深海采礦船水面支持布放回收系統(tǒng)研制*

王安義 李 娜 孫曉暉 周忠祥 楊 鵬

(1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司3.武漢船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司4.中國船艦研究設(shè)計(jì)中心)

王安義,李娜,孫曉暉,等.深海采礦船水面支持布放回收系統(tǒng)研制.石油機(jī)械,2022,50(11):66-72.

0 引言

目前,在海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)中,最有經(jīng)濟(jì)意義且最具發(fā)展前景的是海洋油氣資源與多金屬結(jié)核等礦物資源的開發(fā)。我國海域遼闊,礦產(chǎn)資源豐富,同時按照《聯(lián)合國海洋公約》的規(guī)定,國際海域主張誰投資誰占有,誰開發(fā)誰受益的規(guī)則,為了保證我國的海洋權(quán)益,必須加大深海采礦裝備相關(guān)技術(shù)的研究,突破深海采礦裝備設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù),完成工程樣機(jī)制造,實(shí)現(xiàn)深海礦產(chǎn)資源的自主開發(fā)[1-3]。

研究表明,最適合我國深海多金屬結(jié)核礦開采的方式為自行式集礦機(jī)+管道提升采礦方案。該采礦方案主要由集礦子系統(tǒng)、水力提升子系統(tǒng)、水面支持子系統(tǒng)、測控與動力子系統(tǒng)構(gòu)成。其中,水面支持子系統(tǒng)中的核心為布放回收系統(tǒng),其主要作用是實(shí)現(xiàn)集礦子系統(tǒng)和水力提升子系統(tǒng)等水下采礦設(shè)備安全而高效的入水布放和出水回收功能[4]。為了實(shí)現(xiàn)3 000 m作業(yè)水深時,水下采礦設(shè)備(如中繼站、提升泵、復(fù)合臍帶纜、揚(yáng)礦管等)安全而高效的布放與回收,寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制出了國內(nèi)首套最大靜載荷為4 500 kN的深海采礦船水面支持布放回收系統(tǒng),部分設(shè)備提升能力達(dá)5 850 kN,預(yù)留升級空間。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)安全、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠以及作業(yè)高效的特點(diǎn)。

1 技術(shù)分析

1.1 技術(shù)要求

水面支持布放回收系統(tǒng)安裝在采礦船上,其設(shè)計(jì)主要滿足預(yù)定海況下(最大作業(yè)海況5級)集礦子系統(tǒng)與水力提升子系統(tǒng)的布放、回收以及揚(yáng)礦管連接等作業(yè)需求,同時滿足生存海況不小于6級,抗風(fēng)力不低于12級的要求。

1.2 總體技術(shù)方案

水面支持布放回收系統(tǒng)主要包括塔架及底座平臺、提升系統(tǒng)、揚(yáng)礦管自動化處理系統(tǒng)、集成控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備等。系統(tǒng)布置方案如圖1所示。

圖1 水面支持布放回收系統(tǒng)布置方案Fig.1 Scheme diagram of surface support placement and recovery system

采用塔架及底座平臺作為系統(tǒng)的主承載結(jié)構(gòu),滿足大噸位水下采礦設(shè)備布放回收作業(yè)能力和作業(yè)空間的需求。配置天車、提升絞車、一體式游車大鉤、死繩固定器、鋼絲繩等組成的多繩系提升系統(tǒng),最大載荷能力4 500 kN,滿足水下采礦設(shè)備提升下放的需求。配套抓管機(jī)、水平動力貓道、鐵鉆工、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、液壓卡瓦、綜合液壓站等機(jī)械化設(shè)備,通過集成控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)揚(yáng)礦管全過程自動化輸送及下放作業(yè)需求;采用雙座椅水面集控室,分別操作絞車提升下放與揚(yáng)礦管輸送作業(yè),實(shí)現(xiàn)了提升系統(tǒng)與揚(yáng)礦管輸送的獨(dú)立高效操作。

電控系統(tǒng)接收船方2路690 V/50 Hz/3 P/3 W交流電,采用全數(shù)字式交流變頻調(diào)速裝置,由2臺整流單元將交流母排上的690 VAC交流電轉(zhuǎn)換成930 VDC直流電,輸出到公共直流母排上(公共直流母排帶絕緣檢測系統(tǒng));再由2臺逆變單4元將直流母排上的930 VDC直流電轉(zhuǎn)換成電壓0～600 VAC、頻率0～150 Hz連續(xù)可調(diào)的交流電,對絞車提升系統(tǒng)進(jìn)行控制,其中絞車交流變頻電動機(jī)采用一對一控制方式(該絞車為帶一擋減速箱形式的絞車,采用2臺1 000 kW交流變頻電動機(jī)驅(qū)動),驅(qū)動系統(tǒng)拖動性能滿足絞車傳動要求。

配置外圍設(shè)備監(jiān)控單元、擴(kuò)音對講系統(tǒng)等其他輔助設(shè)備,配合完成整個布放回收系統(tǒng)的安全可靠作業(yè)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

適應(yīng)作業(yè)水深3 000 m;最大靜載荷4 500 kN;提升絞車輸入功率2 000 kW;提升系統(tǒng)繩系為6×7;鋼絲繩直徑38 mm;塔型井架有效高度32 m;底座臺面高度/凈空13.0 m/11.5 m;支撐盤通徑1 257.3 mm;揚(yáng)礦管處理系統(tǒng)適應(yīng)管柱直徑245.0 mm/273.05 mm;單根揚(yáng)礦管長度9 m;管船柔性連接裝置額定工作載荷4 000 kN;傳動方式設(shè)計(jì)為AC-VFD-AC;電制690 V、380 V、220 V/50 Hz。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水下采礦設(shè)備布放回收技術(shù)

水下采礦設(shè)備主要包括集礦車、中繼站、過渡短節(jié)、提升泵和揚(yáng)礦管(若干)等,揚(yáng)礦管的數(shù)量與水深有關(guān),水越深需要的揚(yáng)礦管數(shù)量越多。除集礦車通過采礦船尾部的A架進(jìn)行布放回收外,其余設(shè)備均通過本系統(tǒng)進(jìn)行布放與回收。布放與回收工藝設(shè)計(jì)主要考慮的因素有設(shè)備外形尺寸、設(shè)備質(zhì)量和連接可靠性、布放回收快速高效性?？紤]到中繼站體積和質(zhì)量大的因素,通過月池臺車將中繼站輸送至底座平臺底部井口中心,然后通過提升系統(tǒng)提起揚(yáng)礦管與其連接進(jìn)行布放;為了保證系統(tǒng)設(shè)備的安全可靠連接,中繼站與揚(yáng)礦管、揚(yáng)礦管與提升泵均采用法蘭螺栓連接;為了提高布放回收效率,揚(yáng)礦管與揚(yáng)礦管之間采用螺紋連接[5];為了節(jié)省前期準(zhǔn)備時間,揚(yáng)礦管采用雙單根一立柱的形式。水下采礦設(shè)備系統(tǒng)連接如圖2所示。

圖2 水下采礦設(shè)備連接圖Fig.2 Connection diagram subsea mining equipment

2.2 栓接式動態(tài)塔架設(shè)計(jì)

動態(tài)塔架采用塔形結(jié)構(gòu),由H型鋼作塔架體立柱。整個塔架體由4根立柱和若干橫、斜腹桿經(jīng)高強(qiáng)度螺栓連成一個整體,具有承載能力大、整體穩(wěn)定性好的特點(diǎn),適用于深海復(fù)雜作業(yè)海況[6]。塔架依據(jù)API Spec 4F標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),最大靜載荷5 850 kN,預(yù)留了升級空間。塔架凈空高32 m,滿足一體式游鉤裝置提升雙單根揚(yáng)礦管立柱進(jìn)行作業(yè)的要求,并預(yù)留底座臺面揚(yáng)礦管的上卸扣操作空間和游動系統(tǒng)防碰高度空間。

塔架頂部用于安放天車。塔架靠船艏側(cè)方向設(shè)計(jì)成V形結(jié)構(gòu),滿足揚(yáng)礦管的輸送和傳遞作業(yè)。塔架靠船艉側(cè)方向安裝一體式游鉤裝置導(dǎo)軌,使得游動系統(tǒng)平穩(wěn)有序地上提下放作業(yè),從而保證水下采礦設(shè)備在井口連接時安全可靠。栓接式動態(tài)塔架如圖3所示。

圖3 栓接式動態(tài)塔架Fig.3 Bolted dynamic derrick

2.3 大跨距高臺面底座設(shè)計(jì)

底座采用支腿桁架結(jié)構(gòu),由4個支腿和上座組成,具有高臺面、大跨距的特點(diǎn)。每個支腿采用倒三角結(jié)構(gòu),整體穩(wěn)定性好,滿足大尺寸中繼站的轉(zhuǎn)運(yùn)要求;上座為箱塊式結(jié)構(gòu),臺面開闊,便于工作人員在臺面上操作,以及安裝提升絞車、水面集控室、VFD房、綜合液壓站、井口設(shè)備、張緊器及其鋼絲繩導(dǎo)輪等設(shè)備。底座依據(jù)API Spec 4F標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),最大額定靜載荷5 850kN,預(yù)留了升級空間。底座凈空高達(dá)11.5 m,綜合考慮了中繼站高度、月池臺車高度和操作空間等。底座臺面高度13 m,主要考慮井口中心承載以及鋼絲繩式張緊器在臺面安裝并承載的要求。大跨距高臺面底座如圖4所示。

圖4 大跨距高臺面底座Fig.4 Large-span and high-platform base

2.4 一體式游車大鉤設(shè)計(jì)

游車大鉤采用一體式結(jié)構(gòu)[7],主要由游車大鉤、導(dǎo)向滑車、導(dǎo)軌總成、定位鎖緊機(jī)構(gòu)、吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)等組成。游車大鉤依據(jù)API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),最大靜載荷5 850 kN,預(yù)留了升級空間?；啍?shù)7個。游車大鉤設(shè)計(jì)有二維旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),在采礦船隨波浪橫搖時,鉤體和筒體可以相對旋轉(zhuǎn);在采礦船隨波浪縱搖時,吊環(huán)相對鉤體的副鉤可以旋轉(zhuǎn),始終保持吊環(huán)、吊具和揚(yáng)礦管處于豎直狀態(tài)。定位鎖緊機(jī)構(gòu)和吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)吊環(huán)、吊卡和揚(yáng)礦管自動前、后傾斜作業(yè),配合動力貓道和鐵鉆工,實(shí)現(xiàn)自動化管子處理作業(yè),極大減輕底座臺面工人的勞動強(qiáng)度。一體式游車大鉤如圖5所示。

圖5 一體式游車大鉤Fig.5 Hook block assembly

2.5 雙座椅水面集控室設(shè)計(jì)

水面集控室為布放回收系統(tǒng)的控制中心,融機(jī)、電、液、氣、計(jì)算機(jī)及通信、人機(jī)工程等技術(shù)于一體[8],主要集成安裝了室內(nèi)配電系統(tǒng)、氣控制系統(tǒng)、電傳動控制系統(tǒng)、動力貓道控制系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)、盤剎控制系統(tǒng)等控制元件或顯示終端。室內(nèi)設(shè)計(jì)了主操作椅和輔助操作椅,主操作椅主要控制設(shè)備包括絞車、盤剎、工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)、動力卡瓦鐵鉆工;輔助操作椅主要控制動力貓道。該集控室的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水下采礦設(shè)備布放回收操作和揚(yáng)礦管自動化輸送分別獨(dú)立作業(yè),提高了作業(yè)效率和安全性。雙座椅水面集控室如圖6所示。

圖6 雙座椅水面集控室Fig.6 Water surface center control room with double seats

2.6 揚(yáng)礦管自動化處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

揚(yáng)礦管自動化處理系統(tǒng)[9-10]輸送作業(yè)主要分為4個步驟:①揚(yáng)礦管從船體主甲板到水平動力貓道。該過程配套折臂抓管機(jī),完成揚(yáng)礦管從儲管架到水平動力貓道的調(diào)運(yùn),抓管機(jī)最大載荷達(dá)80 kN,水平動力貓道輸送最大管柱重力100 kN。②從水平動力貓道到底座臺面中心。該過程配套設(shè)備為水平動力貓道,水平動力貓道主車最大行程4 m,最大速度0.5 m/s。③從底座臺面中心水平狀態(tài)到豎直狀態(tài)。該過程配套水平動力貓道扶正臂、一體式游車大鉤和液壓翻轉(zhuǎn)吊卡,吊環(huán)最大前傾角度35°,完成揚(yáng)礦管從水平到豎直的翻轉(zhuǎn)。④揚(yáng)礦管對接。該過程配套鐵鉆工、動力卡瓦和一體式游鉤,完成揚(yáng)礦管上卸扣作業(yè)。

上述過程中步驟①由折臂抓管機(jī)自帶的操作室獨(dú)立完成,步驟②、步驟③、步驟④在水面集控室進(jìn)行集成操控。另外還需配置綜合液壓站,為各液壓設(shè)備提供液壓源。揚(yáng)礦管自動化處理系統(tǒng)布置如圖7所示。

圖7 揚(yáng)礦管自動化處理系統(tǒng)布置圖Fig.7 Layout diagram of automatic operation system of lifting pipe

3 驗(yàn)證與試驗(yàn)

3.1 分析計(jì)算

布放回收系統(tǒng)塔架、底座設(shè)計(jì)計(jì)算遵循美國石油學(xué)會APISpec 4F(第4版)標(biāo)準(zhǔn)及美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會AISC(335—1989)中的有關(guān)規(guī)定。本文采用有限元分析軟件ANSYS,分別對操作工況和風(fēng)暴工況進(jìn)行了強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明,所有工況下塔架、底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性均符合要求,其中操作工況下最大UC值為0.877(API Spec 4F標(biāo)準(zhǔn)允許UC值為1),風(fēng)暴工況下最大UC值為0.95。塔架及底座主體結(jié)構(gòu)模型如圖8所示。

圖8 塔架、底座主體結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Main structure model of derrick and base

此外,還對布放回收系統(tǒng)中的一體式游車大鉤承載能力及抓管吊機(jī)抓管作業(yè)進(jìn)行分析計(jì)算,結(jié)果均滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

3.2 廠內(nèi)試驗(yàn)和碼頭試驗(yàn)

布放回收系統(tǒng)研制完成后,在寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司試驗(yàn)井場進(jìn)行了主承載結(jié)構(gòu)的型式試驗(yàn)和系統(tǒng)出廠功能試驗(yàn),主要有塔架及天車型式試驗(yàn)、底座型式試驗(yàn)、一體式游鉤型式試驗(yàn)、提升絞車型式試驗(yàn);系統(tǒng)防碰、急停、互鎖、報警功能試驗(yàn),液壓系統(tǒng)控制功能試驗(yàn),液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、液壓卡瓦等功能試驗(yàn),以及提升絞車運(yùn)行試驗(yàn)等。廠內(nèi)組裝試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9所示。型式試驗(yàn)載荷從3 500 kN開始,每個載荷值加載3次,每次加載保持3 min,然后依次遞增500 kN載荷重復(fù)上述加載次數(shù)和時間,直到試驗(yàn)載荷值達(dá)到最大載荷5 850 kN,且只進(jìn)行一次最大載荷值的加載試驗(yàn)。試驗(yàn)中塔架及底座最大測試應(yīng)力196 MPa,天車中心線與底座臺面中心的位置度20 mm;提升絞車的最大快繩拉力試驗(yàn)載荷為480 kN,試驗(yàn)后提升絞車主承載件關(guān)鍵焊縫完好,剎車系統(tǒng)無變形。系統(tǒng)各項(xiàng)功能性試驗(yàn)過程正常,符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 廠內(nèi)組裝試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.9 Factory assembly test site

布放回收系統(tǒng)出廠后在張家港碼頭完成了裝船作業(yè),碼頭組裝試驗(yàn)現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 碼頭組裝試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.10 Dock assembly test site

進(jìn)行了單元部件功能試驗(yàn)及系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn),主要有提升絞車、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、吊環(huán)傾斜裝置、液壓卡瓦、液壓扳手、抓管吊機(jī)等設(shè)備功能試驗(yàn),系統(tǒng)防碰、急停、互鎖、報警功能試驗(yàn),揚(yáng)礦管對接和拆卸試驗(yàn);以及布放回收系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)。其中雙單根揚(yáng)礦管立柱從儲管架至井口中心與井口處的揚(yáng)礦管完成對接時長約170 s。試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的法蘭螺栓連接和螺紋連接搭配的水下設(shè)備連接工藝,既保證了水下設(shè)備間連接的可靠性,又可提高水下設(shè)備布放回收的效率。

(2)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)揚(yáng)礦管從管柱堆場到井口中心全過程自動化輸送作業(yè),自動化程度高,提高了作業(yè)的安全性,減輕了工人的勞動強(qiáng)度。

(3)研制的布放回收系統(tǒng)整體性能優(yōu)越,滿足作業(yè)水深3 000 m,最大作業(yè)海況5級、生存海況不小于6級,抗風(fēng)力不低于12級的深海采礦作業(yè)要求。

(4)布放回收系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、關(guān)鍵設(shè)備制造工藝、系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證等相關(guān)技術(shù),可為其他噸位級別的采礦船布放回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造提供參考。