深海采礦船立管輸送系統(tǒng)的應(yīng)用

李霞

摘 要：海底蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，其價(jià)值是無(wú)法估計(jì)的。隨著科學(xué)技術(shù)不斷地發(fā)展，陸地的資源越來(lái)越匱乏，人類開(kāi)始轉(zhuǎn)向海洋底開(kāi)采。隨著海洋鉆井平臺(tái)的不斷出現(xiàn)，深海采礦船也成為發(fā)展的趨勢(shì)。本文介紹了立管輸送系統(tǒng)在采礦船中應(yīng)用，包括系統(tǒng)組成及工作原理。

關(guān)鍵詞：采礦船;立管;塔架;游車

中圖分類號(hào)：U674.38+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

地球表面的2/3被海洋覆蓋，海洋中含有豐富的礦產(chǎn)資源，其儲(chǔ)量之大，遠(yuǎn)超過(guò)陸地的礦產(chǎn)資源，因此人類持續(xù)不斷地尋找各種開(kāi)采海洋資源的途徑，并且從淺海轉(zhuǎn)向深海。美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和日本等國(guó)家白上世紀(jì)70年代開(kāi)始，圍繞多金屬結(jié)核開(kāi)展多種形式的采礦系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和可行性驗(yàn)證[1]，先后研制出拖斗式采礦系統(tǒng)、連續(xù)繩斗法采礦系統(tǒng)、穿梭艇式采礦系統(tǒng)和集礦機(jī)結(jié)合管道提升的采礦系統(tǒng)[2]等。

開(kāi)發(fā)深海采礦船順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，作為采礦作業(yè)運(yùn)輸存儲(chǔ)母船，是采礦系統(tǒng)中最主要的部分，具有居住、航行、采礦和保障等四大功能，其配套裝備系統(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[3]。采礦船的工作原理，是通過(guò)采礦設(shè)備布放回收系統(tǒng)深入海底開(kāi)采切割收集礦物，通過(guò)收集泵和水下機(jī)器人操作，將礦物輸送到立管輸送管，然后通過(guò)揚(yáng)礦系統(tǒng)提升到海面，進(jìn)入脫水系統(tǒng)進(jìn)行礦物篩選、存儲(chǔ)、過(guò)濾等處理，最后進(jìn)入裝卸貨系統(tǒng)進(jìn)行卸載到運(yùn)輸船。其功能模塊的劃分，如圖1所示。

采礦車在海底采集的礦物是通過(guò)數(shù)千米的管道泵運(yùn)輸?shù)讲傻V船上，在采礦船的甲板面安裝月池、水下提升泵及數(shù)十米高的塔架，月池中心懸掛許多段立管及軟管組成的數(shù)百噸重、數(shù)千米長(zhǎng)的揚(yáng)礦管線系統(tǒng)?；谏詈５V產(chǎn)資源分布特點(diǎn)，如富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物，均分布在水深500-3 500 m的位置，而目前采礦船最大設(shè)計(jì)作業(yè)水深一般為2 500 m，故人類在不斷挑戰(zhàn)勘測(cè)海洋的深度，立管輸送系統(tǒng)作為采礦船的一部分起到至關(guān)重要的作用。

2 立管輸送系統(tǒng)的組成

立管輸送系統(tǒng)，主要由儲(chǔ)存架、龍門(mén)吊、自動(dòng)化貓道、塔架提升系統(tǒng)等部分組成：

2.1 儲(chǔ)存架

深水立管按結(jié)構(gòu)形式分為：鋼質(zhì)懸鏈線立管、頂部張緊式立管、撓性立管和混合立管%根據(jù)采礦產(chǎn)量要求及作業(yè)水深特性，采用DN48”頂部張緊式立管連接采礦船與水下提升泵之間的管道，其包含有數(shù)根裸管和帶浮力材輸送管。儲(chǔ)存架主要由Q235D材質(zhì)的H型材組成平行式堆棧架子，如圖2所示。立管儲(chǔ)存區(qū)域分為若干分塊，裸管和帶浮力材立管分開(kāi)儲(chǔ)存。

2.2 龍門(mén)吊

龍門(mén)吊，主要由提升機(jī)存放系統(tǒng)、兩個(gè)導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)裝置、支撐件、主梁組件、推車組件、吊桿、吊鉤、控制艙等組成，用于立管從儲(chǔ)存架起吊到貓道。為了保證大管徑立管平穩(wěn)運(yùn)輸，本船龍門(mén)吊采用雙吊鉤，吊車跨距達(dá)23.3m。

2.3 自動(dòng)貓道

自動(dòng)貓道主要由貓道平臺(tái)、提升架、軌道、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、控制臺(tái)等組成，用于由龍門(mén)吊吊過(guò)來(lái)的立管移動(dòng)并抬升到塔架中，通過(guò)機(jī)械手連接立管到立管提升工具上。船舶貓道適合最大DN48”的立管，最大長(zhǎng)度約為19 m，可承載極限重量為17 Mt、抬升最大高度為16.3 m、速度為0.5 m/s。本自動(dòng)貓道可將液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)力，達(dá)到運(yùn)用驅(qū)動(dòng)承載平臺(tái)和移動(dòng)裝置運(yùn)輸立管的目的。

2.4 塔架提升系統(tǒng)

塔架提升系統(tǒng)由塔架、塔架底座、天車、游車、絞車、死繩固定器、鋼絲繩、倒繩機(jī)等設(shè)備組成，用于安放和懸掛游動(dòng)系統(tǒng)、吊卡、吊環(huán)等提升工具。

目前海洋鉆井平臺(tái)的主要井架形式有：帶輔助作業(yè)平臺(tái)的井架、白升式井架、塔形井架、一個(gè)半塔架、雙聯(lián)井架和箱式井架[6]。作為主體的塔架，選用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、強(qiáng)度高、抗風(fēng)載能力和抗震能力較強(qiáng)的塔形井架。

本塔架最大額定載荷為6 420 kN，適應(yīng)海上風(fēng)暴丁況。井架體是一個(gè)正方形橫截面、可拆卸、栓裝封閉式鋼結(jié)構(gòu)，塔架由絞車面處傾斜至天車，由大尺寸H型材組成A形V大門(mén)，L0-L9層總高度為38 m，各種H型鋼桿均為螺栓或法蘭連接連續(xù)的空間剛衍架結(jié)構(gòu);單獨(dú)結(jié)構(gòu)為由立柱、橫梁、斜拉梁組成的衍架結(jié)構(gòu)，所有桿件型心相交;游車由動(dòng)滑輪組組成，天車用于固定塔架頂部定滑輪組。

3 立管輸送系統(tǒng)的布置及工作原理

3.1系統(tǒng)布置

立管輸送系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）布置是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，需要綜合考慮各系統(tǒng)的集成。其大致布置情況如下：塔架底座中心對(duì)準(zhǔn)月池中心，焊接在甲板面的四個(gè)安裝腳上;塔架中心也是對(duì)準(zhǔn)月池中心，螺栓鎖安裝在塔架底座面上的四個(gè)支腳上;塔架底座面布置主絞車、卡盤(pán)、司鉆房、5t及10t氣動(dòng)拖曳絞車、載人絞車、倒繩機(jī)、死繩固定器等設(shè)備。

為了緊湊地布置及運(yùn)輸精準(zhǔn)，設(shè)計(jì)龍門(mén)吊的一邊軌道放置在塔架基座，另一邊軌道放置在立管存放架;貓道輸送軌道對(duì)準(zhǔn)下放口，其軌道延伸到塔架底座面;龍門(mén)吊及自動(dòng)貓道布置在塔架底座右側(cè)立管上方，便于立管的短程運(yùn)輸，提高作業(yè)的效率。

3.2 系統(tǒng)工作流程

（1）拔出立管懸掛平臺(tái)固定銷，移動(dòng)平臺(tái)到月池的中心，連接臍帶到水下提升泵;

（2）通過(guò)龍門(mén)吊將立管移動(dòng)到貓道，同時(shí)游車移動(dòng)至最低位置，鋼絲繩回到絞車，貓道小車移動(dòng)立管到塔架基座平臺(tái)面，通過(guò)機(jī)械手操縱立管連接到立管懸掛工具，游車吊起立管，同時(shí)貓道小車移回原位;

（3）機(jī)械手操縱立管到塔架中心位置，一旦就位機(jī)械手操縱立管穿過(guò)塔架基座面開(kāi)孔口，裝配到水下提升泵;通過(guò)絞車?yán)∷绿嵘?，維持其在月池上中心位置;移開(kāi)立管懸掛平臺(tái)到原位，并插銷固定其滑道：

（4）工人在吊籃位置操縱水下提升泵，將帶有立管的水下提升泵至月池下放;

（5）下一段的立管在塔架提升系統(tǒng)的作用下，來(lái)到塔架底座開(kāi)孔中心位置，通過(guò)機(jī)械手和工人的操作，完成與前面段管對(duì)接;

（6）重復(fù)以上步驟，直到所有立管段都被妥善放置。

3.3 系統(tǒng)工作原理

圖4為塔架提升原理示意圖。游車上下移動(dòng)通過(guò)主絞車滾筒的正反轉(zhuǎn)來(lái)完成，當(dāng)絞車滾筒回收鋼絲繩時(shí)，鋼絲繩通過(guò)天車帶動(dòng)游車、大鉤、立管等上升完成起吊工作;相反，當(dāng)絞車滾筒放出鋼絲繩時(shí)，鋼絲繩通過(guò)天車帶動(dòng)游車、大鉤等完成下放工作;鋼絲繩從主絞車滾筒軸出來(lái)后，經(jīng)過(guò)天車導(dǎo)向滑輪導(dǎo)向后將鋼絲繩依次穿過(guò)天車和游車滑輪組，最后經(jīng)過(guò)天車滑輪將鋼絲繩固定在死繩固定器上。

4 立管輸送系統(tǒng)安裝精度控制

立管通過(guò)龍門(mén)吊吊到貓道，再通過(guò)機(jī)械手到塔架游車，最后通過(guò)游車下放或回收。這一系列過(guò)程，需要在安裝本套系統(tǒng)的時(shí)候嚴(yán)格進(jìn)行安裝精度控制，才能實(shí)現(xiàn)智能化輸送。

礦物輸送管布放回收系統(tǒng)的精度控制，主要從以下三個(gè)階段展開(kāi)：第一階段為主甲板塔架基座的平面度測(cè)量與控制;第二階段為塔架平臺(tái)底座的平面度測(cè)量與控制;第三階段為塔架本體的整體組裝和安裝精度控制。本文通過(guò)建立船體結(jié)構(gòu)和圍井基座的三維模型，利用分析軟件獲取關(guān)鍵精度控制點(diǎn)的理論數(shù)據(jù)，再利用全站儀對(duì)安裝結(jié)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)測(cè)量，在對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)偏差超標(biāo)的控制點(diǎn)提出修改方案，以滿足礦物輸送管布放回收系統(tǒng)安裝對(duì)各層結(jié)構(gòu)平臺(tái)和基座平面度、變形量的要求。

布放回收系統(tǒng)精度控制要點(diǎn)：

（1）基線堪劃

由總裝精度人員負(fù)責(zé)甲板中縱中心線和月池中心線基線堪劃，具體包括假定基線、船體中心線、船體半寬線、橫向合攏口線等，完工后進(jìn)行白檢，確認(rèn)無(wú)誤后涂抹標(biāo)記;

（2）基準(zhǔn)定位

根據(jù)船體中縱中心基線對(duì)塔架4個(gè)基座進(jìn)行定位，定位完成后分別測(cè)量4個(gè)基座的三維精度數(shù)據(jù)，并做好記錄。

塔架底座在合攏搭載定位時(shí)，需優(yōu)先保證底座上甲板的四個(gè)基座的相對(duì)水平情況，偏差控制在±5 mm以內(nèi);塔架底座下端的四根支撐管已開(kāi)好坡口且無(wú)余量，因此需提前采集塔架底座整體的精度數(shù)據(jù)，從而確定出塔架支腿凳的水平定位要求;在施工過(guò)程中，還需將甲板測(cè)量數(shù)據(jù)和平臺(tái)制作精度測(cè)量結(jié)果兩組數(shù)據(jù)相互結(jié)合，計(jì)算分析出塔架支腿的定位精控需要的坐標(biāo)，及塔架底座搭載定位時(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ);

（3） -次定位和平臺(tái)底座的平面度精度控制

塔架底座平臺(tái)吊裝到位后，精度人員根據(jù)設(shè)計(jì)提供的搭載定位數(shù)據(jù)，利用全站儀等測(cè)量工具進(jìn)行分段定位，定位基準(zhǔn)除有特殊要求外，全部以船體中心線、月池中心線為準(zhǔn)，完成定位后保留測(cè)量記錄。如需平面度和縱向、橫向位置精度修整，由精度人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)料劃線，然后重新起吊并調(diào)整位置，直到測(cè)量結(jié)果滿足設(shè)定的精度控制要求。

對(duì)于平臺(tái)上平面的精度測(cè)量和控制，重點(diǎn)是采用全站儀現(xiàn)場(chǎng)采集測(cè)量關(guān)鍵位置的三維坐標(biāo)值，同時(shí)在船體主甲板上也確定出月池的十字中心線并勘畫(huà)出來(lái);定位和控制主要是采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，然后按精控要求進(jìn)行調(diào)整定位，控制目標(biāo)為±5 mm。

（4）塔架主體組裝、吊裝、安裝定位精度控制

本系統(tǒng)使用全站儀檢查井口中心線、天車、轉(zhuǎn)盤(pán)的對(duì)準(zhǔn)，并通過(guò)在游動(dòng)系統(tǒng)上吊起重物（鉆桿）來(lái)檢查對(duì)準(zhǔn);校準(zhǔn)后，確保天車中心和井口中心的偏差小于20 mm;塔架左右方向上的調(diào)整，由增減塔架腳與塔架支撐間的墊片來(lái)實(shí)現(xiàn);塔架前后方向上的調(diào)整，由增減塔架腳與塔架支撐間的墊片來(lái)實(shí)現(xiàn);

（5）隔水管架系統(tǒng)龍門(mén)吊和貓道的導(dǎo)軌之間定位精度控制

①貓道起重操縱系統(tǒng)的導(dǎo)軌必須定好位，以便立管能夠以直線運(yùn)動(dòng)到井口中心。導(dǎo)軌分為兩部分，一部分已經(jīng)安裝到貓道支撐結(jié)構(gòu)上了，另一部分需以1400 mm的跨距安裝到底座上;下導(dǎo)軌壓板焊接在底板上，上導(dǎo)軌壓板壓到導(dǎo)軌的下凸緣上，上下導(dǎo)軌壓板用特殊的螺栓連接，兩條導(dǎo)軌兩端各焊接一個(gè)擋板。

②龍門(mén)吊兩個(gè)導(dǎo)軌，一個(gè)放在立管存放架的支架上，一個(gè)定位在塔架底座平臺(tái)上，具體軌道安裝精度要求跟貓道軌道要求一樣。

軌道安裝精度要求，見(jiàn)圖6所示。

5 結(jié)論

立管輸送系統(tǒng)將石油平臺(tái)使用的塔架經(jīng)過(guò)演變應(yīng)用在采礦船舶上，配合龍門(mén)吊及自動(dòng)化貓道等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了立管的智能化輸送安裝，簡(jiǎn)化了立管安裝和管對(duì)接程序，大大節(jié)約了時(shí)間和成本。該系統(tǒng)的運(yùn)用不僅為人類勘測(cè)深海奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而且將推動(dòng)我國(guó)國(guó)際海底礦產(chǎn)資源商業(yè)化開(kāi)發(fā)進(jìn)程，維護(hù)國(guó)家在國(guó)際海底區(qū)域礦產(chǎn)資源的開(kāi)采權(quán)益。

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