深海采礦臍帶纜管理系統(tǒng)分析

李修波， 何多昌， 張定華， 晏 青

(1. 上海中車艾森迪海洋裝備有限公司， 上海 200240；2. 株洲中車時代電氣股份有限公司， 湖南 株洲 412001)

0 引 言

管道不僅是海上石油和天然氣最可靠和最有效的輸送方式之一[1-2]，也是深海采礦提升系統(tǒng)中“泵-管”連續(xù)輸送結核礦石的有效方式之一[3-6]。在國家重點研發(fā)計劃“深海多金屬結核采礦試驗工程”項目的深海采礦作業(yè)中：將富集于海床之上的結核礦石采集到集礦車[7]，并經(jīng)由破碎裝置破碎；將破碎成合適粒徑的結核礦石經(jīng)軟管輸送至中繼站[8]；通過多級提升泵由輸送硬管將中繼站處的礦石-海水混合物輸送至采礦船；經(jīng)采礦船上的收集裝置將結核礦石收集完畢[9]。采用“泵-管”連續(xù)輸送結核礦石的提升系統(tǒng)涉及中繼站和提升泵等關鍵設備。在連續(xù)泵送礦石的作業(yè)過程中，需臍帶纜將采礦船上的能源動力和控制信號實時傳輸至關鍵設備。在“泵-管”連續(xù)提升結核礦石的生產(chǎn)過程中，須確保臍帶纜服役安全。

在整個“泵-管”連續(xù)提升系統(tǒng)中，需要2根臍帶纜分別向中繼站和提升泵提供電力和控制信號[10]。以中繼站臍帶纜為例，如圖1所示：臍帶纜需通過特殊位置，如中繼站、提升泵、升沉補償裝置等；臍帶纜需被緊固在硬質提升管道上，避免臍帶纜與硬質提升管道之間發(fā)生摩擦、纏繞等行為；在伸縮裝置區(qū)域，臍帶纜需滿足升沉補償運動和最小彎曲半徑限制等功能。鑒于海洋環(huán)境對海洋結構物產(chǎn)生的損傷，為確保臍帶纜的安全服役，設計一套適用于深海采礦“泵-管”連續(xù)提升結核礦石的臍帶纜管理系統(tǒng)，以確保整個采礦作業(yè)的順利實施。

圖1 采礦系統(tǒng)示例

目前，國內外對深海采礦臍帶纜管理系統(tǒng)鮮有研究。作者雖對臍帶纜綁扎支撐結構進行研究，但未能對整個臍帶纜管理系統(tǒng)進行詳細分析。在前期研究的基礎上，對深海采礦臍帶纜管理系統(tǒng)進行分析，涉及臍帶纜綁扎中的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境、正常與特殊管段綁扎以及臍帶纜升沉補償中的頂部支撐和彎曲限制等內容，建立一套適用于深海采礦“泵-管”連續(xù)提升作業(yè)的臍帶纜管理系統(tǒng)，為深海采礦系統(tǒng)中臍帶纜的安全服役提供可靠的工程實例借鑒。

1 臍帶纜綁扎

“泵-管”連續(xù)提升結核礦石的輸送系統(tǒng)采用新設計的背負式管夾將臍帶纜緊固在提升硬管上[10]。

提升硬管在塔架平臺上完成管段與管段的組裝，相應的綁扎作業(yè)區(qū)域位于塔架平臺下方，即月池口上方主甲板與塔架平臺之間的開敞區(qū)域，如圖2所示。鑒于在布放過程中采用不同長度(正常管道長度為9 m，特殊管道長度不一)和不同連接形式(正常管段管道采用螺紋連接，特殊管段管道采用法蘭盤連接)的硬管與中繼站、提升泵、伸縮裝置等設備組裝成提升輸送系統(tǒng)，將整個綁扎劃分為正常管段綁扎和特殊管段綁扎。

圖2 綁扎作業(yè)區(qū)域示例

1.1 現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境

綁扎作業(yè)區(qū)域存在登高、懸空、作業(yè)船晃動等惡劣環(huán)境工況。綁扎作業(yè)工作點為鋪設在月池口上方的臺車，具有靠近船舶重心、有作業(yè)平臺、臍帶纜更易調整進管夾孔槽、物料運送方便等優(yōu)勢。同時，為規(guī)避在船舶縱、橫搖運動響應下提升硬管碰撞臺車的風險，對4級海況(有義波高為2.5 m，過零周期為6.5 s)下2種不同作業(yè)工況(0～180°浪向)下船舶響應角的極值和有義值進行預報，如表1所示。經(jīng)測算，調整2部臺車在船舶縱向的間距(2部臺車的擺放位置，不存在船舶橫向干涉)，確保綁扎過程中不存在提升硬管碰撞臺車的風險。

表1 4級海況不同浪向和不同作業(yè)工況的船舶縱、橫搖角預報匯總 (°)

1.2 正常管段綁扎

經(jīng)過前期研究[12]，正常管段綁扎方案如下：在管道布放過程中，以月池口臺車為作業(yè)平臺，采用單點綁扎作業(yè)的方式，在18 m管道上等間距布置綁扎2個管夾，每9 m停放1次提升硬管。

1.3 特殊管段綁扎

根據(jù)不同特殊位置處(中繼站處、提升泵下端、提升泵上端及伸縮裝置)的管段，利用固定在主甲板上的折臂維修臺車，安裝不同結構型式的316L管夾，如圖3所示。

圖3 特殊管段不同型式316L管夾

特殊管段的綁扎是為了確保臍帶纜順利通過特殊管段的設備。以提升泵上端管夾為例，其主要作用是確保中繼站臍帶纜順利通過提升泵外體、確保提升泵臍帶纜的接線口與相應管夾口之間的高度差、2根臍帶纜之間的相對角度等，如圖4所示。

圖4 提升泵上端管夾安裝示例

同時，特殊管段的綁扎具有在正常管段硬聚氨酯管夾部分失效(管夾未能對臍帶纜提供全局約束)的情況下將其下部的臍帶纜夾持住的功能，可防止臍帶纜滑脫導致整個綁扎系統(tǒng)失效。

2 臍帶纜升沉補償

作業(yè)船舶與提升硬管之間通過伸縮裝置連接，如圖5所示，允許提升系統(tǒng)與作業(yè)船舶存在相對的垂向位移。由于臍帶纜下端與提升系統(tǒng)完全緊固約束，上端通過絞車與船體緊固，因此需要在伸縮裝置區(qū)域確保臍帶纜存在足夠長度的升沉補償運動，如圖6所示。

單位：mm圖5 伸縮裝置示例

圖6 臍帶纜升沉補償示例

在伸縮裝置硬管上安裝頂部支撐基體，并在臍帶纜上安裝臍帶纜彎曲限制器，滿足臍帶纜的升沉補償運動。

2.1 臍帶纜頂部支撐

如上所述，在伸縮裝置區(qū)域，采用頂部支撐的方式對臍帶纜進行運動補償，同時，需考慮頂部支撐與月池口、海平面之間的位置關系。將新設計的頂部支撐基體[12]安裝在伸縮裝置硬管上，并兼顧2根臍帶纜的相對位置，如圖7所示。

圖7 頂部支撐結構示例

頂部支撐基體結構高度為1 000 mm，由3塊半圓形卡箍組裝而成，每個半圓形卡箍設有吊環(huán)，便于吊運和安裝。同時，頂部支撐基體結構與伸縮裝置硬管之間粘貼橡膠墊，以增大摩擦并保護伸縮裝置。

2.2 臍帶纜彎曲限制

在“泵-管”連續(xù)提升輸送系統(tǒng)內，需對2根臍帶纜進行升沉運動的限彎保護，以避免由頂部支撐的橫向和縱向相對運動而產(chǎn)生過度彎曲，進而導致臍帶纜由過彎引起的損傷。臍帶纜參數(shù)如表2所示。

表2 臍帶纜參數(shù)

彎曲限制器采用嵌套結構設計，通過在一定角度上的結構自鎖，起到限制最大彎曲的作用。根據(jù)臍帶纜參數(shù)，最小彎曲半徑設計不小于800 mm。同時，為避免實際作業(yè)中彎曲限制器模塊錯配的風險，彎曲限制器采用通用型設計。

3 臍帶纜管理系統(tǒng)

經(jīng)過上述分析和研究，在“泵-管”連續(xù)提升系統(tǒng)內，需要有臍帶纜綁扎和臍帶纜升沉補償兩部分，如圖8所示。

圖8 “泵-管”連續(xù)提升系統(tǒng)的臍帶纜綁扎和升沉補償示例

4 結 論

在深海采礦“泵-管”連續(xù)提升結核礦石的系統(tǒng)內，通過臍帶纜管理系統(tǒng)可對向中繼站、提升泵等關鍵設備實時傳輸動力和控制的臍帶纜進行有效的保護，確保其安全服役。

(1) 該臍帶纜管理系統(tǒng)由臍帶纜綁扎和臍帶纜升沉補償兩部分組成。

(2) 針對不同區(qū)域，采用不同材質和結構型式的管夾可有效降低管夾的制造成本和現(xiàn)場施工難度。

(3) 所提出的臍帶管理系統(tǒng)已得到1 000 m級海試的驗證，為深海采礦系統(tǒng)臍帶纜的安全服役提供一種可靠的工程實例借鑒。

(4) 臍帶纜管理系統(tǒng)后續(xù)可在管夾緊固方式、限彎器尺寸等方面進一步優(yōu)化，以減少現(xiàn)場施工人員作業(yè)強度。