海洋技术 第二章.ppt.ppt

第二章潜水技术第一节深海探险史第二节有人潜水系统第三节无人潜水系统 潜水技术是进行水下作业如海洋开发利用以及打捞 救助 观测的一项重要手段 是指供人员和机具潜入水下环境的专门装备和操作方法 第一节深海探险史 四千年前 屏气潜水采集珍珠贝类 公元前323年古希腊学者亚里士多德和马其顿王亚历山大发明 潜水钟 16世纪出现木制潜水钟 下潜深度可达20m 17世纪英国人埃德蒙 伽列依 利用气管使潜水钟与大气相通 潜水气钟变成了潜水箱 潜深达到165m 1837年制成了一种软潜水服 由头盔和衣服组成 头盔密不透水 使潜深达到180m 后来又出现了硬潜水服 配备氧气筒 潜深达350m 1911年工程师冈斯 加尔曼乘坐自己设计的潜水箱 达458m 1929年威廉 比勃与奥梯斯 巴顿 美 设计了进步世纪 潜水球 1934年潜深达923m 1949年巴顿在新研制的潜水球中 深潜达1375m 1948年奥古斯 皮卡尔 瑞士 设计了能自动行走的深潜球 下潜到1375米 1953年皮卡尔设计的深潜器 的里雅斯特 号 潜深3700m 1954年法国格 胡奥与皮 维利姆 乘坐 弗恩斯 3 号 潜深4050m 1960年代已突破1万米70年代以前 主要用于探险和科考70年代以后 主要用于海洋开发和科学研究 以及近年来的海洋环境的研究 的里雅斯特 号 潜水钟 潜水服 潜水球 潜水服 潜水作业系统 有人潜水 无人潜水 高压潜水 常压潜水 常规潜水 饱和潜水 抗压潜水服 有人潜水器 有缆潜水器 无缆潜水器 第二节有人潜水系统 有人潜水系统 指人使用或操纵潜水装备 可潜器等潜入水下作业的设备系统 一 高压潜水技术高压潜水 指采用非抗压潜水装置 人体直接暴露在水压环境中进行潜水作业 一 屏气潜水和早期的潜水钟 1 屏气潜水吸一口气 停住呼吸动作 潜入水下 在耐受极限时间到达之前又急速上升出水 通大气恢复呼吸动作 这种潜水方式称为屏气潜水 breath holddiving 特点 屏气潜水最明显的限制是潜水者可用的气体太少 故潜水的时间不可能长 有利的一面是很简便 人在水下的可动性相对地好 因此在一定条件下仍不失为一种有用的潜水方式 在西班牙的战舰上 很长时期都设有不使用潜水呼吸装置的潜水 游泳专职人员 日本等地的潜水采珠女 海女 ama 现仍借屏气潜水 戴护目镜或面罩 采拾珠贝 约可达40m深度 曾有人屏气潜水创造了96 3m深度的记录 当然不可能进行作业 屏气潜水一般都是裸潜 skindiving 不着保暖服装 故不可能在水温低的情况下进行 2 呼吸管潜水人在水面下通过口衔管子呼吸水面以上空气的潜水方式 称为呼吸管潜水 据传说 希腊人aristotle观察到大象过河 水深淹没全身 象举鼻管向上 鼻孔露出水面 从容呼吸 潜水到达对岸 仿生地创造呼吸管潜水 古罗马 公元前77年 有记载 用苇管装备军队作呼吸管 借以潜水而隐蔽渡河 我国明代 没水采珠 时 用 锡造弯环空管 对掩没人口鼻 令舒透呼吸于中 天工开物 珠玉 1637 现代的呼吸管在某些潜水 游泳的初步训练时用 使用呼吸管潜水当然也比较简便 但不能倾侧 以防水进入管内 虽然 这可借改变呼吸管形状和利用浮阀解决 但仍然对水下活动方式及其姿势有相当的约束 潜水深度一般不超过2米 潜水时间也相当有限 3 潜水钟潜水钟 divingbell 为由倒扣桶发展而来的 罩器 状大型潜水装备 钟内的空气供潜水者呼吸 潜水者在钟内 随钟沉到水底 在钟所覆盖的范围内工作 最早记载潜水钟 约在公元前300多年 希腊aristotle 使用潜水钟 则在16世纪30年代 那些都是原始的潜水钟 下潜愈深 钟内水面愈高 而且钟内气体难以更新 直到17世纪末 1690 halley 至18世纪 才实现了潜水钟的改进和用压气机械与之配套 注压缩空气入钟内 迫使钟内水面下降与钟口齐平 钟内的气体亦可更新 潜水钟 现在有时被称开 放 式潜水钟 钟内压与所在深处的压强必相等 现已不常用 但潜水钟的原理却被直接或间接地用于沉箱 水底隧道 各型可潜舱 例如水下观察箱 下潜式加压舱或人员运载舱等 以及潜水头盔等 现在 有些场合 广义地把某些立式的可潜舱 有底门 舱内压与所在深度处的压强可相等亦可不相等 叫做 潜水钟 甚至简称为 钟 bell 4 头盔 供气管潜水从水面通过管道 hose 向潜水者所戴的头盔 helmet 内送新鲜呼吸气体 头盔内含有呼出气的气体经另外的途径排出 这种方式的潜水 又称通风式潜水 ventilativediving 在16 18世纪 逐渐发展了皮革头盔 其实是扣在潜水者肩上罩住潜水者头颈的 小潜水钟 接管子至水面 以图借此向潜水者供气 但无法平衡水压 故无效 直到发明了以风箱通过管子从水面向头盔内送气 freminet 1774 才开创了通风式潜水的纪元 19世纪30年代 siebe 1837 奠定了现代通风式装具的雏型 头盔 领盘 潜水衣连接为一体的潜水服 使潜水者处于潜水服内的微小环境中 因体积大 压载重 后被称为重潜水装具 这类装具后又经改进和多样化 并配以潜水电话等 现一般用于45m以浅的空气潜水 必要时 在技术条件等都具备时 可以用来潜至60m甚或更深些 由头盔 供气管潜水装具结合了venturi原理和密闭循环 即闭合循环 式装具的原理发展而成的喷射 再生式潜水装具 在本世纪初叶试用 30年代末 1939 开始在大海应用 主要用于氦氧重潜水 氦氧重潜水一般用于60m以深到150m左右 常用的限制深度为120m 头盔 供气管潜水装具的稳定性好 从水面供气可源源不断 水面对潜水者作监护较方便 二 高压潜水的分类1 常规潜水 指潜入水下进行短时间作业后立即减压回到水面的潜水 又称 非饱和潜水 重潜式 由水面供气 配备重潜服 轻潜式 自携式供气 通过潜水呼吸器向面罩供气 呼出气的处理方式 直接排放 全部回收 经净化补充氧后使用 少量排除 大部分回收 减压病发生的原因 中性气体溶解在体液中的量随潜深和时间增加而增加 潜水回到水面时 气体会从体液释放出来 血液中出现大量的气泡 这些中性气体常为氮气 所有使人浑身发痒 肩 肘关节疼痛 头痛 呼吸困难 瘫痪甚至死亡 方式 须经减压过程 慢慢地浮上来 如水深200m 时间20分钟 需减压4小时 减压病依症状可分成减压病一型与减压病二型 与慢性型减压病等三种类型 减压病一型 主要是因为惰性气体形成气泡后堵塞于皮下组织 关节或肌肉之间造成关节剧烈疼痛 影响行为能力 其主要症状有 皮肤发痒 刺痛 红疹 关节肌肉疼痛 减压病二型 主要是因为气体气泡充塞于人体的呼吸系统 循环系统或神经系统造成身体机能的严重障碍引发休克与死亡 其主要症状有 头昏 眼花 恶心 呕吐 耳鸣 晕眩 言语障碍 视觉模糊 四肢麻木 协调困难 胸闷胸痛 失明 休克 死亡 临床表现绝大多数患者症状发生在减压后1 2小时内 在减压过程中发病者占总发病数9 1 减压结束后30分钟内占50 1小时占85 3小时占95 6小时占99 6小时到36小时仅占1 减压愈快 症状出现愈早 病情也愈重 一 皮肤瘙痒及皮肤灼热最多见 瘙痒可发生在局部或累及全身 以皮下脂肪较多处为重 主要由于气泡刺激皮下末梢神经所致 由于皮肤血管被气泡栓塞 可见缺血 苍白色 与静脉淤血 青紫色 共存 而呈大理石样斑纹 大量气体在皮下组织聚积时 也可形成皮下气肿 二 肌肉骨骼系统约90 的病例出现肢体疼痛 轻者有劳累后酸痛 重者可呈搏动 针刺或撕裂样难以忍受的剧痛 患肢保持弯曲位 以求减轻疼痛 又称屈肢症或弯痛 bends 疼痛部位在潜水作业者以上肢为多 沉箱作业则以下肢为多 主要由于深度较大 时间较长且劳动强度较大之故 局部检查并无红肿和明显压痛 引起疼痛原因可由于神经受累 血管与肌肉痉挛 局部缺氧 肌腱及骨关节损伤等 三 神经系统大多损害在脊髓 因该处血流灌注较差 特别是在供血较少的胸段 可发生截瘫 四肢感觉及运动机能障碍 以至尿潴留或大小便失禁等 如不及时进行有效治疗 病变可长期存在 由于脑部血液供应丰富 脑部病变较少 如脑部血管被气泡栓塞 可产生头痛 眩晕 呕吐 运动失调 偏瘫 重者昏迷甚至死亡 特殊感官受累可产生内耳眩晕综合征 神经性耳聋 复视 视野缩小 视力减退等 四 循环 呼吸系统血循环中有多量气体栓塞时 可引起心血管功能障碍 如脉搏增快 粘膜发绀等 严重者并发低血容量休克 淋巴管受侵 可产生局部浮肿 如大量气体在肺小动脉及毛细血管内栓塞时 可引起肺梗塞或肺水肿等 治疗 一 特殊治疗及时送入高压舱中再加压治疗减压病是唯一有效的方法 可使90 以上的急性减压病获得治愈 近年来 我国用加压治疗 使有的慢性减压病患者症状明显减轻 加压治疗愈早愈好 以免时间过久招致组织严重损害而产生持久的后遗症 二 药物治疗对严重病例 加压治疗只能排除气泡的栓塞作用 有时难以解决继发的生化变化及机能障碍 药物作为辅助疗法 一般应在减压病刚发病时就给药 效果较好 常用药物有血液扩容剂如低分子右旋糖酐 血浆和生理盐水 除了使血液扩容外 尚可抑制血小板粘附和聚集 减少血小板因子的活性 从而阻止血凝 改善症状和体征 近年来上海市杨浦区中心医院调查440名潜水员 见潜水后饮酒者急性减压病的发病率26 0 明显低于潜水后不饮酒者74 0 用兔作实验 也见乙醇对急性减压病有直接治疗作用 主要由于乙醇不但是一有效的消泡剂 还能抑制血小板粘附到气泡壁上 且使血小板从气泡壁上解离下来 因而血小板数明显上升 提出潜水员出水后迅速饮50度白酒75 150g治疗急性减压病为适宜剂量 此疗法简便 在无加压舱的边远地区更有实际意义 此外 小剂量阿司匹林可抑制血小板的聚集和释放作用 肾上腺皮质激素类药物可恢复血管的正常通透性 减少血浆渗出 缓解脑和脊髓水肿 根据病情可用多巴胺 氨茶碱 地西泮 安定 等对症处理 三 其他治疗如有肌肉关节痛 在再加压后 可进行全身热水浴 并可用按摩及理疗等 有气急者 除再加压外 须保持安静 适量给氧吸入等 潜水医学又称水下医学 是研究和解决潜水作业过程中各种医学问题的一门学科 它是潜水技术与医学科学之间的一门新兴的应用性边缘学科 由于人在水下要承受静水压 海水深10米增加1个大气压 必须呼吸压缩气体以平衡机体内外的压力 因而处在高气压环境中 所以 研究高气压和水下环境中各种物理 化学 生物因素对人体造成的一系列专门的医学问题 构成了潜水医学内容的特点 潜水医学与专门研究沉箱 隧道等高气压作业和临床高压氧治疗舱工作中各种医学问题的学科 共同组成高气压医学 潜水作业是在高压 低温 能见度差 水阻力大 呼吸高分压气体 有水中生物袭击等复杂多变的环境中进行的强劳动 与常压下的其他作业相比 不仅艰苦得多 而且存在着一定的潜在危险性 如果各种因素的作用超过了机体的生理耐受限度 便可引起对潜水人员机体健康不利的反应 导致疾病和伤害 潜水职业病 甚至残疾或死亡 2 饱和潜水 潜水员在呼吸过程中 一部分中性气体逐步溶解在人体内 并随时间的延长而增加 但当潜水一定时间后 理论64小时 实际24小时 当溶于体内的中性气体与人体释放出的相等时 溶解量就不再增加 这种状态称为饱和状态 一旦达到饱和之后 无论潜水员在此高压环境下停留多长时间 减压时间将不随停留时间的延长而增加 这一原理称为饱和潜水 saturationdiving 在饱和潜水条件下 潜水员离开居住舱到水中某一深度进行潜水作业 然后返回居住舱 这种方式的潜水称为巡回潜水 excursiondiving 简称 巡潜 巡回潜水分为三种类型 从饱和深度出发向较浅深度的巡回潜水称向上巡潜 与饱和潜水深度相等的巡回潜水称水平巡潜 从饱和深度出发向较大深度的巡回潜水称向下巡潜 向上巡潜实质上是在一定深度内的减压 所以绝对不能超过规定的界限 否则将有发生减压病的危险 水平巡潜 压力无变化 向下巡潜 是增加潜水作业深度 意义较大 二 常压潜水常压潜水 利用潜水服 潜水器等能够承受海水压力 内部保持常压的装具进行潜水 又称间接潜水 特点 潜得很深 但人不能直接在水中工作 一 抗压潜水服抗压的金属制成 有供气系统和空气净化装置 利用活动的关节和机械手进行工作 可潜深605m 抗压潜水服看上去像个笨重的机器人 最早问世于20世纪初期 为了消除水底高压环境对人体的直接影响 这种潜水服采用了全密封金属外壳 潜水员穿上它 就像钻进了保护壳 外面可以抗住上百个大气压力 里面却是在常压状态下生活 完全不受水压的影响 但是 由于它体积庞大 有450千克重 并且机械手只有2个手指 像把钳子 只能做简单的水下取样工作 因此 没有得到广泛的应用 目前先进的抗压潜水服已经采用了镁合金材料 得量相对减轻 抗压能力不减 加上四肢关节比较灵活 头部有4个观察窗 潜水员抗压服内可借助活动并了在水下行走 翻越凹凸不平的水不障碍 还可以通过机械手使用特定的工具 完成一些较复杂的工作 有人曾穿这种抗压潜水服在439米深的海底 成功地进行了寻物作业 前后仅用了2 5小时 效率为其他潜水方法的100倍以上 充分显示了其深水作业的优势 二 潜水器潜水器 为具有水下观察和作业的各种水下运行器具的统称 深潜器 可潜器 调查潜艇 载人潜水器 在水下有人操纵 并能携带乘员的潜水器 结构 耐压壳 减阻壳 电能设备 推进装置 氧气供给系统 二氧化碳吸收装置 罗经 深度计 声纳 水声通讯设备 作业用机械手 水下照明设备 潜水器设计是一项综合性的复杂工程 它涉及到流体 结构 材料 生命支持 液压 水声 光学 计算机控制等多门学科 潜水器研制水平 往往体现了一个国家的综合技术力量 典型的如6000m深潜器 目前仅美 法 日 俄 中等国家才能研制 二十一世纪是海洋的世纪 作为一个海洋大国 理应在深潜器研制 应用方面占据一席之地 人类从二十年代开始现代潜水器研制 一直到六十年代 主要是向深度挑战 1934年 美国潜水器潜入914m深度 开始了人类第一次在深海对生物进行观察 1960年 人类终于下潜到海洋最深处10913m 即太平洋马里亚纳海沟 这段时期研制的潜水器一般仅限于观察 无运动 作业能力 发展也较为缓慢 六十年代 以美国 阿尔文 号为代表的第二代潜水器得到发展 这类潜水器带有动力 还配置了水下tv 机械手等 不仅可以观察 还可以进行一些简单作业和海洋资源调查等任务 阿尔文 号以铅酸电池作为动力 下潜深度3658m 1966年 阿尔文 号和另一潜水器配合 在西班牙海域打捞出一颗失落的氢弹 其影响不可估量 1963年 美国长尾鲨号核潜艇失事 造成艇上官兵全部遇难的恶性事故 前苏联共青团号核潜艇失事 艇上官兵也有几十人遇难 这促使了美 苏等国研究深潜遇难潜艇的营救问题 1970年 美国深潜救生艇dsrv下水 最大下潜深度1069m 一次可营救24名人员 并配有7自由度机械手 1979年 美 英联合进行dsrv救援演习获得成功 这是人类历史上第一次在水下由救生艇向另一潜艇进行人员干转移 同时 也把载人潜水器技术推向了顶峰 我国潜水器技术发展状况我国从七十年代开始较大规模地开展潜水器研制工作 20多年来 广大科技工作者付出辛勤汗水 紧跟世界先进水平 先后研制成功以援潜救生为主的7103艇 有缆有人 型救生钟 有缆有人 qsz单人常压潜水器 有缆有人 8a4水下机器人rov 有缆无人 和军民两用的hr 01rov reconivrov及cr 01a6000m水下机器人auv 无人无缆 等 使我国潜水器研制达到国际先进水平 我国潜水器研制也有几个显著阶段特征 七十年代 主要研制载人援潜救生潜器 典型代表是 型救生钟和7103艇 型救生钟是我国第一代潜水钟 它以湿救为主 兼顾干救 下潜深度130m 一次可救助艇员6 8人 在良好海况下 失事艇座沉海底倾角不大时 也可以与失事艇救生平台对口干救 7103深潜救生艇主要是吸取美 苏潜艇失事的惨痛教训而研制的 它下潜深度达300m 一次可救助22名艇员 7103艇和失事艇对接成功后 可以实现艇与艇人员的干转移 它的研制成功 使我国援潜救生水平跃居世界先进水平行列 80年代中 我国开始研制作业型载人潜水器 典型代表是qsz单人常压潜水器 qsz内部保持常压 载员一名 工作深度300米 可以完成简单的水下作业任务 80年代末 中国船舶工业总公司研制出8a4水下机器人 它是一台以军用援潜救生为主 兼顾海洋油气开发 具有局部智能的 无人缆控作业型水下机器人 同时期 中科院沈阳自动化所引进美国perry公司关键技术 研制成功recon v水下机器人 在南海石油平台作业中投入商业应用 并在救捞大队配备使用 90年代 我国深潜器研制取得了重大突破 其典型代表是cr 01a6000米无人无缆遥控潜水器auv 1995年10月 在夏威夷附近海域 6000米无人无缆遥控潜水器auv成功地下潜到5300米 拍摄到海底锰结核矿分布情况 海底地势等重要图片 收集到大量珍贵数据 2006年3月 中科院沈阳自动化所自主研发了 混合型水下机器人 arv 可在大范围 大深度和复杂海洋环境下进行深海资源调查 深潜器打捞氢弹 深海2000和深海6500 三 水下试验室underwaterlaboratory根据饱和潜水原理制成 设于海底供科学工作者 潜水员休息 居住和工作的活动基地 又称水下居住舱 水下实验室的设想是20世纪20年代提出的 1963年 库斯特等7人进入一个名为 海星屋 的水下居室 它们在10米 30米水深的海底生活了30天 它们靠海面支援船供应的和氦氧混合气体呼吸 海星屋 外系留着一艘小型潜艇 供屋内人员外出工作 库斯托等人非常满意他们的水下生活 以至失去了重返海面的兴趣 不过 他们在氦氧空气中生活也遇到相互交谈方面的困难 由于氦氧混合气体传播声音的性能与正常空气不同 他们互相讲话时 听起来像一群鹅在吵架 美国的海中人 1号和法国的大陆架 1号水下实验室率先在地中海试验 到了1977年1月 前苏联的底栖生物 300号水下实验室 作业深度已达300米 自恃力14天 可容纳12名乘员 当代水下实验室的下潜深度可超过300米 在没有补给的情况下 作业期限通常为两周 最长可达59天 水下实验室系统通常由水面补给系统 人员运载舱和水下实验室三部分组成 水下实验室有工作室 寝室和出入口室 闸室 并带有厨房 厕所 浴室等生活设施 内部气压与设置深度水压相等 气体成分根据水下生活要求一般配制为氮 氧或氦 氮 氧混合气体 实验室内外压力平衡时 海水不会进入室内 人员可以通过闸室自由出入 实验室内压力 温度 湿度和气体成分由仪表自动监控 外部一般附有高压气瓶 压载水舱和固体压载等 通过压载水舱注 排水使实验室下潜 上浮 实验室的电力 呼吸气体 淡水和食物由陆上 补给船或补给浮标等补给站 通过电缆 水管 气管组合的 脐带 供应 潜水人员作业完毕返回正常环境之前 通过减压舱进行减压 目前水下实验室工作深度已可达300米以上 在没有补给的情况下 作业期限通常为两周 最长可达59天 水下实验室壳体一般为耐压高强度钢制成 也有采用橡胶 塑料以及丙烯玻璃等材料的 第三节无人潜水系统 无人潜水系统 为依靠水面遥控而进行的潜水系统 主要特征 能在潜水员不能到达的深度与不安全的环境下进行遥控作业 有系缆无系缆 上世纪七八十年代以来 适应海上油气工业潜水作业的需要 无人遥控潜水器得到飞速发展 80年代初全世界无人遥控潜水器有400余艘 其中90 以上用于海洋石油工业 到80年代末其数量猛增到958艘 其中800艘以上为有缆遥控潜水器 并且有一半以上是直接用于海上油气开采用的 目前无人遥控潜水器全世界约有1000多艘 其中6000m级10多艘 现已发展到第三代智能深潜器 另外 载人和无人混合潜水器也得到发展 已经研制出32艘 其中28艘用于工业服务 此外 90年代以来 随着微电子 高速数字计算机 人工智能技术 小型导航技术 指挥与控制硬件等技术的发展 无人自主式潜水器得到快速发展 据不完全统计 各国研制与使用的无人自主式潜水器有30多艘 其中供工业实用的有10多艘 其他的均用于军事和科学研究 一 无人有缆潜水器电缆的作用 与水面工作船保持联系 为潜水器供电与传播遥控信号 电缆 水下电视系统 机械手 推进装置 水面工作船上的遥控工作台 形式 设置耐压壳体 内放仪器设备 不设耐压壳体 各种设备都能承受压力 固定在框架上 缺点 受缆索长度限制 易纠缠 无人有缆潜水器的发展趋势有以下特点 一是水深普遍在6000米 二是操纵控制系统多采用大容量计算机 实施处理资料和进行数字控制 三是潜水器上的机械手采用多功能反馈监控系统 四是增加推进器的数量与功率 以提高其顶流作业的能力和操纵性能 此外 还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力 无人有缆潜水器的功能 采集样品 拍照和录像 声纳探测海底 美国 军用水下机器人日本 深海矿物资源采集机器人水底推土机型机器人水中爆破机器人搜索救助机器人 渔民 机器人 我国 从20世纪80年代开始研制先后开发了 海人一号 stt 10 sttu 40 型 金鱼3号 和 recon iv 计划研制的 6000m 自动洋底探测系统 已实验成功 二 无人无缆潜水器由水面工作船通过声信号发出遥控指令 对潜水器的工作实现遥控 声控自控混合式 研制与发展20世纪50年代末期 美国华盛顿大学开始建造第一艘无缆水下机器人 spurv 这艘auv主要用于水文调查 从60年代中期起 人们开始对无缆水下机器人产生兴趣 但是 由于技术上的原因 致使auv的发展徘徊多年 随着电子 计算机等新技术的飞速发展及海洋工程和军事方面的需要 auv再次引起国外产业界和军方的关注 进入90年代 auv技术开始逐步走向成熟 1980年法国国家海洋开发中心建造的 逆戟鲸 号无人无缆潜水器投入使用 最大潜深为6000米 主要用于深海海床和深海矿物资源勘