深海采礦船布放回收系統(tǒng)負(fù)荷試驗(yàn)方法研究

羅運(yùn)承

(福建省馬尾造船股份有限公司，福建 福州 350501)

0 引言

海洋礦產(chǎn)資源種類繁多，其范圍之廣、儲(chǔ)量之大遠(yuǎn)超陸地礦產(chǎn)資源。國(guó)際海底區(qū)域內(nèi)的資源是人類共同財(cái)產(chǎn)，遵循“誰(shuí)有能力誰(shuí)先開(kāi)發(fā)”的原則[1]。大力發(fā)展深海礦產(chǎn)勘探與開(kāi)發(fā)技術(shù)已成為各國(guó)從事國(guó)際海底區(qū)域活動(dòng)的基本戰(zhàn)略，世界各國(guó)圍繞海洋戰(zhàn)略空間拓展、資源占有和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的競(jìng)爭(zhēng)越演越烈。

深海采礦船作為采礦作業(yè)的生產(chǎn)支持和存儲(chǔ)母船，是采礦系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，兼具航行、居住、采礦作業(yè)和保障等四大功能，其配套裝備新、系統(tǒng)集成度高。與常規(guī)海洋工程船相比，采礦船對(duì)水下作業(yè)裝備布放回收系統(tǒng)、礦物脫水系統(tǒng)、礦物存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的安裝提出了更高的要求[2]。

布放回收系統(tǒng)(Launch and recovery system， LARS)是用于深海采礦的重要輔助裝備之一。采礦作業(yè)開(kāi)始前，將采礦車等水下裝備布放到海中指定位置。采礦作業(yè)結(jié)束后，將上述裝備回收到母船上、整齊有序存放以保證下一次采礦作業(yè)順利進(jìn)行。由于采礦車較大，同時(shí)需布放相關(guān)設(shè)備較多，因此對(duì)于布放回收系統(tǒng)的承載能力及運(yùn)行可靠性有著較高的要求，負(fù)荷試驗(yàn)是對(duì)此進(jìn)行檢驗(yàn)的有效手段。本文主要結(jié)合227 m深海采礦船項(xiàng)目的水下設(shè)備試驗(yàn)需求，根據(jù)挪威船級(jí)社對(duì)起重設(shè)備的要求，從布放回收裝置的試驗(yàn)載荷選定、加載措施、靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)等方面進(jìn)行研究，為相關(guān)設(shè)備的試驗(yàn)提供技術(shù)支撐和工程經(jīng)驗(yàn)積累。

1 布放回收系統(tǒng)的組成

(1)提升絞車：提升絞車用于布放和從海底回收采礦車，最大工作深度為2 500 m，其工作動(dòng)力由一個(gè)獨(dú)立液壓?jiǎn)卧?HPU)提供，可變轉(zhuǎn)速。

(2)排纜器:排纜器安裝在提升絞車前方，導(dǎo)向滑輪通過(guò)一個(gè)液壓缸沿著絞車卷筒的方向引導(dǎo)，在絞車滾筒上從內(nèi)到外依次控制鋼纜的排列。

(3)A型架:A架是一種有著廣泛應(yīng)用的設(shè)計(jì)，它特別適用于海底采礦機(jī)器、工具的布放和回收操作， 在回收和布放過(guò)程中將設(shè)備由舷外移到船上或者由船上移出到舷外。

(4)穩(wěn)定架：穩(wěn)定架主要由防側(cè)滾系統(tǒng)和伸縮機(jī)構(gòu)組成，起到了布放回收過(guò)程中的緩沖作用，減小因采礦船在海面上的運(yùn)動(dòng)為布放帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)液壓?jiǎn)卧?HPU)：液壓?jiǎn)卧糜谙蚺爬|裝置、絞車、A型架、穩(wěn)定架、臍帶絞車提供壓力油作為 驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力。

(6)臍帶絞車和臍帶滑輪：臍帶絞車提供臍帶電纜，連接電氣控制站和采礦車，在礦車上升或者下降的過(guò)程中相應(yīng)的回收和布放電纜。臍帶絞車自帶排纜功能。臍帶滑輪布置在舷側(cè)，將從臍帶絞車出來(lái)的水平狀態(tài)電纜轉(zhuǎn)向?yàn)榇怪睜顟B(tài)。

布放回收系統(tǒng)主要組成部分見(jiàn)圖1。

2 試驗(yàn)載荷的選定

2.1 試驗(yàn)負(fù)載選定依據(jù)

布放回收系統(tǒng)安全工作載荷為3 100 kN，需滿足挪威船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)挪威船級(jí)社起重設(shè)備認(rèn)證中的規(guī)定,試驗(yàn)載荷應(yīng)超過(guò)起重設(shè)備的安全工作負(fù)荷FSWL，見(jiàn)表1。

圖1 布放回收系統(tǒng)主要組成部分

安全工作載荷FSWL試驗(yàn)載荷FSWL≤200kN超過(guò)安全工作載荷25%200kN500kN超過(guò)安全工作載荷10%注:(1)當(dāng)設(shè)計(jì)動(dòng)力系數(shù)ψ超過(guò)1.33時(shí),表格中的參考安全工作載荷取值為0.75ψFSWL (2)以上為靜態(tài)試驗(yàn)的要求,布放回收系統(tǒng)還需在110%安全載荷的狀態(tài)下完成全行程回轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)負(fù)載選定計(jì)算

布放回收系統(tǒng)在動(dòng)作過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)3個(gè)不同的工況區(qū)域：空氣中、飛濺區(qū)和水中，每個(gè)區(qū)域的動(dòng)力系數(shù)不同，見(jiàn)表2。對(duì)各個(gè)工況區(qū)所取的安全工作載荷計(jì)算如下：

(1)空氣中，ψ=1.3<1.33, 故計(jì)算用安全工作載荷FSWL=3 100 kN，試驗(yàn)負(fù)荷=1.1FSWL=3 410 kN。

(2)飛濺區(qū)，ψ=2>1.33, 故計(jì)算用安全工作載荷FSWL=4 650 kN,試驗(yàn)負(fù)荷=1.1FSWL=5 115 kN。

(3)水中，ψ=1.3<1.33, 故計(jì)算用安全工作載荷FSWL=3 100 kN，試驗(yàn)負(fù)荷=1.1FSWL=3 410 kN。

載荷工況描述與計(jì)算負(fù)荷匯總見(jiàn)表2。

表2 布放回收系統(tǒng)靜態(tài)試驗(yàn)工況載荷匯總

因此，本采礦船布放回收系統(tǒng)靜態(tài)試驗(yàn)載荷為：

靜態(tài)試驗(yàn)載荷=5 115 kN

動(dòng)態(tài)測(cè)試應(yīng)通過(guò)在110%FSWL下操作A型架進(jìn)行全行程回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)載荷為：

動(dòng)態(tài)試驗(yàn)載荷=3 410 kN

3 試驗(yàn)加載措施

LARS采用一個(gè)A型架來(lái)起吊采礦設(shè)備。受其結(jié)構(gòu)的影響能夠放置重物的空間較小，A型架兩腿之間距離約為13 m，穩(wěn)定架距甲板面高度約為8 m，需考慮在此空間內(nèi)最大放置5 115 kN的載荷，且載荷可調(diào)以便做不同載荷狀態(tài)試驗(yàn)。傳統(tǒng)的水袋由于體積太大無(wú)法滿足此要求，本采礦船利用托盤(pán)盛放小型壓鐵的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)重量要求。

托盤(pán)尺寸10 000 mm×8 000 mm×1 100 mm，自重載荷為250 kN，壓鐵載荷為3 750 kN，吊索載荷約為30 kN，剩余載荷采用配制密度為1 300 kg/m3泥漿注入托盤(pán)內(nèi)部的方法解決。靜態(tài)試驗(yàn)載荷的組成見(jiàn)表3。

表3 靜態(tài)載荷的組成kN

托盤(pán)壓鐵吊索泥漿總計(jì)25037503010855115

4 試驗(yàn)過(guò)程

4.1 靜態(tài)試驗(yàn)

布放回收系統(tǒng)靜態(tài)負(fù)載試驗(yàn)選擇在2個(gè)不同的位置進(jìn)行：舷外12.8 m位置(最大起吊行程位置)和舷內(nèi)8.1 m位置(停泊位置)，見(jiàn)圖2，兩位置的計(jì)算測(cè)試負(fù)荷均為5 115 kN。

圖2 靜態(tài)負(fù)荷試驗(yàn)測(cè)試位置

靜態(tài)試驗(yàn)需要將測(cè)試載荷連接到具備有效校準(zhǔn)證書(shū)，誤差范圍在±2%的稱重拉力計(jì)上進(jìn)行測(cè)試，在每個(gè)位置保持5 min[3]。對(duì)于所有負(fù)荷試驗(yàn)，要求按照計(jì)算載荷進(jìn)行垂向加載。

4.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)測(cè)試應(yīng)在110%FSWL下操作A型架從舷內(nèi)8.1 m到舷外12.8 m的整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍下進(jìn)行。首先在舷內(nèi)8.1 m處保持A型架位置固定至少3 min，然后低速操縱A型架回轉(zhuǎn)到舷外最大位置完成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)載荷通過(guò)減少托盤(pán)上的壓鐵數(shù)量來(lái)獲得。

負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)束后，A型架基座焊縫需進(jìn)行滲透探傷檢驗(yàn)，各鉸鏈和油缸支承點(diǎn)應(yīng)目視檢查，基座和設(shè)備不應(yīng)顯示任何跡象的塑性變形或裂紋擴(kuò)展。

5 結(jié)論

綜上所述，本文首先根據(jù)挪威船級(jí)社規(guī)范要求，計(jì)算出空氣中、水中和飛濺區(qū)不同動(dòng)力系數(shù)工況下的靜態(tài)測(cè)試載荷，取最大值5 115 kN作為靜態(tài)試驗(yàn)載荷值，同時(shí)取1.1倍安全工作載荷3 410 kN作為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)載荷值。然后采用了托盤(pán)+泥漿+壓鐵的方式，在有限的加載空間內(nèi)獲得以上兩種載荷。最后介紹了動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)的加載位置和加載時(shí)間，從而完成對(duì)深海采礦船采礦設(shè)備布放回收系統(tǒng)負(fù)荷試驗(yàn)的方案研究。

準(zhǔn)確理解規(guī)范要求，計(jì)算并選取合適的載荷值對(duì)于負(fù)荷實(shí)驗(yàn)方案的制定和前期工程策劃有著重要的意義。對(duì)于采用A型架的重型布放回收系統(tǒng)負(fù)荷試驗(yàn)，由于載荷較重空間有限，而且載荷需可調(diào)，輔助設(shè)施也有限制，采用組合式載荷能夠有效地解決以上問(wèn)題，根據(jù)需求可以方便調(diào)整載荷大小，操作安全，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

選擇多點(diǎn)對(duì)回轉(zhuǎn)式布放回收系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)負(fù)荷試驗(yàn)?zāi)軌蚋行У貦z驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，為后續(xù)設(shè)備的布放回收提供安全保障。

布放回收系統(tǒng)的負(fù)荷試驗(yàn)要根據(jù)規(guī)范要求、廠家說(shuō)明、船上布置、輔助設(shè)施、經(jīng)濟(jì)性、操作安全等諸多方面進(jìn)行綜合考慮。隨著海洋設(shè)備的發(fā)展，重型布放回收系統(tǒng)的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，我國(guó)應(yīng)該加快該方面的研究步伐，不斷吸收借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和積累工程經(jīng)驗(yàn)， 最終趕上并超過(guò)世界先進(jìn)水平。