深海資源開發(fā)裝備研發(fā)待提速

劉磊 楊建民 徐文豪 金城 吳琪/上海交通大學

由馬尾造船公司承建的全球首制227米深海采礦船“鸚鵡螺新紀元”號

綜合采礦船需要配備綜合電力推進裝置，月池結構，礦石處理、儲存和外輸裝置，系統(tǒng)十分復雜，目前國內還不具備相關設計經驗。

隨著人口不斷增長、經濟的飛速發(fā)展，各國對金屬礦產資源的需求量與日俱增，陸上礦產資源的日漸短缺已經成為全球性的問題。近半個世紀的大洋勘探發(fā)現(xiàn)，占地球面積3/4浩瀚大洋的底部蘊藏著豐富的礦產資源，其種類眾多、儲量巨大、品位極高，是地球上尚未被人類充分認識和利用的最大的潛在戰(zhàn)略資源基地。如果可以實現(xiàn)海底礦產安全、高效的商業(yè)開采，并且控制好對海洋生態(tài)環(huán)境的影響，豐富的海洋礦產資源將成為陸上礦產資源的替代，滿足未來一段時間人類社會的經濟發(fā)展需求。

深海采礦技術作為海洋資源開發(fā)技術的最前沿，技術含量高，標志著一個國家開發(fā)海洋資源的綜合能力和技術水平。深海多金屬結核開采技術的研究更是關系到國家可持續(xù)發(fā)展和民族長遠利益。深海采礦的開發(fā)成功不僅可為我國建立深海金屬礦產開采產業(yè)提供技術保證，還可為其他海洋資源開發(fā)和海洋工程提供相應的技術支撐，使我國在海洋礦產資源開發(fā)甚至海洋資源開發(fā)領域參與國際商業(yè)競爭成為可能。

深海采礦系統(tǒng)關鍵技術

深海采礦系統(tǒng)由海底采礦車、水下輸送系統(tǒng)和水面支持系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)包含諸多關鍵設備，因此需要提煉出關鍵技術和科學問題，深入剖析并展開深入研究，突破深海采礦技術。下文將分別針對總體系統(tǒng)設計、海底采礦車、水下輸送系統(tǒng)和水面支持系統(tǒng)，分析關鍵科學技術問題，簡要闡述相關技術國內外發(fā)展現(xiàn)狀。

總體設計

深海采礦系統(tǒng)的總體設計即為系統(tǒng)頂層設計，包括：根據生廠目標設計深海采礦總體系統(tǒng)；在總體設計的基礎上，對系統(tǒng)總體動力學特性，包括水動力學特性、結構響應、疲勞特性等進行分析；此外，采礦車和輸送系統(tǒng)的布放和回收是深海采礦的重要環(huán)節(jié)，要對布放回收過程中的動力學響應以及布放纜繩中的應力波等進行深入研究。

（1）系統(tǒng)頂層設計

根據深海采礦的生產能力等要求，對深海采礦系統(tǒng)進行頂層設計，包括如下方面的研究：

●水面支持平臺：根據水深及開采區(qū)域風浪流環(huán)境條件， 設計平臺主尺度、系泊系統(tǒng)、月池、布放回收系統(tǒng)平臺甲板區(qū)域、混合物分離裝置、礦石存儲系統(tǒng)、升沉補償裝置等。

●水下輸送系統(tǒng)設計：根據產能需求，設計輸送硬管、提升泵、中繼站、輸送軟管、軟管泵；同時需要根據管道力學特性設計管道連接方式以及管道與采礦車、中繼站、水面支持系統(tǒng)的連接。

●海底采礦車：根據長距離管道輸送特性，設計顆粒采集和破碎系統(tǒng)；設計采礦車區(qū)域海底環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；根據海底條件設計采礦車行進系統(tǒng)；同時需要在采礦車內設計礦石暫存裝置。

●整體聯(lián)動控制：針對深海采礦系統(tǒng)聯(lián)合作業(yè)特性，設計升沉補償裝置、水下輸送系統(tǒng)、采礦車行進和采集的聯(lián)動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)深海采礦整體系統(tǒng)的聯(lián)動控制。

●電力系統(tǒng)：一方面需要設計大功率高壓強電系統(tǒng)，包括采礦車、輸送泵、給料機、軟管泵的能供給；另一方面需要設計低功率低電壓弱電系統(tǒng)，主要用于控制系統(tǒng)供電。

●在實現(xiàn)采礦車基本功能的基礎上，還需要充分考慮深海采礦對海底生態(tài)環(huán)境的影響，盡可能減小工程作業(yè)對海洋生態(tài)的影響。

（2）總體動力學特性

總體系統(tǒng)設計完成后，需校核系統(tǒng)的動力學性能，保證作業(yè)過程安全性。深海采礦系統(tǒng)進行總體動力學特性分析包括如下方面：總體系統(tǒng)水動力學特性；水面支持平臺與管道連接處結構動力學特性與升沉補償系統(tǒng)運動特性；泵—管—中繼站系統(tǒng)結構應力響應及疲勞特性；采礦車—地面相互作用力學特性。

（3）布放回收

采礦車的布放、回收過程一般在溫和海洋環(huán)境條件下進行。一方面，需要根據水面支持平臺的能力、月池尺寸、采礦車尺寸及重量等，對布放、回收方案進行詳細的設計；另一方面，需要對布放回收過程中采礦車的運動、纜繩張力進行動力學分析。此外，當布放水深為數千米數量級時，需要充分考慮由于布放回收過程中存在的應力波對布放回收系統(tǒng)中纜繩受力突增的影響。

海底采礦車

海底采礦車是深海采礦的直接作業(yè)單元，是深海礦石研采的“最前線”。典型的采礦車可以根據其基本功能，分為：環(huán)境感知系統(tǒng)、行進系統(tǒng)以及采集系統(tǒng)。其中環(huán)境感知系統(tǒng)是采礦車的“眼睛”，對采礦車周圍環(huán)境、礦石分布形式進行初步判斷；行進系統(tǒng)則控制采礦車的行走、轉向、爬坡等動作，實現(xiàn)采礦車在海底的行進；采集系統(tǒng)是深海采礦的直接作業(yè)系統(tǒng)，通過采集裝置將礦石采集、初步破碎、分離和清洗，進而通過輸送軟管輸送到中繼站暫時存儲和集中輸送。

（1）環(huán)境感知系統(tǒng)

環(huán)境感知系統(tǒng)的主要任務是克服海底高噪聲、高揚塵、多顆粒散射的困難，實現(xiàn)海底工作區(qū)域環(huán)境的實時感知和測量，為采礦車的行進和礦石的開采打基礎。從感知內容來看，海底環(huán)境感知主要包括海底地形和礦石分布；從測試尺度來看，環(huán)境感知包括整體環(huán)境粗略測量和局部精確測量；從實現(xiàn)手段來看，環(huán)境感知可以通過光學成像技術和聲學成像技術實現(xiàn)。對于海底光學成像系統(tǒng)，國外的Deepsea Power & Light公司、康士伯公司以及Subc Imaging公司等已經具備海底光學成像系統(tǒng)的研制能力，而國內的研究仍處在初步探索階段。對于聲學成像系統(tǒng)，國外研究得到聲學感知技術的混響具有非常平穩(wěn)的功率譜密度；國內則以中南大學為代表，對混響情況下的聲學感知方式進行了一系列的研究，但仍然未能很好的實現(xiàn)海底渾濁情況下的聲波準確探測。

（2）行進控制系統(tǒng)

海底采礦車行進系統(tǒng)采用自行式行進方式，主要分為螺旋槳推進式、阿基米德螺旋式和履帶自行式。經過半個世紀的選擇和發(fā)展，目前主流的行進系統(tǒng)均采用履帶自行式。履帶式行進機構自行牽引力大，承載能力高，跨越或繞過海底障礙容易，對海底擾動較小，操縱性較好，能滿足稀軟海底集礦作業(yè)要求。我國在“八五”期間研制的采礦車模型機采用的也是履帶式行走機構，在第二代模型機中采用尖三角齒特種合金履帶板，進一步提高了采礦車在深海稀軟底環(huán)境下的可靠性和行駛性。

（3）礦石采集系統(tǒng)

海底礦石采集應滿足采集效率高、對海底環(huán)境破壞小、礦石—海泥分離能力強、破碎效率高、作業(yè)可靠性高等特點。目前主流的采集方法大致可分為水力式、機械式和復合式。三種方式均在海底采礦車模型中得到了應用。

水力式集礦方法集礦效率高，對土壤沉積物的清除十分有效，但該方法需要消耗大量能源，對土壤的破壞較大。機械式集礦結構簡單， 耗能低，缺點為集礦效率不高，轉速較高時，結核有隨水流漂浮現(xiàn)象。復合式集礦法則綜合采用水力和機械采集方式，利用水力集礦，采用機械形式的皮帶進行傳輸，具有較高的集礦效率，但仍需要消耗大量能源，對海底土壤影響較為嚴重。我國從20世紀90年代初開始對深海集礦裝備進行研究，“八五”期間研制了第一代用于多金屬結核開采的履帶自行式集礦裝備；“九五”期間，改進研制了第二代集礦裝備，采用了水力式礦石采集方法，提高了集礦效率，并于2001年在云南撫仙湖進行了135米湖試。

水下輸送系統(tǒng)

水下輸送系統(tǒng)將采集和初步處理后的礦石輸送到海面，是連接海底采礦車與水面支持系統(tǒng)的“紐帶”。由于水下輸送系統(tǒng)面臨超長距離、高速混合物料輸送等特性，同時需保證長時間穩(wěn)定、持續(xù)工作，因此水下輸送系統(tǒng)也是深海采礦系統(tǒng)安全性最薄弱的環(huán)節(jié)。典型的水下輸送系統(tǒng)包含潛水提升泵、垂直輸送硬管、中繼站以及輸送軟管。從工程應用和科學研究的角度，對水下輸送系統(tǒng)的研究一方面是泵—管—中繼站系統(tǒng)的設計，另一方面是對輸送系統(tǒng)內礦石海水固液兩相流流動保障研究。

采礦船設計效果圖

（1）泵—管系統(tǒng)設計

泵管系統(tǒng)的研究主要為泵的設計和性能分析、硬管和軟管的設計和性能分析以及中繼站的設計。

泵的設計主要根據深海采礦產能需求，選擇合理的泵的形式以及數量；依據礦石顆粒屬性，進行泵的流道設計；根據輸送過程中的沿程阻力損失，選擇合適的揚程和功率。

硬管設計主要根據產能需求、泵的性能設計管徑尺寸，同時對管道重量、連接方式進行設計。完成設計后，需要根據采礦區(qū)域的海洋環(huán)境條件進行水動力性能、結構動力性能、疲勞特性等進行深入分析。

軟管設計主要依據采礦車的作業(yè)能力，設計管道尺寸、長度、力學特性以及構型。

中繼站設計主要是依據輸送特性，設計軟管進料倉、物料存儲倉、硬管給料機等。一方面要根據產能要求設計進料形式、物料倉尺寸以及給料能力，另一方面需要對中繼站的作業(yè)能力進行數值或試驗驗證，改進并完善設計。

（2）流動保障

水下輸送系統(tǒng)的流動保障主要是針對泵—管系統(tǒng)內，研究礦石顆?！Ｋ纬傻拇箢w粒固液兩相流在經過軟管、硬管、提開泵的過程中的流動特性，并針對可能出現(xiàn)的段塞流、堵塞、磨蝕等問題，進行預報分析，給出合理的優(yōu)化設計或解決方案。與海洋油氣開采相比，由于深海礦石輸送過程中的溫度變化、化學變化過程不明顯，對輸送過程影響可以忽略；由于管道內存在大尺寸、較高濃度的固體礦石顆粒，因此在輸送過程中堵塞、顆粒對泵葉輪的沖擊和磨蝕發(fā)生的可能性明顯增大。

流動保障的另一個重要問題是系統(tǒng)緊急狀態(tài)下內部的流動控制和解決方案。對系統(tǒng)停止、重啟等瞬時狀態(tài)以及部分關鍵部件，比如提升泵、給料機等，停止工作狀態(tài)下泵—管系統(tǒng)內固液兩相流的發(fā)展狀態(tài)進行分析，并提出合理的解決方案。

水面支持系統(tǒng)

深海采礦水面支持系統(tǒng)與深海油氣開發(fā)海洋平臺較為相似，主要不同點集中在連接支持平臺與水下輸送系統(tǒng)的升沉補償系統(tǒng)設計。下文將從支持平臺設計和升沉補償系統(tǒng)設計兩方面闡述目前國內外研究進展。

（1）支持平臺設計

深海采礦船的發(fā)展可以分為三個階段，一是通過改造現(xiàn)有的船舶，將性能相近的貨船、鉆井船和甲板駁船等改造為采礦船；二是以現(xiàn)有的船型為基礎，新建單體非自航的寬型采礦船；三是以長期遠海采礦活動為設計目標，新建大型綜合采礦船。目前，世界上唯一一艘大型綜合采礦船由新加坡SeaTech Solutions公司為加拿大鸚鵡螺礦業(yè)公司設計，我國福建省馬尾造船股份有限公司建造。雖然在大型特種船舶建造上我國有豐富的經驗，但是綜合采礦船需要配備綜合電力推進裝置，月池結構，礦石處理、儲存和外輸裝置，系統(tǒng)十分復雜，目前國內還不具備相關設計經驗。

（2）升沉補償系統(tǒng)設計

海上升沉補償系統(tǒng)的應用始于20世紀60年代，首先應用于鉆井船及半潛式平臺等海洋結構物上，由于國外海洋工程技術發(fā)展較早，相關理論基礎及關鍵技術相對成熟，形成了完整的升沉補償系統(tǒng)研發(fā)與建造能力。國內對波浪升沉補償的研究也取得了一定的成果，但是幾乎沒有能夠直接工程應用的波浪升沉補償技術方案，目前仍主要處于理論探討階段。

未來發(fā)展方向

綠色采礦

目前，歐美、日本等具有海底多金屬結核的開采能力，開展深海采礦系統(tǒng)的海上聯(lián)動試驗，部分國外公司已經接近商業(yè)開采。在商業(yè)開采前，評估深海采礦對海底生態(tài)環(huán)境的影響是必不可少的環(huán)節(jié)。在開采過程中，應該盡可能減小對生態(tài)環(huán)境的影響，一方面需要在開采過程中做到減小對環(huán)境的破壞，另外一方面，在產生破壞的基礎上需要盡可能彌補造成的損失。

智能采礦

深海礦石開采如何實現(xiàn)經濟效益最大化是商業(yè)開采需要著重考慮的問題，也決定著商業(yè)化開采是否可行。而深海采礦的智能化是解決采礦安全性與經濟效益最大化的重要途徑。

深海大面積的礦石開采需要在對海底環(huán)境條件、礦石分布情況正確判斷的基礎上，從開采安全性、開采效率等多指標最優(yōu)化的角度出發(fā)，根據深海采礦系統(tǒng)的開采能力，自主選擇最優(yōu)的開采路線、開采速度、輸送速度和濃度等，同時對生產過程進行實時監(jiān)測和調控，在保證深海采礦安全性的同時，實現(xiàn)產能的最大化和經濟效益的最大化?！?/p>