深海采礦船礦物輸送設(shè)備布放回收系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

田 雪 趙建亭 劉樹祥 曾慶松

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

0 引 言

深海海底蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，主要包括多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物和稀土等。自20世紀(jì)50年代末以來，美國(guó)、日本以及歐洲的一些發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開展深海采礦系統(tǒng)的研究開發(fā)和海試[1]。我國(guó)自20世紀(jì)80年代末開始相關(guān)技術(shù)研究，主要開展了深海多金屬結(jié)核開采研究，并完成了單體試驗(yàn)和系統(tǒng)中試[2]。經(jīng)過各國(guó)多年來的研究，已形成了較完善的深海礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)方案，驗(yàn)證了深海采礦技術(shù)的可行性，開發(fā)了由履帶自行式集礦機(jī)采集、管道輸送和水面采礦船所組成的主流深海采礦系統(tǒng)[3-4]。

深海采礦至今還沒有進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化開采階段，海試采用的采礦船多為舊船改造，國(guó)外如R/V Deepsea Miner Ⅱ號(hào)采礦船、SE-DCO 445號(hào)采礦船、格洛瑪探索者號(hào)采礦船，國(guó)內(nèi)如夢(mèng)娜公主號(hào)采礦試驗(yàn)船等。這些船的專業(yè)化、集成化和智能化程度相對(duì)較低，遠(yuǎn)未達(dá)到商業(yè)采礦工程化要求。2018年3月29日，由新加坡SEA TECH公司設(shè)計(jì)、我國(guó)馬尾船廠建造的國(guó)際首艘深海采礦船——鸚鵡螺新紀(jì)元號(hào)出塢。該船作業(yè)水深2 500 m，具備采礦作業(yè)、航行、居住生活等功能，主要用于開采多金屬硫化物，礦物儲(chǔ)存能力約39 000 t。不過，由于加拿大鸚鵡螺礦業(yè)公司出現(xiàn)資金鏈和作業(yè)海域環(huán)保問題，該船至今仍未投入使用，因而缺少實(shí)際工程檢驗(yàn)和行業(yè)規(guī)范的指導(dǎo)。為了緊跟深海采礦技術(shù)發(fā)展步伐，開發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深海采礦船尤為重要。

布放回收系統(tǒng)是深海采礦船的重要組成部分，主要用于集礦機(jī)和礦物輸送設(shè)備（主要包括中繼站、揚(yáng)礦泵、輸送管等）的布放回收作業(yè)[5]。集礦機(jī)通常采用獨(dú)立的門架吊放系統(tǒng)從舷側(cè)或船尾進(jìn)行布放回收[6-7]，作業(yè)流程簡(jiǎn)單、方案比較成熟，而礦物輸送設(shè)備的布放回收涉及輸送管存放、轉(zhuǎn)運(yùn)、連接、補(bǔ)償、布放、回收，以及揚(yáng)礦泵和中繼站的轉(zhuǎn)運(yùn)、布放、回收等環(huán)節(jié)，作業(yè)流程復(fù)雜、系統(tǒng)設(shè)備眾多，其配置選型對(duì)采礦船主尺度規(guī)劃和總體布置有重要影響。本文旨在探討適用于深海采礦船的礦物輸送設(shè)備布放回收系統(tǒng)總體方案，為后續(xù)船型開發(fā)提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體規(guī)劃

1.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

深海海底礦物主要包括多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物和稀土等。目標(biāo)船作業(yè)水深達(dá)6 000 m，可滿足6 000 m水深多金屬結(jié)核、2 300 m水深富鈷結(jié)殼和4 000 m水深多金屬硫化物的開采，日產(chǎn)干結(jié)核6 000 t，礦物儲(chǔ)存能力達(dá)25 000 m3，礦物最大儲(chǔ)量約50 000 t。其甲板可變載荷12 000 t，排水量約11萬t，集航行、采礦作業(yè)、居住和支持等功能于一體。

目標(biāo)船設(shè)置2套自行式履帶集礦車，布放于6 000 m深的海底，完成采集結(jié)核礦石，并進(jìn)行脫泥、破碎、輸送作業(yè)。2臺(tái)集礦車的總采礦能力為300 t/h，通過管道式礦物輸送系統(tǒng)將采集的結(jié)核礦石提升到船上，輸送系統(tǒng)由垂直提升硬管段、中繼站和軟管段組成。為了保證自行式集礦車的機(jī)動(dòng)性，避免礦物輸送管對(duì)其產(chǎn)生動(dòng)力影響，礦物輸送管通過1條500 m長(zhǎng)的軟管與集礦車相連。中繼站位于水面以下5 900 m深處，頂部通過接頭與輸送管連接，輸送管提升段長(zhǎng)度為5 900 m。垂直硬管段上設(shè)置3套揚(yáng)礦泵，采用串聯(lián)型式分別安裝于水面以下5 400 m、3 600 m和1 800 m處。

與常規(guī)的礦漿處理和礦物儲(chǔ)存轉(zhuǎn)運(yùn)方式相比，目標(biāo)船采用創(chuàng)新型礦物處理方式，具體為：設(shè)置礦物V型儲(chǔ)存艙，海底礦漿通過裝艙管進(jìn)入儲(chǔ)存艙內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)均勻裝艙；艙高位設(shè)置溢流管，清水從艙高位溢流進(jìn)入溢流水艙，通過離心泵進(jìn)入處理系統(tǒng)；艙底設(shè)置透水層，礦砂余水通過重力濾出；經(jīng)過溢流和除水后的礦砂通過儲(chǔ)存艙自卸門出艙，再經(jīng)底部皮帶機(jī)輸送到垂直提升機(jī)，繼而輸送到外輸臂，最后經(jīng)由外輸臂輸送到運(yùn)輸船上。目標(biāo)船采礦作業(yè)如圖1所示。

圖1 目標(biāo)船采礦作業(yè)示意圖

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

礦物輸送設(shè)備通常采用塔架系統(tǒng)從船體中部月池區(qū)進(jìn)行布放回收[8-9]，其布放回收系統(tǒng)主要包括塔架及起升系統(tǒng)、塔架平臺(tái)輔助設(shè)備、輸送管張緊系統(tǒng)、輸送管存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，以及揚(yáng)礦泵和中繼站轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（如圖2所示），各系統(tǒng)主要功能如下：塔架及起升系統(tǒng)主要用于輸送管、揚(yáng)礦泵、中繼站的下放和回收；輸送管張緊系統(tǒng)用于降低船體升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)深海采礦作業(yè)和礦物輸送管張緊力的影響，維持礦物輸送管張緊力的恒定，提高采礦作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性；輸送管存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)輸送管在甲板的存儲(chǔ)以及在甲板堆場(chǎng)與塔架平臺(tái)間移運(yùn)；揚(yáng)礦泵和中繼站轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的主要功能是將揚(yáng)礦泵和中繼站移運(yùn)到月池區(qū)下放；塔架平臺(tái)輔助設(shè)備的主要功能是協(xié)助系統(tǒng)作業(yè)及檢修維護(hù)。

圖2 布放回收系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，還需要考慮控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)同支持模塊的匹配性，以保障布放回收作業(yè)順利實(shí)施。

2 系統(tǒng)方案論證

2.1 主要載荷和技術(shù)參數(shù)

大鉤載荷是塔架和塔架平臺(tái)設(shè)計(jì)及起升系統(tǒng)設(shè)備選型的關(guān)鍵參數(shù)，通常由下放輸送管、中繼站、揚(yáng)礦泵等作業(yè)工況決定，大鉤載荷能力的確定需考慮最大下放輸送管柱、中繼站和揚(yáng)礦泵的重量等因素。

防止泥漿污染，海洋鉆井公司從源頭入手，加大科技投入，與高校及相關(guān)科研單位聯(lián)合攻關(guān)，研發(fā)環(huán)保泥漿，獲得了國(guó)家海洋局的無毒泥漿證書。該環(huán)保泥漿體系已經(jīng)在勝利七號(hào)鉆井平臺(tái)進(jìn)行埕北326井作業(yè)時(shí)應(yīng)用。

礦物輸送管單根的外徑為121.92 cm（48 in，含浮力塊），長(zhǎng)度為2 286 cm （75 ft）。5 900 m長(zhǎng)的輸送管在空氣中重約4 050 t，在水中重約350 t；3臺(tái)揚(yáng)礦泵組在空氣中重約240 t，在水中重約200 t；中繼站在空氣中重約150 t，在水中重約120 t。輸送管柱下放鉤載需求約670 t，考慮1.2倍動(dòng)態(tài)放大系數(shù)，大鉤載荷需求約804 t。根據(jù)起升系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格系列，大鉤載荷選取907 t。

管柱張緊力的合理設(shè)置是確保集礦系統(tǒng)和礦物輸送系統(tǒng)作業(yè)安全的關(guān)鍵因素。目前管柱張緊力設(shè)計(jì)方法主要包括美國(guó)石油協(xié)會(huì)（American petroleum institute, API）算法、底部殘余張力算法和下放最大鉤載算法，管柱張緊力需要根據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行詳細(xì)核算才能夠確定。本文采用下放鉤載算法來初步估算管柱張緊力，從而確定輸送管張緊系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)。管柱最大張緊力的確定應(yīng)以管柱（含礦物或泥漿）在水中所需提升力為依據(jù)[10]，可按照大鉤下放載荷的80%（即643 t）來估算。張緊系統(tǒng)配置8個(gè)張緊器，考慮到張緊器失效或維修工況時(shí)，至少需確保有6個(gè)張緊器仍能為管柱提供所需的最小張力，則每個(gè)張緊器張緊能力約110 t，整個(gè)系統(tǒng)管柱張緊能力為880 t。按照系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格系列，系統(tǒng)張緊能力確定為907 t，單個(gè)張緊器張緊能力為113.375 t。

2.2 輸送管存放方式

不同的輸送管存放方式對(duì)移運(yùn)效率、船體主尺度、總布置、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性均有不同的影響。對(duì)于采礦船，輸送管存儲(chǔ)通常采用平放方式，類似于鉆井船上隔水管水平存放方式，通常有主甲板存放、下沉式存放和船體內(nèi)存放這3種。相對(duì)于主甲板存放方式，其他2種方式均需在主甲板上設(shè)置大開口，不僅影響結(jié)構(gòu)連續(xù)性與強(qiáng)度，對(duì)船體布置空間需求增大，而且管子處理效率也相對(duì)較低，但管子堆放的重心可適當(dāng)降低。

綜合對(duì)比3種管子的存放方式在設(shè)備配置以及對(duì)船體影響等方面整理優(yōu)缺點(diǎn)，如下頁表1所示。

表1 管子存放方式比較表

結(jié)合目標(biāo)船型特點(diǎn)，因月池首尾艙室均用作礦物儲(chǔ)存艙，不便于存放管子，故輸送管采用主甲板存放方式。輸送管本體外徑為35.56 cm（14 in），增加浮力材料后外徑為121.92 cm（48 in），單根長(zhǎng)度2 286 cm（75 ft）。按照提升段長(zhǎng)度5 900 m計(jì)算，需配置258根輸送管。揚(yáng)礦管最大堆放高度為10層，每層需排放26根，考慮到管與管之間留有一定的間隙，則堆場(chǎng)橫向?qū)挾炔荒苄∮?5.5 m。貓道機(jī)平臺(tái)寬度為4.2 m，考慮到舷側(cè)甲板吊機(jī)和外輸臂布置要求，故理論上船寬應(yīng)不小于50 m。由于目標(biāo)船的船寬最終定為43.8 m，故輸送管需按照2列布置于月池尾部主甲板區(qū)域。因礦物儲(chǔ)存艙、礦物垂直提升系統(tǒng)和外輸臂的布置要求，2列輸送管之間有一定的間隙，堆場(chǎng)面積約1 250 m2。

2.3 輸送管轉(zhuǎn)運(yùn)方式

平放管子的處理系統(tǒng)主要包括管子吊機(jī)、貓道機(jī)和井口扶管裝置。轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)流程為：吊機(jī)將堆場(chǎng)上呈水平狀態(tài)的管子單根吊起，移運(yùn)至貓道機(jī)上；貓道機(jī)將平放的管子單根運(yùn)送至塔架平臺(tái)并進(jìn)行一定角度的舉升；塔架起升系統(tǒng)將單根吊起，由貓道扶正器和井口輔助裝置扶正后通過卡盤下放。

平放管子轉(zhuǎn)運(yùn)方式通常有折臂吊機(jī)配合貓道機(jī)、龍門吊機(jī)配合貓道機(jī)這2種方式。折臂吊機(jī)通常布置在管子堆場(chǎng)一側(cè)，為基座式安裝；而龍門吊機(jī)通常設(shè)置在管子堆場(chǎng)的正上方，首尾部支腿分別安裝在塔架平臺(tái)側(cè)面的支撐結(jié)構(gòu)和主甲板上，支腿間跨距需大于管子單根長(zhǎng)度，吊機(jī)整體可沿固定軌道在管子堆場(chǎng)區(qū)行走。2種轉(zhuǎn)運(yùn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表2所示。

表2 輸送管轉(zhuǎn)運(yùn)方式對(duì)比表

根據(jù)2種轉(zhuǎn)運(yùn)方式優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)合目標(biāo)船2列管子堆場(chǎng)的布置情況，若配置1臺(tái)龍門吊機(jī)，則吊機(jī)橫跨太大，需要特殊設(shè)計(jì)或配置2臺(tái)龍門吊機(jī)，占用甲板面積大，不適合應(yīng)用。因此目標(biāo)船輸送管吊運(yùn)宜采用折臂吊機(jī)，可兼顧船上其他設(shè)備的吊運(yùn)。

2.4 揚(yáng)礦泵和中繼站轉(zhuǎn)運(yùn)方式

船體中部開設(shè)“凸”字形月池，揚(yáng)礦泵和中繼站通過月池下放，可分別布置于月池兩側(cè)或同側(cè)?？紤]到若采取月池兩側(cè)分開處理的作業(yè)方式，則需要設(shè)置2套獨(dú)立的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，但對(duì)于采礦船而言，水下設(shè)備數(shù)量較鉆井裝置少，故從甲板面積利用率和設(shè)備配置經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，建議采用同側(cè)布置方式。揚(yáng)礦泵和中繼站轉(zhuǎn)運(yùn)方式對(duì)月池開口尺寸、區(qū)域規(guī)劃等有重要影響，目前主流的轉(zhuǎn)運(yùn)方式有起重機(jī)吊運(yùn)和托車移運(yùn)，2種方式的對(duì)比情況見表3。

表3 不同型式揚(yáng)礦泵和中繼站轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)對(duì)比分析表

揚(yáng)礦泵和中繼站轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)與鉆井裝置上防噴器組處理系統(tǒng)類似。從工程應(yīng)用方面來看，起重機(jī)吊運(yùn)式轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)用更加廣泛，技術(shù)成熟且設(shè)備簡(jiǎn)單；托車移運(yùn)式方案雖然避免了采用起重機(jī)進(jìn)行重型搬運(yùn)，作業(yè)相對(duì)安全，但應(yīng)用該方式時(shí)，由于月池區(qū)域軌道設(shè)置較復(fù)雜，要留有3臺(tái)揚(yáng)礦泵托車和中繼站托車的存儲(chǔ)位置和退車位置，而且需要廠家進(jìn)行多項(xiàng)新型設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)，因此實(shí)際工程應(yīng)用較少?；谏鲜鲈?，故目標(biāo)船采用起重機(jī)吊運(yùn)式揚(yáng)礦泵和中繼站轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)總體布置方案

在系統(tǒng)方案論證的基礎(chǔ)上，合理規(guī)劃塔架平臺(tái)、月池和堆場(chǎng)等區(qū)域布置，形成目標(biāo)船輸送設(shè)備布放回收系統(tǒng)總體布置方案，如圖3所示。

圖3 輸送設(shè)備布放回收系統(tǒng)總布置方案?jìng)?cè)視圖

主甲板設(shè)置大、小月池各1個(gè)，都位于船體中部區(qū)域，且連接在一起。大月池用于水下設(shè)備布放回收作業(yè)，水線開口尺寸為12 m×10 m；小月池用于輸送管柱懸持，水線開口尺寸為6.4 m×6.4 m；懸持中心和井口中心距離為8 m。

月池上方設(shè)置塔架平臺(tái)，距主甲板高度約18.5 m，滿足中繼站和揚(yáng)礦泵等設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)的要求。平臺(tái)上設(shè)置塔架、提升絞車、卡盤、死繩固定器、尾繩卷筒、接管機(jī)械手、控制房、儀表電氣設(shè)備房、雜用絞車、載人絞車等設(shè)備，平臺(tái)四周設(shè)置輸送管張緊系統(tǒng)。塔架大門設(shè)置在首尾方向；尾部設(shè)置輸送管堆場(chǎng)，通過甲板折臂吊和貓道機(jī)實(shí)現(xiàn)管材移運(yùn)；首部設(shè)置中繼站和揚(yáng)礦泵轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，通過門形桁吊和月池臺(tái)車實(shí)現(xiàn)水下設(shè)備移運(yùn)，首尾移運(yùn)作業(yè)互不干擾。

本文在系統(tǒng)構(gòu)成和方案論證的基礎(chǔ)上，開發(fā)了1套適用于6 000 m作業(yè)水深的深海采礦船礦物輸送設(shè)備布放回收系統(tǒng)配置方案，其主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 礦物輸送設(shè)備布放回收系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

4 結(jié) 語

本文介紹了國(guó)內(nèi)外深海采礦技術(shù)和船型研發(fā)現(xiàn)狀，梳理了當(dāng)前主流深海采礦作業(yè)模式和流程；根據(jù)礦物輸送設(shè)備布放回收需求，明確其功能定位和系統(tǒng)構(gòu)成，并進(jìn)行總體規(guī)劃；通過對(duì)技術(shù)參數(shù)、礦物輸送設(shè)備的存放和轉(zhuǎn)運(yùn)方式的論證，形成系統(tǒng)總體布置方案，為深海采礦船船型開發(fā)提供設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。