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饱和潜水:“利剑”劈开深海

2019-08-05 17:03:46 来源:中国水运杂志

说到潜水,其实很多人都尝试过,在旅游时浮潜或者深潜,探索海洋世界的奇妙与美景。然而,饱和潜水,却是另一个概念,它展现的是我国水下“实力”以及“下五洋捉鳖”的能力。

不同之处在哪里呢?“饱和潜水”指的是在大深度,承受相对高压的条件下,呼吸经过调整的氦氧混合气体进行长时间潜水作业的活动。与之配套的,是一整套支持保障系统。

饱和潜水是国家综合实力的体现,随着我国海上大深度饱和潜水作业能力实现了 300 米的历史性突破,深潜水作业能力进入了国际先进行列。

1 缘起:探索自由翱翔于海洋

烟波浩渺的海洋,占据地球表面 70% 的面积。在这个深蓝色的“宝库”中,蕴藏着丰富的生物、能源、矿产等资源。从古至今,人类对神秘的大海就无比向往,开发利用海洋资源成为各个国家竞相发展的战略。饱和潜水,向百米以下深度的海底进发,就是人类探索自由翱翔于海洋的尖端技术之一。

上世纪 90 年代,电影《未来水世界》描述了未来人类进化出了“鳃”,能够在水里自由“呼吸”,也就具备了长时间呆在水下的条件。这堪称是人类远望大海、由来已久的梦想。

很早之前,人类的潜水就是为了捕捉海产或宝物。那时候的潜水,也全靠个人意志,憋着一口气来完成。随着大航海时代的到来,倒扣的沉船给了人们灵感:1538 年,西班牙托利多两个潜水员进行了一次实验,用一口大钟放入水中,让大钟内存储的空气,为潜水员延长水下活动时间。

1691 年,英国天文学家埃德蒙多·哈雷(即著名的哈雷彗星的发现者)进行了新的尝试。他的设计是:在一个圆锥型空木桶的外面包铅,能垂直下沉,潜水钟上装有玻璃窗,空气是由挂在潜水钟下方的箍铅木桶补充。因贮气木桶内压力较大,空气可输入潜水钟内。借助这个装置,他在 18 米深处停留了 1.5 小时。这成为现代潜水的雏形。但在潜水员们朝海洋深处进发的时候,很快就发现了死敌——减压病。当你潜入水中,首先感受到的是水的压迫,呼吸困难、耳朵嗡嗡,随着水深的加大,压力会成倍增加。潜水深度每超过 10 米,压力就会增加 1 个大气压,在数百米深的海底所承受的水压,将会是地表大气压的数十倍。而当人从高压环境回到正常气压状态下时,体内受压缩的气体会迅速集结成气泡,压迫神经、阻塞血管,造成永久性的伤害,甚至导致瘫痪。只有花费数天时间,来缓慢减压,才能避免伤害。

1957 年,“饱和潜水”概念出现,就是以人工配制的氦氧混合气为呼吸介质,使潜水员各组织体液中所溶解的惰性气体达到完全饱和的程度,只要环境压力不改变,不论暴露时间有多长,减压时间都是相等的。这样潜水员就可以长期停留在高气压下,待预定作业任务完成后,一次减压出水。氦氧饱和潜水技术提出后,极大地提高了潜水效率,之后,深水实验深度纪录被多个国家刷新。

2 发展:从 100 米到 300 米,步步都是突破

“饱和潜水作为人类迈进深海的一种重要技术,是所有海洋强国的国家想追求并掌握的科技手段。”业内人士表示,我国饱和潜水技术研究起步于 1975 年,在进入 1980 年代后的 10 年里得到了迅猛发展。2006 年进行了 93 米商业饱和潜水作业、2010 年进行了 483 米饱和潜水实验、2014 年进行了300 米饱和潜水实海作业,饱和潜水技术由研究摸索阶段正式步入实际应用阶段。

在世界饱和潜水史上,下潜深海 300 米是一道难以逾越的门槛,目前只有少数国家掌握该技术并进行技术封锁。饱和潜水技术是潜水行业顶级核心技术,也是人类向海洋空间和生命极限挑战的前沿技术。世界先进海洋国家历来重视饱和潜水技术发展,与载人飞船发射升空都是国家综合实力的体现。

迄今为止,海上饱和潜水的深度记录 534 米,是由法国Comex 公司于 1988 年在地中海的一次科研潜水中建立的。科研实验潜水的最深记录 701 米,是由希腊籍潜水员塞奥佐 罗 斯(Theodoros Mavrostomos)1992 年 在 法 国 Comex 公 司的陆上高压舱内创建的。实验中潜水员呼吸氢氦氧气混合气(Hydreliox),并在舱内度过 43 天时间。海洋石油实际作业潜水记录是 328 米。1990 年 2 月,潜水支持船“Stena Marianos”号上的饱和潜水员,在巴西坎波斯盆地(Campos Basin)316 米水下,为巴西石油公司(Petrobras)进行岐管安装(manifold installation)。当时操作水下提升袋(lift bag)失效,设备被海底水流带到海底 328 米深度,潜水员进行了打捞和安装。

据悉,交通运输部上海打捞局作为国内最大的饱和潜水应用单位,曾率先研发成功 200 米、300 米饱和潜水技术,为饱和潜水技术突破和产业化发展提供了坚实的基础和保障。

上海打捞局于 2006 年自行开发了 200 米饱和潜水作业成套技术,并应用该技术成功完成了南海番禹油田的立管更换工程,作业深度 103.5 米,作业时间 126 小时,实现了我国饱和潜水技术在商业潜水领域零的突破,并形成了 200 米饱和潜水作业能力。2009 年,上海打捞局受交通运输部委托,完成了《200 米氦氧饱和潜水作业要求》(GB/T 24555-2009)等有关 3 个国标、9 个行业标准的编制,并正式颁布。2009-2012 年上海打捞局完成了 300 米饱和潜水成套技术的研发工作,委托澳大利亚 Divex 公司共同设计建造了 300 米饱和潜水系统,委托武昌造船厂共同设计建造了具有 DP2 作业功能、具有世界先进水平的深潜母船“深潜号”,形成了 300 米饱和潜水作业能力。2013 年 5 月,上海打捞局承接流花 PY-15深水脐带缆安装项目,以动力定位船“深潜号”为作业平台实施海上安装。在脐带缆的最后安装中,潜水员在 198 米完成法兰连接和阀门打开等一系列水下工作。2014 年,在南中国海创造了 313.5 米的国内巡回潜水深度记录。

从深度 100 米,到 200 米,再到 300 米,每一步,都是突破。

“我国首次 300 米饱和潜水作业取得成功,表明中国在向深海进军的征程中,可以在更大的深度下,开展复杂的水下安装、抽油、抢险打捞作业,可增强我国大深度水下各类应急抢险和环境救助能力,提高应对我国东海、南海及经济专属区政治、经济等紧急事件发生的能力,提升我国在海洋活动、海洋经济中的话语权,这是一个国家综合实力的体现。”原上海打捞局局长沈灏表示,我国将冲击 500 米饱和潜水新目标。

从 2016 年起,芜湖潜水装备厂开始成套建造商用饱和潜水装备。由英国 JFD 公司进行技术设计,芜湖潜水装备厂进行施工设计、编制工艺、建造、检验和系统调试的上海打捞局“300 米饱和潜水系统”在 2019 年 4 月底交付使用,成为我国首套国产商业饱和潜水系统。

目前,我国已拥有成套饱和潜水技术,创新能力不断增强,各项成果不断出现。例如,2016 年,国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项“饱和潜水系统自航式高压逃生艇和外循式环控设备研制”项目启动。上海打捞局“海上 300m 氦氧饱和潜水作业技术及应用”项目获中国航海学会科学技术奖一等奖……饱和潜水作业能力获得重大突破,提高了我国大深度水下救援能力、抢险打捞能力和海洋工程作业的能力,以及高效处置和应对水上重特大突发事件、突发政治军事事件的能力,对保证我国水上交通安全、加强交通战备和挺进深海、建设海洋强国具有重要的里程碑式的意义。

3 应用:在援潜救生、海底施工等领域作用无法替代

饱和潜水技术是涉及机械、电气工程、潜水医学、海洋工程等多学科的一门尖端、复杂的集成技术,由饱和潜水设备、设备操作及饱和潜水作业管理三部分组成。也是目前世界上唯一一种实现潜水员直接暴露在深水环境内工作的承压式潜水技术,具有作业效率高、受局限性小的特点,在海洋油气开发、深水设施安装、失事舰船援潜、海洋资源勘探等领域,发挥着各类 ROV(水下遥控机器人)和载人潜器无法替代的作用。

近年来,饱和潜水被广泛应用于援潜救生、海底施工与作业、水下资源勘探、海洋科学考察等领域。尤其是在海洋工程方面,海底管线与电缆的铺设、检测与维修,FPSO 单点系泊系统安装、弃置,海上钻井平台水下部分修理等,处处留下了饱和潜水员的身影。

作为“国家队”的交通运输部救捞局,拥有较为齐全的水下作业手段和技术装备,具有丰富作业经验和技能的潜水员队伍,成为我国水下作业的“主力”。

上海打捞局作为我国救捞系统开展饱和潜水作业任务的主要单位,承担了多次饱和潜水应急救助及抢险任务。自2006 年以来,上海打捞局应用饱和潜水作业技术累计完成 11次海上抢险或深海施工、安装、维修项目,累计潜水时间超过 18000 小时,特别在应对 2013 年崖城海底气管破损事故的应急处置中,克服气象恶劣、作业危险大等困难,高效完成了抢险修复任务,有力保障了香港的居民用气安全。

另有相当一批专为海上钻井、采油平台水下工程服务的潜水机构也相继出现。海洋工程中的安装膨胀管、海管悬跨段治理、安装 FPSO 单点系统、海管除蜡等业务,逐步开展。依靠潜水员进行的水下切割、水下焊接等高度专业性的工作,成为拆解水下金属结构物(如打捞沉船、拆除水下结构物等)的重要手段。

在内河水域,水库大坝水下部分的检测养护,更是离不开潜水员。金沙江观音岩水电站由上海交大海洋水下工程研究院负责潜水技术咨询,其大坝水下缺陷治理作业,是我国水利水电行业首次采用大规模氦氧混合气潜水作业项目,最大作业水深达 120 米,混合气下水作业班次达到 1280 次,潜水 2560 人次,其作业规模在我国甚至全球范围都是最大的。

“只有人的灵活性,才能处理水下复杂的事务。饱和潜水增加了作业深度,具有明显优势。”深圳海油工程水下技术有限公司刘贞飞工程师表示。

“我从事潜水事业近 30 年,饱和潜水是目前潜水中最高级、最先进的潜水技术。”交通运输部上海打捞局工程船队副队长金锋说。作为惟一可使潜水员直接暴露于高压环境开展水下作业的潜水方式,氦氧饱和潜水在各领域发挥着不可替代的作用。

随着数字技术的发展,ROV 凭借外挂摄像头、避障声呐、追踪器等,能做到挂扣、解扣、切割锚链或索缆、清除小的障碍物,但实际应用中,通常需要饱和潜水与 ROV 配合,对于复杂的水下作业,如连接法兰、清理海生物、精确地安装作业等,仍要由潜水员来亲手完成。

4 潜水员:与深海高压“共舞”

郝蕾曾经唱过一首歌《潜水》,歌词里写道:“我想我是一只鱼不与大自然对抗较量,我想我能水下呼吸潜水了解自然规律,我想我可以用冰冷的身体浸入深海底,我想挑战黑暗不清晰不安全的神秘地……”

人类终究不是鱼,尽管我们在海洋里各种模拟“鱼”的姿态,穿上脚蹼等。而饱和潜水员的每一次下水作业,都是与大自然的对抗较量。

在 300 米海底,潜水员承受的压力是地面的 30 倍。其间,潜水员的生活与常人有很大的不同。

呼吸。常人呼吸的空气,主要是由氮气和氧气组成的混合体,呼吸过程是几乎没有感觉的轻松行为。饱和潜水员呼吸的气体是由氦气和氧气组成的混合体,氦气多,氧气少,混合的比例因海深不同而不同。潜水员在生活舱和海底呼吸的都是这种气体,呼吸过程倒不困难,但声音会变得像鸭子叫一样。

压力。深海之所以有压力,主要是受到地心引力的影响,所以产生了向下的力,这种力便形成的水压。深海的水压是水对周边存在物的压强,就如同大气压一般。水压还和水的深度存在着联系,水越深,压力自然越大。

深海鱼类为了适应环境,生理机能已经发生了很大变化。正常情况下,人类如果不借助潜水器、潜水艇之类的潜水设备的话,潜入海底深处只会是死路一条。即使是那些抗压高手深海鱼类,也同样面临这个问题:把它们迁移至浅海时,它们将会爆炸、死亡。

这使得潜水作业的时间受到很大限制,也增加了一定的危险性:使用氦氧混合气的直接潜水深度能到达 100 米左右,当潜水员作业完成以后,需要漫长的水下减压时间,即让身体内溶解的氦气等惰性气体随着压力的减小而释放出去。如果减压正常,溶解于血液以及组织内的氦气将会汇集到肺泡中被呼出,对人体无害;但如果减压过快,溶解的氦气等将会在几秒内形成气泡,对人体组织造成极大的损伤。

据曾经参与过我国 330.2 米饱和潜水试验的潜水员称,“在300 米的深海里,人感觉就像被挤压住了一样,骨头与骨头贴得很紧,抬下手、动动脚都很费力。”

还有吃饭、睡觉、穿衣等。据潜水员们介绍,他们吃饭也与常人不一样。潜水员不能吃硬的,会损伤牙齿;不能吃黄豆等容易放屁的食物,不能吃萝卜、韭菜等味道重的食物,以免污染狭小的环境;吃饭时,米饭、馒头被挤压粘在牙上,很难受,需要使劲咀嚼,才能吃下去。6 个人挤在长 11 米、宽 3.8 米、高 3.5 米的生活舱里。舱里有 6 个上下设置的床铺,中间过道不到 50 厘米宽,床宽 90 厘米。没有白天黑夜的感觉,睡觉不能关灯,以便监控室随时监控着他们的生命安全。生活舱里保持着 38~40℃的温度,在舱里穿着短袖等纯棉宽松的衣服。下海作业时,穿的是“热水服”,流动着热水的水管密布在衣服的各处,不停地给潜水员加热,以抵御海水的寒冷和补充潜水员因呼吸氦气而被带走的热量。

一位多年从事饱和潜水工作的潜水员分享道:“饱和加压期间,很热,我必须自己给自己扇风,并不断地通过打哈欠,咽口水或者佛萨瓦氏通气法(捏住鼻子,闭上嘴然后鼓气,这个方式的学名)来平衡耳压。而且,会有一段时间的关节疼痛。”

5 感悟:“如果能有一束光照进海底”

我们常常以为,海底世界是浪漫、五彩斑斓的,充满着各种奇幻景象,其实大洋深处是一片黑暗,200 米以下光线已基本无法穿透。

对饱和潜水员来说,大部分时候,他们在工作中感受到的并不是浪漫,而是黑暗和随时都可能到来的危险。因为他们经常要下潜到 200 米,甚至 300 米的水下,在那里打捞沉船、搜寻遗体,或者从事一些水下工程的安装、维护和拆除工作。他们没有选择下水地点的机会。不管在哪片水域,只要条件允许,就得下去,作业位置就是他们的“潜点”。

因此,饱和潜水员需要上的一堂重要的课就是——学会适应海底的黑暗以及忍受内心的孤独。

“下去以后感觉就漆黑一片,孤立无援,瞎子摸象一样。半浮状态去潜水,往下看的时候,像一个大的黑洞,感觉它要把你吸下去。心里会感觉有一种看了恐怖片,身临其境的感觉。”上海打捞局的潜水员张伟平即使工作了 20 多年,仍然记得第一次下海时的恐惧。

有数据显示,在商业潜水中,如果工期和其他条件(比如气体和滤材供应充足,饱和潜水系统设计合理)允许,可以在水下停留 30 天以上。

数十天在水下对潜水员的心理状态是极大的考验——过着与世隔绝的生活,不能携带电子设备,除了作业时间,不能走出那个形似“油罐”的舱室。

经常打捞沉船的潜水员曾发出感慨,在水底看到的是锈迹斑斑的沉船,上面长满了海洋生物,提示着时间曾在这里流逝。变形的船舱里,脱落的木板、电线,桌子椅子都漂浮在半空中,保持着灾难发生时的样子,时间又仿佛静止一般,“整个氛围是很悲凉的”。

潜水帽子虽然有灯,但是因为水中的微粒会散射光,所以实际上灯光会让情况更糟。潜水员必须持续和水面上的潜水监察员保持联系,监察员指导潜水员的工作,排除故障还有传送工作所需装备。这样的工作除了对体能有要求外,还需要在周围的能见度为零或近乎为零的地方有十分集中的注意力。

广州潜水学校潜水教练田坤文介绍道:“长时间在饱和舱,尤其是在加压减压或者没有工作的时间,主要通过看书看报看电影,或者一起玩玩棋牌类游戏,打发无聊的时光,否则太无聊潜水员也会出现情绪上的变化,变得易怒、焦虑等。舱内潜水员相互之间要多留意情绪上的变化,一定要注意相处的方式方法,多考虑他人感受,及时与舱外保障人员反馈各方面的变化,及时疏导和排解情绪上的问题。”

减压的过程是最难熬的。去饱和大多都是在密室中进行,一般都是每 24 小时减掉 100 英尺的水压,300 米饱和潜水大概需要 10 天的减压。同时,对身体的负担很大,会产生头痛,呼吸急促的现象。

一位不愿透露姓名的潜水员对记者说:“在海底工作时,黑暗的环境,如果能有一束光照进来就好了,这可能更多的时候是一种心理的需求。”

6 未来:勇当追梦人,助力海洋强国建设

江河、近海、远海,100 米、200 米、300 米……中国救捞人一次次刷新水下救援的记录,一次次用下潜深度丈量生命尺度。400 米、500 米,中国救捞人正向新的深度迈进!

如今,在上海打捞局,一支有技术、能战斗、能吃苦、能奉献的一流的潜水队伍已经集结,其中有 50 多人持有饱和潜水证书。在“东方之星”客轮救援打捞、“世越号”沉船打捞、重庆坠江公交车应急打捞等重大工程中,他们身上体现了信念坚定、胸怀大局、殚精竭虑、不懈奋斗的专业精神,展现了国家专业化队伍实力和坚强战斗堡垒作用。

而在广州打捞局,其下属的广州潜水学校是全国唯一一所全日制潜水学校,拥有雄厚且教学实践经验丰富的教学培训师资和先进完备的教学训练设施设备,积极参与国家潜水领域的科研工作,每年为公安特警、消防、海事、水利三防、油田等国家应急保障单位和救捞系统单位提供潜水技能培训。

一支完备的饱和潜水作业队伍由潜水总监、潜水监督、潜水员、生命支持员、设备支持员等组成。因此,一次成功的打捞作业通常都是团队合力的最大体现。广州潜水学校潜水教练张剑雄对记者说:“救助打捞人才团队的建设应是摆在第一位的,首先应该培养专业人才,包含各种岗位的人员,比如潜水员、生命支持员、潜水医生、潜水机电员、潜水监督等。潜水作业,任何一个环节任何一个岗位都必须具备相应的适任能力,只有经过系统全面的培训,才能掌握扎实的潜水专业救援技术,同时还应该安排到实际一线作业现场进行锻炼,参与实践检验,不断总结,才能不断提升实战能力。此外,还要不断更新救援专业知识,及时掌握先进的专业救援设备,才能在关键时刻真正展现‘冲得上去,救得下来’的国家专业救援队伍风采。”

田坤文说:“潜水员的工作环境相对较差,能够让他们选择深潜水或饱和潜水的职业,一部分是出于对潜水职业的向往和敬意,出于响应我国建设海洋强国,向深海进发的号召,想在潜水行业干一番事业,有更多的机会为国家做出贡献。”

5 月 16 日,中国潜水打捞行业协会三届一次常务理事会在湛江市广东海洋大学召开,会议通过了《行业自律管理体系建设规则(草案)》、《行业职业道德准则》等文件。“制定有效、科学、与时俱进的潜水与水下作业管理制度,建立有针对性的行业标准迫在眉睫。”中国潜水打捞协会宋家慧理事长表示。“饱和潜水作为大深度潜水技术之一,前景和发展空间巨大,要和国家经济建设发展大局、国家海洋战略相吻合,与国家‘一带一路’总体布局相适应,要进一步加强沟通与交流,共同促进行业整体技术提升。”

习近平总书记说:“伟大出自平凡,英雄来自人民。把每一项平凡工作做好就是不平凡。”

潜水员们就是这样,潜游于祖国的江河湖海,挑战着人类的生命极限,默默地勇担责任,与危险同行,与压力共舞,追逐着心中的“海洋梦”。

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