一种细长型水下浮箱的注排水控制方法与流程

本发明涉及一种细长型水下浮箱的注排水控制方法，使该浮箱可以在海洋及湖泊等水下环境中沉入水底及上浮至水面回收，属于海洋观测领域。

背景技术：

海洋观测是研究海洋、开发海洋、利用海洋的基础，国际海洋科学组织和海洋强国一直都非常重视海洋观测技术的研究，在水下海洋观测技术中，构成海底观测网的海床基观测设备，将成为今后理解和预测海洋过程的主要观测方式之一。大型海床基观测设备可安装在刚性较强的承载平台上，通过在承载平台上安装浮箱装置，可实现大型观测设备整体快速布放及快速回收，以便提高效率、降低劳动强度及减少试验人员伤亡及设备损失破坏的风险。

该承载平台通过浮箱抽气注水进行下沉，充气排水进行上浮。在承载平台的下沉和上浮过程中，浮箱抽气和充气可以通过管路上的阀门在船上进行操作，相对比较简单，成本较低。但是浮箱的注水和排水不便在船上操作，需要在水下进行操作，如果采用阀门控制，不仅阀门的有防污和防腐的要求，而且阀门的控制不论采用有缆的人工控制，还是水下自动控制，都相对复杂，体积庞大，安装不便，可靠性较低，成本较高，以至于采用水下阀门控制浮箱注排水是一种较难实现的操作方法。

因此，需要一种结构简单、可靠性高、成本较低，并且较易实现的浮箱注排水控制方法对水下浮箱进行操作。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可靠性高、成本较低，并且简便易行的浮箱无阀注排水控制方法对水下浮箱进行操作，解决现有技术中的不足和缺陷，能够实现水下浮箱在上浮和下沉的操作过程中能够自动实现注排水。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种细长型水下浮箱(长宽比不小于3∶1)的无阀注排水控制方法，主要包括以下内容：

一、以浮箱的顶部所在平面为工作面，通过给浮箱配重，保持工作面在海面及沉入海底后始终向上，同时在浮箱两端增加防护层，在浮箱下方安装保护支架，防止浮箱触底时受到碰撞而破损；

二、计算整个浮箱承载平台的水下重量g，包括浮箱、支架、配重及搭载的设备等；

三、计算所有浮箱能够提供的总浮力f，总浮力由浮箱的容积v提供，即：

f＝ρgv(1)

并且浮箱平台的水下重量与总浮力应具有如下关系：

g＝δf(0＜δ＜1)(2)

四、设单个浮箱的长度为l。在浮箱的两端下部安装注排水管，浮箱的注水和排水管路是共用的。注排水管采用硬质材料，该管路向浮箱的中部水平延伸。浮箱平台下沉过程中，注排水管向浮箱内注水，浮箱平台在上浮过程中，注排水管向浮箱外排水。注排水管路的长度l′为从管路出水口至注排水管与浮箱连接一端的距离，该长度l′应满足：

l′＞δl(0＜δ＜1)(3)

其中δ根据具体情况确定，同时l′不宜过长，否则浮箱上升较快，导致有可能造成设备损坏。

如果受到空间的限制，需要注排水管改变方向，应保证管路长度等效于长度l′。

五、工作原理

有浮箱装置的承载平台在海面上时，此时浮箱内部充满空气。到达试验水域后，通过抽气设备把浮箱内的空气逐渐抽出，同时注排水管在浮箱的下方，开口在水面以下，浮箱开始从注排水管注水，因此平台的浮力不断减小，平台慢慢从一端开始沉没于水中，另一端仍在水面上，当浮力小于平台的水下重量时，平台全部没入水中，此时关闭抽气阀门，停止抽气，平台开始下沉，直至水底。下沉的过程中，随着压力随水深不断增加，浮箱内不断从注排水管注水，保持浮箱内空气与浮箱外部的压力差在允许的范围内，以保护浮箱不会由于压差过大而受到破坏。然后打开排气阀门，利用水底的压力把浮箱内剩余的气体排出，这是平台的下沉过程。

任务完成后，利用气管给浮箱充气，在开始充气阶段，压缩空气进入浮箱，将浮箱内的水从注排水管排出，此时，浮力小于浮箱的水下重量，浮箱平台仍然处于坐底状态，由于注排水管在浮箱下部，只有浮箱内的水排出，而压缩空气密度小，位于浮箱内的顶部。

随着继续给浮箱充气，对于长宽比较小的浮箱，可以保持略微倾斜的姿态开始离开水底上浮，由于配重的原因，工作面始终向上，注排水管在浮箱下方，仅浮箱内的水排出，而可以保证浮箱内的空气不会排出。上浮过程中由于浮箱外部压力降低，浮箱内的气体可以继续膨胀，增大浮力，保证浮箱上浮至水面。

对于长宽比较大的浮箱，由于水底的地势不会完全水平，充气后，压缩空气会聚集在地势较高的浮箱一端，随着继续给浮箱充气，浮箱从地势较高的一端开始上浮，而另一端仍然触底。如果水深小于浮箱平台的长度，那么浮箱平台先上浮的一端会露出水面，保持倾斜状态，继续充气，直到另一端浮出水面；如果水深大于浮箱平台的长度，那么浮箱平台会以接近铅直的角度，立于水底，随着继续给浮箱充气，浮箱平台离开水底，上浮至水面。

在上浮过程中，注排水管路的长度及浮箱平台的配重保证了浮箱的浮力能够满足整个浮箱平台上浮的浮力需求。

六、本发明的效果益处

采用该方法，可以使得浮箱在下沉和上浮的过程中，根据浮箱周围的压力变化能够自动控制浮箱的注水和排水，并保证所需的浮力；

采用该方法，可以使得水下浮箱的内外压差较小，不必考虑浮箱壳体的耐压性能，从而简化水下浮箱的结构设计，制作较容易，降低浮箱重量，降低成本；

采用该方法，结构简单，可靠性高，维护简便，与采用阀门的方法相比，成本几乎可以忽略不计；

采用该方法，浮箱的材质不局限于金属材料，还可以采用非金属材料、复合材料等。

附图说明

附图1浮箱的构造示意图。

附图2水下倾斜状态的浮箱示意图。

附图3水下铅直状态的浮箱示意图。

图中：1浮箱；2工作面；3气管；4注排水管；5浮箱支架；

6水；7浮箱内最低液位；8储备浮力空间；9压缩空气。

具体实施方式

为使本发明的特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。但是本发明不限于所列出的实施例，还应包括本发明所要求的权利范围内其他任何公知的改变。

首先，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

其次，本发明利用结构示意图等进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际应用中应结合浮箱结构的三维空间布置进行注排水管的布局设计。

本发明所采用的浮箱1如图1所示，浮箱1安装浮箱支架5，以保证浮箱1在坐底时不会因为磕碰撞击而受损，通过配重保证浮箱平台的工作面2在下沉、上浮的过程中及漂浮和坐底的状态下始终向上，气管3用于给浮箱下沉作业时抽气和上浮作业时充气，注排水管4用于给浮箱下沉作业时注水和上浮作业时排水。

接下来的内容，将结合附图和实施例对本发明专利的内容作进一步的说明。

假设浮箱的浮力是整个测试平台水下重量的3倍，根据式(2)及式(3)，即g＝1/3f，若浮箱的长度为l，则注排水管的长度l′＞δl(1/3＜δ＜1)，如图1所示。

一、浮箱下沉过程的注水控制

浮箱下沉布放设备需要把浮箱内的空气置换为水，以降低浮力，使浮箱平台沉入海底。

通常情况下，浮箱平台被运送至测试海域，此时，浮箱1内部空间通过注排水管4与周围水体连通，浮箱1内充满空气。利用气管3从浮箱内抽气，同时，浮箱内压力减小，水从注排水管注入浮箱内，从而浮箱1的浮力逐渐减小，浮箱缓慢下沉。由于浮箱1内的水是自由流动的，在浮箱两端即将完全没入水中时，略微上提气管所在浮箱1的一端，使浮箱1倾斜，浮箱1内的水流向另一端，这一端先下沉以保证能够继续抽气，水受压力作用不断从注排水管4注入浮箱1。

如果水深小于浮箱1的长度l，那么浮箱1会继续倾斜，直至先下沉的一端触底，另一端在水面上，如图2所示。继续抽气，浮箱1内的水位不断上升，浮箱1的浮力降低，最终浮箱1沉入水底。

如果水深大于浮箱1的长度l，那么浮箱1会继续倾斜，直至浮箱1接近铅直状态，有气管的浮箱1一端在水面上，如图3所示。继续抽气，浮箱1内的水位不断上升，浮箱1的浮力降低，最终浮箱1沉入水底。

二、浮箱上浮过程的排水控制

作业完成后，需要回收整个浮箱平台及设备。即需要压缩空气浮箱1内的水从注排水管4排出，增加浮力，以保证浮箱平台上浮。

给在水底的浮箱1充压缩空气，由于配重，注排水管在浮箱1的下部，浮箱1内的水6受到压力从注排水管排出。因为水底不会完全水平，浮箱1处于略微倾斜状态。随着不断充气，浮箱1内的水也不断从注排水管排出，导致浮箱1内的压缩空气大部分聚集在地势较高的浮箱一端，充气到达一定程度时，地势较高的一端由于浮力较大，开始上浮，另一端仍然触底。

如果水深小于浮箱1的长度l，那么浮箱1会继续倾斜，直至先上浮的一端露出水面，另一端仍触底，如图2所示。继续充气，浮箱1内的水位不断下降，浮箱1的浮力增大。

根据连通器的原理，浮箱1内的最低液位7与浮箱1上浮段的注排水管的出水口在同一水平面上，只有当浮箱1内的液位下降至最低液位7时，浮箱1内的压缩空气才开始从注排水管排出。由于注排水管的长度l′＞1/3l，从图2可以看出，浮箱1内的液位到达1/3l位置时，浮箱处于平衡状态，继续充气，注排水管可保证压缩空气9不会溢出，利用一部分储备浮力8，使浮箱最终上浮至水面。

如果水深大于浮箱1的长度l，那么浮箱1会继续倾斜，直至浮箱1接近铅直状态，另一端仍触底，如图3所示。继续充气，浮箱1内的水位不断下降，浮箱1的浮力增大。

根据连通器的原理，浮箱1内的最低液位7与浮箱1上浮段的注排水管的出水口在同一水平面上，只有当浮箱1内的液位下降至最低液位7时，浮箱1内的压缩空气才开始从注排水管排出。由于注排水管的长度l′＞1/3l，从图2可以看出，浮箱1内的液位到达1/3l位置时，浮箱处于平衡状态，继续充气，注排水管可保证压缩空气9不会溢出，利用一部分储备浮力8，使浮箱最终上浮至水面。