用する方法は、水深の増加に伴い設置及び運用コストが増大すると共に、作業区域の変更が難しく利用できない場合がある。洋上の作業船を利用する方法は、水深の増加に伴い船体と搭載装置の大規模化が必要になると共に、初期コスト及び運用コストが増大し、利用できない場合がある。有人潜水艇、ROV、AUVなどを利用する方法は、小規模で短時間の作業に限定されると共に、初期コスト及び運用コストが大きく、多くのケースで利用できない。

本発明が解決しようとする課題は、大水深の水底で車両移動が困難な作業区域を移動する中小規模の作業を高い作業性を持って実施可能にすると共に、初期コスト及び運用コストを商業ベースにのる範囲内へ低減することである。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
請求項１に記載の発明では、
水中浮体部、係留装置部、分離浮体型水底作業装置部及び分離浮体支持装置部で構成されること、
該水中浮体部は、該係留装置部、該分離浮体型水底作業装置部及び該分離浮体支持装置部を搭載しての水中航行が可能な浮体構造を持つこと、
該係留装置部は、アンカー、係留ライン、係留駆動装置及び係留制御装置で構成され、該係留制御装置に制御された該係留駆動装置の動力で該アンカーを水底に設置し、かつ、該アンカーに片端が繋がれた該係留ラインの張力と該水中浮体部の浮力のバランスを取ることで、水底から離れた水中での該水中浮体部の位置調整と位置保持を行うこと、
該分離浮体型水底作業装置部は、第二浮体部、水底作業装置部及び着底脚部で構成され、該水中浮体部を母船として利用して該水中浮体部からは離れた位置での作業を行うこと、
該第二浮体部は、該水底作業装置部及び該着底脚部を搭載しての水中移動が可能な浮体構造を持つこと、
該水底作業装置部は、水底作業機器、作業機器駆動装置及び作業機器制御装置で構成され、該作業機器制御装置に制御された該作業機器駆動装置の動力で該水底作業機器を動かし、水底から浮上して位置保持された該第二浮体部からの水底作業を行うこと、
該着底脚部は、該第二浮体部の水底側に装備され、作業時に該水底作業機器が該第二浮体部に作用する下向力に耐える構造を持つこと、ならびに、
該分離浮体支持装置部は、第二浮体支持ライン、第二浮体駆動装置及び第二浮体制御装置で構成され、該第二浮体部を該水中浮体部と接続された該第二浮体支持ラインで支持し、第二浮体制御装置で制御された第二浮体駆動装置の動力で該第二浮体支持ラインの長さを調整し、該第二浮体部の位置保持を行うこと
を特徴とする水底作業用の水中浮体構造物、とした。

請求項２に記載の発明では、
請求項１の該水中浮体部で、
該水底作業機器の水底での位置を変更する手段を備えること、かつ／又は、
該水中浮体部の重心位置調整手段を備えることを特徴とする水底作業用の水中浮体構造物、とした。

請求項３に記載の発明では、
請求項１と請求項２で、
着底脚部と水中浮体部との間に水中浮体部の着底時衝撃を緩和する衝撃吸収装置を備えること、かつ／又は、
水中浮体部に着底脚部の脚長さを調整する脚長さ調整装置を備えることを特徴とする水底作業用の水中浮体構造物、とした。

請求項１の手段を取ることにより、大水深の水底での車両移動が困難な作業区域を移動しての中小規模の作業を高い作業性を持って実施可能にすると共に、初期コスト及び運用コストの商業ベースにのる範囲内への低減が図れる。

請求項１に記載した分離浮体型水底作業装置部を水中浮体に支持された状態で用いることにより、水中浮体を水底近くでの作業母船として利用可能になると共に、狭い作業空間、障害物の多い水底などをはじめとする作業現場での多様な環境へのより柔軟な対応が可能となる。

請求項２に記載した水中浮体部の重心位置調整手段の手段を備えることにより、水中浮体の姿勢を適正に保つことが可能になり、また、水底作業機器の水底での位置を変更する手段を備えることにより、水中浮体からの水底作業機器の位置変更が容易になり、どちらも作業効率の向上が図れる。

さらに、水中浮体の係留位置の変更に際し、水底作業機器のアタッチメントとして取り付けたアンカーを支点として水中浮体を動かしての、係留装置部アンカーの設置が容易になり、作業性が高められる。

請求項３に記載した衝撃吸収装置置を備えることにより、水中浮体部の着底時衝撃を低減することが可能になる。また、着底脚に脚長さ調整装置を備えることにより、水底作業装置部の駆動装置の水底上の高さ位置を変更することが可能になり、どちらも作業性の向上が図れる。

図１に浮体型作業用水中構造物の概念図を示す。本例での水底作業用の水中浮体構造物は、水中浮体部１０、係留装置部２０、水底作業装置部３０及び着底脚部４０で構成される。水中浮体部１０は、係留装置部２０、水底作業装置部３０及び着底脚部４０を搭載しての水中航行が可能な浮体構造を持つ。係留装置部２０は、アンカー２１、係留ライン２２、係留駆動装置２３及び係留係制御装置２４で構成され、係留制御装置２４に制御された係留駆動装置２３の動力でアンカー２１を水底２に設置し、かつ、アンカー２１に片端が繋がれた係留ライン２２の張力と水中浮体部１０の浮力のバランスを取ることで、水底２から離れた水中での水中浮体部１０の位置調整と位置保持を行う。水底作業装置部３０は、水底作業機器３１、作業機器駆動装置３２及び作業機器制御装置３３で構成され、作業機器制御装置３３に制御された作業機器駆動装置３２の動力で水底作業機器３１を動かし、水底２から浮上して位置保持された水中浮体部１０からの水底作業を行う。着底脚部４０は、水中浮体部１０の水底側に装備され、作業時に水底作業機器３１が該水中浮体部に作用する下向力に耐える構造を持つ。

図１で示した水中浮体部１０が持つ水中航行が可能な浮体構造とは、図示はしていないが、必要最小限の耐水圧構造を有し、耐水圧の不要な機器類や装置、浮力材等を搭載するスペースと強度を有し、浮上可能な浮力を確保できる軽量構造を持つものである。水中航行を可能にするには、自由降下と自由浮上が可能であり、そのための重量と浮力の変更手段を持つものである。また、水中浮体の姿勢変更手段、推進器等を利用することも可能である。

水底２に設置するアンカー２１を水中浮体部１０が搭載して移動可能とすることは、アンカー設置の作業性の向上、作業場所の移動容易性の向上、設置コストの削減などと共に、水中浮体部１０を自由降下させた時には、水底到達時のブレーキとしても利用できる。水中浮体部１０が水底面上の一定距離を保った静止状態でアンカーを設置する時には、アンカー２１を係留ライン２２で吊り下げ、水底まで徐々に降ろす方法を取る。他方、水中浮体部１０が低速で自由降下している時は、アンカー２１を係留ライン２２で吊り下げた状態にして降下を続け、先にアンカー２１を水底２に着地させることで、アンカー２１の分だけ重量が低減し、浮力が重量を上回るようになった水中浮体部１０に上向きの力を働かせ、ブレーキ力として作用させることが可能となる。アンカー２１に衝撃吸収素材を用いて、アンカー２１の着底時衝撃を緩和することも可能である。また、図１では、アンカーの数は２個が例示されているが、３個以上のアンカーを用いることも可能である。

アンカー２１に片端が繋がれた係留ライン２２の張力と水中浮体部１０の浮力のバランスを取るには、アンカー２１、係留ライン２２及び水中浮体部１０の重量と浮力に条件が存在する。仮に、アンカー２１の1個分の重量と浮力をＷaとＢa、係留ライン２２の1個分の重量と浮力をＷkとＢkとし、同じ重量と浮力を持つアンカー２１と係留ライン２２がそれぞれｎ個ずつ設置されているとする。この時、水中浮体部１０の重量Ｗfと浮力Ｂfとすれば、次式が成立している。
(Ｂf - Ｗf) > 0 （１）
各係留ライン２２に働く張力をＴとすれば、
Ｔ = (Ｂf - Ｗf)／ｎ ＋ (Ｂk - Ｗk)（２）
この時、次式が成立している。
(Ｗa - Ｂa) > Ｔ （３）
こうした条件を満たすためには、水中浮体部１０及び係留ライン２の重量軽減が不可欠であり、アンカー２１の重量はある程度は必要であるが、アンカー２１も水中浮体部１０に搭載されるので、過大な重量を持つことは避けねばならない。

図１に示したアンカー２１、係留ライン２２及び水中浮体部１０の重量と浮力は、上述した条件が満足されているものである。実際のアンカーの設置場所には、低層流などの外乱の影響もあり、微妙な調整を要とすることもある。先述した自由降下と自由浮上を可能とする重量と浮力の変更手段は、水中浮体部１０とアンカー２１の重量と浮力を変更して、上述した浮体の水中でのつり合い条件を満たすためにも利用が可能である。

係留ライン２２には、鋼索、各種金属材ワイヤーロープ、繊維素材ロープ、各種素材細萓などを用いることが可能である。係留ライン２２は、上記した各種の状態で水中浮体を支持する張力を確保できると共に、係留ライン２２の長さを大きく取って張力無しの状態を作れるものとしている。

上記した浮体バランスに作業時の荷重が加わると、作業機器から水中浮体に、作業内容により、色々な方向に力が作用する。各種の方向に働く力の中で下向き荷重の反力として働く力を水中浮体部１０に作用させるのが着底脚部４０である。着底脚部４０は、上記した下向き荷重に耐える構造を持つものであると共に、それ以外の荷重への耐構造は不要として軽量化したものである。図１では、着底脚の本数は２個が例示しているが、位置保持のためには通常３個以上の着底脚を用いる。また、図示はしていないが、着底脚を折りたためる構造や取り外せる構造を持たせ、作業時のみ着底脚を機能させることも可能である。

図１での水底作業機器３１は、吊り下げラインとグリッパで構成されるものを例示している。図示はしていないが、グリッパをドラグショベル、掘削機、グラブバケットなど、他の作業用アタッチメントと置き換えることは可能である。また、水底作業機器３１をロボットハンドとして、アーム、ハンド、他のエンドエフェクタ等で構成する機器に置き換えることも可能である。

図１での各装置の制御装置と駆動装置には、図示はしていないが、水中浮体部に置かれた蓄電池、発電機などから電力が供給される。支援船などの外部からの電力供給を利用することも可能である。

各装置の制御においては、シーケンス制御の他に、図示はしていないが、水中浮体部に設置された位置センサー、傾きセンサー、張力センサー、加速度センサーなどを利用してフィードバック制御を行うことも可能である。

水中浮体構造物全体としての作業の実施においては、図示はしていないが、関連するする一連の動作をまとめて制御するする中央制御装置を水中浮体部に設置して利用することも可能である。また、通信装置を水中浮体部に設置して外部からの各装置の遠隔操作を行うことも可能である。

図２に請求項１の実施形態の一例を示す。本例での水底作業用の水中浮体構造物は、水中浮体部１０、係留装置部２０、分離浮体型水底作業装置部５０及び分離浮体支持装置部６０で構成される。水中浮体部１０は、係留装置部２０、分離浮体型水底作業装置部５０及び分離浮体支持装置部６０を搭載しての水中航行が可能な浮体構造を持つ。係留装置部２０は、アンカー２１、係留ライン２２、係留駆動装置２３及び係留係制御装置２４で構成され、係留制御装置２４に制御された係留駆動装置２３の動力でアンカー２１を水底２に設置し、かつ、アンカー２１に片端が繋がれた係留ライン２２の張力と該水中浮体部１０の浮力のバランスを取ることで、水底２から離れた水中での水中浮体部１０の位置調整と位置保持を行う。

図２で、水底作業装置部３０は、水底作業機器３１、作業機器駆動装置３２及び作業機器制御装置３３で構成され、作業機器制御装置３３に制御された作業機器駆動装置３２の動力で水底作業機器３１を動かし、水底２から浮上して位置保持された水中浮体部１０からの水底作業を行う。着底脚部４０は、水中浮体部１０の水底側に装備され、作業時に水底作業機器３１が該水中浮体部に作用する下向力に耐える構造を持つ。

図２で、分離浮体型水底作業装置部５０は、第二浮体部５１、水底作業装置部５２及び着底脚部５３で構成される。水中浮体部１０を母船として利用して水中浮体部１０からは離れた位置での作業を行うこと、ならびに、水底作業装置部５２の装置の維持管理や交換に際して、水底作業装置部５２のハンドリングを分離浮体型水底作業装置部５０として一括で行うことが可能である。

図２で、第二浮体部５１は、水底作業装置部５２及び該着底脚部５３を搭載しての水中移動が可能な浮体構造を持つ。水底作業装置部５２は、水底作業機器５４、作業機器駆動装置５５及び作業機器制御装置５６で構成される。作業機器制御装置５６に制御された作業機器駆動装置５５の動力で水底作業機器５４を動かし、水底２から浮上して位置保持された第二浮体部５１からの水底作業を行う。

図２で、着底脚部５３は、第二浮体部５１の水底側に装備され、作業時に水底作業機器５４が第二浮体部５１に作用する下向力に耐える構造を持つ。

図２で、分離浮体支持装置部６０は、第二浮体支持ライン６１、第二浮体駆動装置６２及び第二浮体制御装置６３で構成され、第二浮体部５１を水中浮体部１０と接続された第二浮体支持ライン６１で支持し、第二浮体制御装置６３で制御された第二浮体駆動装置６２の動力で第二浮体支持ライン６１の長さを調整し、該第二浮体部５１の位置保持を行う。

第二浮体支持ライン６１にかかる張力は、第二浮体部５１の重量と浮力との差の分に相当するものを初期値として作業開始時の設定を行い、外乱の影響による張力の変動が吸収できる範囲で作業を行うものとする。さらに変動が大きい場合は、第二浮体制御装置６３などを用いて、外乱の影響を低減することも可能である。

図２の実施形態においても図１の実施形態と対応するものについては、先に図１の説明で図示していないものとして補足説明したものが、そのまま適用されるものとする。

図３に請求項２の実施形態の一例を示す。図３の水中浮体構造物は、水底作業機器の位置を変更する手段として、直線移動ガイド８１、駆動装置８２及び制御装置８３で構成される水底作業装置部移動装置８０を一例として示した。また、水中浮体部の重心位置調整手段として、錘７１を直線移動ガイド７２、駆動装置７３及び制御装置７４で動かす重心位置変更装置７０の一例を示した。

図３に図示はしていないが、重心位置を変更するには、バラストタンク内で仕切られた異なる空間の間や異なるバラストタンクの間でのポンプを用いたバラスト水の移動で行うことも可能である。

図３に図示はしていないが、水底作業機器３１の作業用アタッチメントに仮のアンカーを取り付け、これを水底に降ろし、仮のアンカーを仮の固定点として、水底作業機器の位置を変更する手段を利用して逆に水中浮体部１０の位置を移動して、水中浮体部１０の移動時の係留装置部２０のアンカー２１を設置することも可能となる。また、重心位置変更装置７０を作動させることでアンカー２１の設置時、水底作業装置部３０の移動自などに、水中浮体部１０の姿勢を水平に保つことが可能になる。

図３に図示はしていないが、複数個の重心位置変更装置７０を設けることで、縦軸回り、横軸回り等の複数の回転軸まわりの姿勢の傾きに対応した重心変更も可能になる。また、水中浮体部１０内の各装置の制御装置を連携させる制御装置を設けたり、一体化した制御装置とすることで、水中浮体部１０内の各装置の連携の取れた動作を実現することが可能となる。

図４に衝撃吸収装置及び脚長さ調整装置を持つ浮体型作業用水中構造物の概念図を示す。図４の水中浮体構造物は、着底脚部４０と水中浮体部１０との間に水中浮体部の着底時衝撃を緩和する衝撃吸収装置９１を備えている。また、水中浮体部１０に着底脚部４０の脚長さを調整する脚長さ調整装置９２を備え、該水底作業装置部の水底上の高さの調整を可能にしている。

図４で衝撃吸収装置９１は、図示はしていないが、バネ材、バネ材の振動吸収用ダンパー、水中浮体部側取り付け部材及び着底脚部側取り付け部材で構成され、水中浮体部の着底時衝撃を緩和する。ただし、衝撃吸収装置９１は、上記した構成に限ったわけではなく、衝撃吸収材を利用したものなど、他の方式を適用することも可能である。

図４で脚長さ調整装置９２は、図示はしていないが、着底脚ガイド部、着底脚駆動部及び脚長さ制御部で構成され、水中浮体部に着底脚部の脚長さを調整し、該水底作業装置部の水底上の高さを調整する。先に示した折りたたみ格納手段との併用も可能である。

浮体型作業用水中構造物の概念図である。 親子浮体型の作業用水中構造物の概念図である。 水底作業装置部移動装置及び重心位置変更装置を持つ浮体型作業用水中構造物の概念図である。 衝撃吸収装置及び脚長さ調整装置を持つ浮体型作業用水中構造物の概念図である。

１ 水面
２ 水底
１０ 水中浮体部
２０ 係留装置部
２１ アンカー
２２ 係留ライン
２３ 係留駆動装置
２４ 係留係制御装置
３０ 水底作業装置部
３１ 水底作業機器
３２ 作業機器駆動装置
３３ 作業機器制御装置
４０ 着底脚部
５０ 分離浮体型水底作業装置部
５１ 第二浮体部
５２ 水底作業装置部
５３ 着底脚部
５４ 水底作業機器
５５ 作業機器駆動装置
５６ 作業機器制御装置
６０ 分離浮体支持装置部
６１ 第二浮体支持ライン
６２ 第二浮体駆動装置
６３ 第二浮体制御装置
７０ 重心位置変更部
７１ 錘
７２ 重心位置変更部直線移動ガイド
７３ 重心位置変更部駆動装置
７４ 重心位置変更部制御装置
８０ 水底作業装置部移動部
８１ 水底作業装置部移動部直線移動ガイド
８２ 水底作業装置部移動部駆動装置
８３ 水底作業装置部移動部制御装置
９１ 衝撃吸収装置
９２ 脚長さ調整装置

Claims (3)

1. 水中浮体部、係留装置部、分離浮体型水底作業装置部及び分離浮体支持装置部で構成されること、
   該水中浮体部は、該係留装置部、該分離浮体型水底作業装置部及び該分離浮体支持装置部を搭載しての水中航行が可能な浮体構造を持つこと、
   該係留装置部は、アンカー、係留ライン、係留駆動装置及び係留制御装置で構成され、該係留制御装置に制御された該係留駆動装置の動力で該アンカーを水底に設置し、かつ、該アンカーに片端が繋がれた該係留ラインの張力と該水中浮体部の浮力のバランスを取ることで、水底から離れた水中での該水中浮体部の位置調整と位置保持を行うこと、
   該分離浮体型水底作業装置部は、第二浮体部、水底作業装置部及び着底脚部で構成され、該水中浮体部を母船として利用して該水中浮体部から離れた位置での作業を行うこと、
   該第二浮体部は、該水底作業装置部及び該着底脚部を搭載しての水中移動が可能な浮体構造を持つこと、
   該水底作業装置部は、水底作業機器、作業機器駆動装置及び作業機器制御装置で構成され、該作業機器制御装置に制御された該作業機器駆動装置の動力で該水底作業機器を動かし、水底から浮上して位置保持された該第二浮体部からの水底作業を行うこと、
   該着底脚部は、該第二浮体部の水底側に装備され、作業時に該水底作業機器が該第二浮体部に作用する下向力に耐える構造を持つこと、ならびに、
   該分離浮体支持装置部は、第二浮体支持ライン、第二浮体駆動装置及び第二浮体制御装置で構成され、該第二浮体部を該水中浮体部と接続された該第二浮体支持ラインで支持し、第二浮体制御装置で制御された第二浮体駆動装置の動力で該第二浮体支持ラインの長さを調整し、該第二浮体部の位置保持を行うこと
   を特徴とする水底作業用の水中浮体構造物。
2. 請求項１の該水中浮体部で、
   該水底作業機器の水底での位置を変更する手段を備えること、かつ／又は、
   該水中浮体部の重心位置調整手段を備えることを特徴とする水底作業用の水中浮体構造物。
3. 請求項1と請求項２で、
   着底脚部と水中浮体部との間に水中浮体部の着底時衝撃を緩和する衝撃吸収装置を備えること、かつ／又は、
   水中浮体部に着底脚部の脚長さを調整する脚長さ調整装置を備えること
   を特徴とする水底作業用の水中浮体構造物。