60 m專用選礦船設計

韓海林，戴雪良

(江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

濱海砂礦是在沿海環(huán)境下形成的，具有重要工業(yè)或經(jīng)濟價值的一類礦砂。已探明的濱海砂礦品種達數(shù)十種，其中金屬礦物中的鈦鐵礦、鋯石、金紅石、磁鐵礦(鈦磁鐵礦)對于航天工業(yè)以及核工業(yè)具有重要的意義。稀有金屬礦物中的錫石、鈮鉭鐵礦等在航天工業(yè)或核工業(yè)中也發(fā)揮著重要作用。稀土礦物中的獨居石、磷釔礦等所含的稀土資源在高新技術工業(yè)領域有著廣泛的應用。貴金屬礦物中如砂金、銀、金剛石、鉑等具有極高的經(jīng)濟價值。非金屬礦物中的貝殼、石英砂、琥珀等也具有一定的價值。在當前世界范圍內(nèi)的海底礦產(chǎn)資源開發(fā)與利用中，其開采價值僅次于海底石油和天然氣。據(jù)報道，世界上已有約30國家或地區(qū)正在或準備進行濱海砂礦的勘探與開采工作，但開采能達到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的寥寥無幾。

濱海砂礦一般沿著海岸線呈現(xiàn)連續(xù)的帶狀分布，其礦砂品位相對而言比較均勻，一般有用礦物的含量為20%～30%，包含了大比例的脈石礦物。如果通過采砂船將原礦開采后運回陸地，再進行分選，無疑將大大增加運輸成本，且開采效率低下。因此，有必要設計專用的選礦船，在選礦船上直接裝備礦砂分選和輸送設備，一次性連續(xù)完成礦物的分選、精礦外輸及尾礦回填。近年來，國內(nèi)外已有的船載礦物分選設備，絕大多數(shù)采用傳統(tǒng)的陸地分選設備，通過在船上進行改裝實現(xiàn)。盡管這種改裝方式價格便宜，但分礦的效率低、能耗大，結(jié)構(gòu)體積也非常龐大，已經(jīng)不能有效滿足日益發(fā)展的沿海采礦市場的開采需求。其次，設備的自動控制程度低、國內(nèi)高效選礦設備的緊缺，也嚴重制約著沿海礦砂資源的開采效率。因此，設計專用的選礦船，配備船載智能化成套選礦系統(tǒng)，配合高效采礦船實施礦物的及時連續(xù)分選，并配套設計精礦外送和尾礦回填系統(tǒng)，將極大地提高我國海洋采礦裝備的現(xiàn)有技術水平，對突破國外高技術封鎖，提高我國海工裝備產(chǎn)品的國際競爭力，具有重要的意義[1-2]。

60 m專用選礦船作為國內(nèi)建造的最大專用選礦平臺，與配套船舶形成了完整的采選礦系統(tǒng)，代表了當今海濱砂礦選礦的先進水平。本文對該選礦船從總體布置、選礦系統(tǒng)設計、選礦設備支撐結(jié)構(gòu)設計和強度分析等方面進行了重點分析和詳述，并對實船建造、轉(zhuǎn)運、實船投運等進行了敘述，為后續(xù)設計同類型船舶，甚至采選一體化大型海洋工程平臺提供了設計思路和有益指導。

1 總體要求及主要量度

1.1 總體要求

本項目研究依據(jù)為澳大利亞Amex公司提供的斐濟MBa Delta鐵礦砂項目開發(fā)的可行性研究報告(Bankable Feasibility Study Report)。MBa Delta鐵砂礦床發(fā)育良好，礦床為簡單的平伏型，礦化延伸到比早期的勘探所定義的礦床有著更深的深度，具有產(chǎn)業(yè)化開采價值。澳大利亞Amex公司斐濟MBa Delta鐵礦砂項目的開發(fā)，是我國自主設計建造并出口的首個大型海上采礦和選礦項目。項目建成后可在斐濟MBa Delta近海連續(xù)采選礦作業(yè)，設計年產(chǎn)磁鐵精礦75萬t。該項目是一整套開采海濱砂礦的綜合技術解決方案，標準高、要求嚴，所有電力設施滿足IEC標準，船體及鋼結(jié)構(gòu)設計滿足法國船級社(BV)要求，所有設備滿足海洋環(huán)境、船上作業(yè)的工況，整套施工方案通過斐濟政府的環(huán)評要求。澳大利亞Amex公司斐濟MBa Delta鐵礦砂開采項目的研發(fā)代表當今海濱砂礦選礦的先進水平，標志著在海上選礦、開發(fā)海洋資源的國際趨勢下，我國在“一帶一路”上承建的又一個標志性項目。

該項目的研究內(nèi)容包括解決近海海濱砂礦的開采和選礦裝備的研究，整套作業(yè)裝備由采礦船、選礦船、工作船、頂推拖船等組成。相對于傳統(tǒng)的陸上選礦系統(tǒng)，該套海上船舶選礦系統(tǒng)可以在海上直接進行采礦、磁選、運輸?shù)茸鳂I(yè),具有一體化、系統(tǒng)化工作特點，不僅提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了成本，而且更加環(huán)保。選礦船作為該系統(tǒng)中的關鍵節(jié)點之一，需要與前端的采礦系統(tǒng)和后端的精礦運輸系統(tǒng)等相互協(xié)調(diào)，并完成尾礦的回填，因此該船的設計對整個項目的成功與否至關重要。

本船用于斐濟沿海礦區(qū)的選礦，由采礦船輸送來的原礦砂通過本船的選礦設備選取后，精礦輸送到專用運輸駁船，尾礦通過管道輸送到尾礦填埋區(qū)進行尾礦回填。

本船入法國船級社(BV)船級，懸掛斐濟國旗，設計依據(jù)為BV《鋼質(zhì)船舶入級規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)及相關的法定規(guī)則等，航區(qū)為沿海航區(qū)。

1.2 主要量度選取

選礦船的主要量度需要考慮選礦工藝系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、配電及控制系統(tǒng)、辦公生活及附屬設施在甲板面能有適合的布置。型深應滿足機、泵艙的布置，并應滿足《規(guī)范》對干舷的要求。由于選礦工藝系統(tǒng)整體高度較高，受風面積較大，整船的空船重心偏高，船舶在工作、拖航時受風、浪、潮流的影響很大，故對于船體的主尺度等必須加以充分考慮。船型設計成方型截面的箱型船。船寬經(jīng)過反復比選，最終選取值比初始方案增加了1 m，這不僅有利于主甲板上方的選礦系統(tǒng)廠房的布置，而且穩(wěn)性更好，對持續(xù)的選礦作業(yè)非常有利。根據(jù)總體布置，并考慮選礦船自身特點，設計選擇船舶的主要量度如下：

總長約60 m，船長54 m，型寬21 m，型深4.5 m，設計吃水2.5 m，淡水艙容積約27 m3，燃油艙容積約190 m3;沿海航區(qū)，船旗為斐濟，船級符號為ⅠHULL PONTOON COASTAL AREA。

1.3 設計環(huán)境條件

船東根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場的實際情況，提出選礦船的設計環(huán)境條件如下：

大氣溫度：封閉空間

0～45 ℃

露天空間

-1～45 ℃

電氣設備

最大55 ℃

海水溫度

15～32 ℃

相對濕度

10%～100%

2 總體布置

選礦船主要有船體、發(fā)電系統(tǒng)、配電及控制系統(tǒng)、選礦工藝系統(tǒng)、物料(包括原礦砂、粗精礦、精礦、尾礦等)輸送系統(tǒng)、起吊設備、定位裝置、上中下操作平臺、辦公生活及附屬設施等構(gòu)成，其布置見圖1～圖3。

圖1 60 m選礦船艙底視圖

圖2 60 m選礦船主甲板視圖

圖3 60 m選礦船設備甲板視圖

本船主甲板近似長方形，其上方主要布置選礦設備及其廠房，主船體相當于選礦廠房的基礎。為了節(jié)省空間，艙室布置應緊湊合理，滿足選礦工作需求。從選礦船的工作特點出發(fā)，盡量把與選礦無關的艙室布置在主甲板以下，使主甲板上有較大的面積用于安裝設備、排布管系、方便施工。基于此原則，本船的艙室布置如下：

(1)主甲板以下。艉尖艙橫向分隔為3個壓載艙：中部艉壓載艙容約為310 m3，左右艉壓載艙容均約為220 m3。艉尖艙前部中間設機艙，左右為空艙。左右空艙內(nèi)各分隔出左右燃油艙，左右燃油艙的艙容約為86 m3。機艙前方為尾礦泵艙。從安全、使用和維護的角度出發(fā)，機艙和泵艙通過異形橫艙壁予以分隔，泵艙兩側(cè)均為空艙。尾礦泵通過管路連接嵌入到主船體內(nèi)的漏斗形尾礦艙，可以將艙內(nèi)的尾礦排至回填區(qū)域。尾礦艙的兩側(cè)和前方均為空艙。船首中間為空艙，空艙內(nèi)分隔有淡水艙、污水艙、與海水直接連通的取水池。艏尖艙橫向分隔為3個壓載艙。

本船在拖航和工作狀態(tài)下，船舶重心縱向和橫向位置變化大。通過首尾及其左右壓載艙壓載水的調(diào)節(jié)，可以保證在各狀態(tài)下船舶基本平浮。

(2)主甲板以上主要為作業(yè)區(qū)域，設有整套選礦設備、集裝箱式發(fā)電機組、集裝箱式配電室、值班室、預留實驗室等艙室及設施。為便于船舶的左右舷方便快捷地停靠精礦轉(zhuǎn)運駁船，艏艉部布置導繩裝置，將與定位錨相連的鋼絲繩由船底導入到主甲板上，并與中部的絞車相連，實現(xiàn)本船的定位。本船在國內(nèi)建造，建造完成后需要通過半潛船浮運至斐濟作業(yè)現(xiàn)場，因此艏艉部的導繩裝置可以旋轉(zhuǎn)收至主甲板上，防止裝置超過船底，使選礦船無法固定在半潛船上。靠近左右舷側(cè)布置帶纜樁等系泊設備。主甲板以上設有機艙入口。

3 選礦系統(tǒng)及工藝

3.1 選礦系統(tǒng)布置

選礦系統(tǒng)主體位于主甲板以上，自上而下分6層布置。

(1)距主甲板12.2 m高平臺布置采礦礦漿管道，以及2個分礦箱、2臺振動篩、6臺精磁選機。

(2)距主甲板8.2 m高平臺布置緩沖斗、細篩分礦器。

(3)距主甲板4.2 m高平臺布置2個高頻振動細篩。

(4)距主甲板1.6 m高平臺布置8臺粗磁選機。

(5)主甲板布置1個精礦艙、3只取水泵。

(6)主甲板以下的底艙布置1個尾礦泵艙、1個尾礦艙、2個粗精礦艙、2只粗精礦泵。

3.2 選礦工藝

海底原礦砂經(jīng)采礦船采用斗輪挖掘出來并經(jīng)管道輸送到選礦船上的振動篩進行除渣。篩下的礦砂漿，流入到緩沖斗并自流到粗磁選機，進行一級粗磁選作業(yè)。經(jīng)粗磁選機選出的粗精礦，自流到粗精礦艙內(nèi)，再經(jīng)粗精礦泵通過管道泵送至二級磁選的精磁選機，粗選尾礦進入尾礦艙，通過尾礦泵經(jīng)排尾系統(tǒng)回填至海底采空區(qū)，可以基本恢復海底地貌。

粗精礦經(jīng)精磁選機精選后，礦砂自流到細篩分礦器，再自流到高頻振動細篩，篩下的礦砂漿自流精礦泵艙中，并通過精礦泵泵送至兩側(cè)輸送帶，再由船舶兩側(cè)的裝船臂輸送到專用駁船上轉(zhuǎn)運。精選機的溢流和二級磁選的尾礦自流到尾礦艙中復填海底。

4 選礦設備支撐結(jié)構(gòu)及廠房設計

選礦設備的支撐結(jié)構(gòu)布置在船中Fr16至船首，總長約46 m，總寬約17 m，總高約21 m。根據(jù)選礦系統(tǒng)功能需要，整個支撐裝置由粗磁選機支撐平臺、高頻振動細篩支撐平臺、緩沖斗和細篩分礦器支撐平臺、振動篩及精磁選機用支撐平臺、遮陽用頂棚、設備底座及通道平臺等部分組成，將選礦系統(tǒng)由上至下分成4個功能區(qū)域。

由于選礦船作業(yè)區(qū)域高熱、多風、潮濕和鹽霧等環(huán)境特點，因而選礦設備支撐結(jié)構(gòu)設計為敞開型的桁架支撐式結(jié)構(gòu)，以減少受風面積并降低自重。各層平臺之間采用圓形支柱支撐連接，平臺及支柱桁架構(gòu)成整體型結(jié)構(gòu)，并適當設置斜撐，增加平臺的整體剛度，以抵抗因橫搖、縱搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩等產(chǎn)生的運動載荷。

4.1 粗磁選機支撐平臺結(jié)構(gòu)和通道平臺

粗磁選機支撐平臺結(jié)構(gòu)位于礦艙礦泵區(qū)的上方，平臺上布置粗磁選機及其相關管路。該層平臺除用于支撐粗磁選機系統(tǒng)以外，還支撐由上層作業(yè)平臺傳遞來的載荷。同時，該層平臺也是開展選礦工作的主要巡查平臺，因此支撐柱同樣采用圓柱形支柱并從粗磁選機支撐平臺一直延伸到最上層平臺。這樣既能保證平臺的強度和巡查通道暢通，又能使粗磁選機布置緊湊。

4.2 高頻振動細篩和緩沖斗等支撐平臺

高頻振動細篩支撐平臺、緩沖斗和細篩分礦器支撐平臺位于選礦設備支撐結(jié)構(gòu)中部。為了要起到支撐上部平臺的作用，又要能方便平臺下方設備維修或更換時拆卸，設計成一個由工字型材與支柱連接加局部平臺板型式，避免形成一層滿實的平臺，為下方設備的起吊與維修，留有足夠的操作空間。高頻振動細篩因為振動頻率非常高，振動比較大，對結(jié)構(gòu)強度要求很高，所以增設支柱至主甲板加強，并用桁架結(jié)構(gòu)加強支柱，減小設備振動，以便為工作人員提供較舒適的工作環(huán)境。

4.3 振動篩支撐平臺

振動篩不僅重量重、體積龐大，而且需要布置在整套選礦系統(tǒng)的最上方，因此振動篩支撐平臺承受的重力和船舶運動加速度均較大。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點，其支撐的圓柱形支柱必須從該層平臺一直延伸到主船體的主甲板以下，使得受力能有效傳遞至主船體。同時該層平臺采用桁架與板架相互結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，保證其有足夠的強度和剛度。

4.4 遮陽頂棚

為了給選礦作業(yè)人員提供舒適并安全的環(huán)境，在支撐結(jié)構(gòu)頂部設置了暢通式的桁架結(jié)構(gòu)遮陽頂棚，桁架上方敷設彩鋼板，既可以覆蓋工作區(qū)域，又可在整個選礦系統(tǒng)區(qū)域使用頂部的起吊行車。因遮陽頂棚高度較高，受風面積較大，支柱上部采用斜桁架相互連接并與內(nèi)部各層支撐平臺連接，以增強整個選礦設備支撐平臺的強度。根據(jù)該頂棚四面均可能受風的特點，以及作業(yè)海域的風暴情況，為頂棚設計了一種新型的輕型抗風固定裝置。輕型頂棚抗風固定裝置由壓條、橡膠密封圈、彩鋼板、自攻螺絲、檁條及頂棚的桁架結(jié)構(gòu)等組成抗風固定裝置。檁條固定并焊接在頂棚桁架結(jié)構(gòu)上，與檁條對應的彩鋼板上加設壓條，通過自攻螺絲將壓條、彩鋼板、橡膠密封圈及檁條等連為一體，使每根檁條方向上的成排自攻螺絲與檁條、壓條等組成一個相對剛性的“加固整體”，大大增加了固定點處的彩鋼板受力面積。同時，頂棚在承受向上風壓時，可以由該“加固整體”受力，有效地降低了因不均勻載荷而導致局部載荷過大的風險，使整個輕型頂棚抗風裝置能夠承受住作業(yè)現(xiàn)場的風暴載荷。

對選礦設備支撐結(jié)構(gòu)整體建模并進行有限元強度分析，結(jié)果表明，各結(jié)構(gòu)應力均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)設計合理。

5 實船建造與使用

60 m專用選礦船由江蘇省船舶設計研究所有限公司完成技術研發(fā)及設計，并配合江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團)有限公司完成船舶建造、調(diào)試和交付。本船于2017年建造下水，并于2018年年初完成傾斜試驗、2臺發(fā)電機的負載試驗、各機電系統(tǒng)的效用試驗、選礦設備試驗等各種試驗。

本船與其他配套船舶于2018年5月完成船廠交船儀式，并拖帶至南通由半潛船裝船，運輸至斐濟現(xiàn)場。

本船及其配套船舶到達斐濟施工現(xiàn)場后，經(jīng)過2個月各系統(tǒng)的冷調(diào)試驗，正式參與熱調(diào)采選礦，各系統(tǒng)測試指標均達到設計要求。

6 結(jié)論

60 m專用選礦船是現(xiàn)今國內(nèi)建造的最大專用選礦平臺，與配套船舶形成了完整的采選礦系統(tǒng)，代表了當今沿海砂礦選礦的先進水平。本文主要從以下幾個方面詳細敘述了該選礦船的設計：

(1)描述了60 m專用選礦船的總體布置及其主要量度，以及如何根據(jù)使用要求對主要量度進行優(yōu)化，確保本船在滿足作業(yè)需求的前提下具有良好的船舶性能。

(2)選礦系統(tǒng)設計部分依據(jù)選礦工藝流程，對選礦設備的分層布置和維修便利性等內(nèi)容進行了詳細的敘述和分析。

(3)根據(jù)選礦設備的布置和工藝流程，完成了選礦設備支撐的結(jié)構(gòu)詳細設計，并進行了有限元強度分析。分析結(jié)果表明，支撐結(jié)構(gòu)設計合理，強度和剛度均滿足使用要求。

(4)通過對實船建造、轉(zhuǎn)運以及實船投運的敘述，說明本船的建造獲得成功，為后續(xù)設計同類型船舶，甚至采選一體化大型海洋工程平臺提供了設計思路和有益指導。