深海采礦鋼結(jié)構(gòu)塔架和底座平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析

李文豪， 余 倩， 楊高勝， 陳丹東， 潘志杰

(1.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心， 湖北 武漢 430064；2.武漢船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430064；3.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞 721002)

0 引 言

深海海底蘊(yùn)藏有豐富的礦產(chǎn)資源，深海礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)的發(fā)展對經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國家資源安全保障具有重要作用，已成為世界各國關(guān)注的焦點(diǎn)。自二十世紀(jì)六七十年代以來，美國、日本、加拿大和德國相繼進(jìn)行了大洋多金屬結(jié)核采礦系統(tǒng)開發(fā)研究，其中：國際跨國集團(tuán)OMI將打撈船改建成SEDCO445深海采礦試驗(yàn)船；OMA與OMCO財(cái)團(tuán)聯(lián)合，將西班牙C1-M-AV1號鉆探船改裝成Dcepsea Miner II采礦試驗(yàn)船。這2種采礦試驗(yàn)的水面支持平臺(tái)采用塔型井架和底座平臺(tái)作為主要承載結(jié)構(gòu)，采用天車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。我國在“十三五”期間立項(xiàng)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“深海多金屬結(jié)核采礦試驗(yàn)工程”，該項(xiàng)目計(jì)劃研制一套水深3 500 m的深海采礦試驗(yàn)系統(tǒng)，并完成不小于1 000 m水深的海上整體聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)。圖1為該深海采礦系統(tǒng)總布置圖。

圖1 深海采礦系統(tǒng)總布置圖

作為采礦船作業(yè)過程中用到的重要承載結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)塔架和底座平臺(tái)是水面支持系統(tǒng)的重要組成部分。塔架主要用于安裝提升系統(tǒng)的天車和懸掛游動(dòng)設(shè)備，輔助進(jìn)行硬管、提升泵和水下中繼站等設(shè)備的布放回收作業(yè)。底座平臺(tái)在采礦作業(yè)過程中為塔架、絞車、升沉補(bǔ)償系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備提供作業(yè)支撐和安裝位置，為操作人員提供充足的操作空間，在下放和提升輸送硬管過程中作為水下輸送系統(tǒng)的臨時(shí)懸掛承載體，也是管道對接與拆卸裝置作業(yè)平臺(tái)。圖2為塔架和底座平臺(tái)甲板布置圖。

圖2 塔架和底座平臺(tái)甲板布置圖

當(dāng)前深海采礦工程領(lǐng)域還沒有指定相關(guān)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)規(guī)范，因與深海油氣工程領(lǐng)域較為類似，充分借鑒海洋石油鉆井平臺(tái)的工程和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，歸納深海采礦試驗(yàn)工程的技術(shù)特點(diǎn)，提出更符合深海采礦工程的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和作業(yè)布局，以達(dá)到預(yù)期的使用效果。

1 塔架和底座平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)形式分析

根據(jù)作業(yè)環(huán)境和不同工況下的特殊要求，目前鋼結(jié)構(gòu)井架有多種結(jié)構(gòu)樣式，如A型、K型和雙塔型等。鋼結(jié)構(gòu)塔架多采用螺栓連接，因其結(jié)構(gòu)形狀具有穩(wěn)定性好和承載力大等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域中。塔架是由很多實(shí)腹板式單一桿件組成的空間桁架結(jié)構(gòu)，任意一個(gè)橫截面為正方形或矩形。塔架本體分為4扇平面桁架，每扇又分為若干個(gè)桁格，同一高度的4面桁格在空間上構(gòu)成塔架的1層，故可將塔架看成是由許多層空間桁架組成的。塔架的高度要考慮安全行程、布放設(shè)備尺寸、管道對接拆卸的處理高度和油吊系統(tǒng)等，塔架V型大門的高度要與布放對象(硬管、提升泵等)的規(guī)格尺寸匹配，無需二層臺(tái)。

深海采礦工程底座平臺(tái)的功能與鉆井平臺(tái)類似，平臺(tái)上下空間分別為水下輸送設(shè)備及其臍帶纜、管道的對接與拆卸提供安裝位置和空間，平臺(tái)的空間和高度要滿足采礦設(shè)備外形尺寸和布放回收作業(yè)工藝的要求；同時(shí)，根據(jù)月池周圍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)備布置，支腿式結(jié)構(gòu)應(yīng)具有良好的承載性能，讓出月池周圍的甲板面積，使布放回收作業(yè)協(xié)同高效。底座平臺(tái)結(jié)構(gòu)有整體框架式結(jié)構(gòu)和模塊式結(jié)構(gòu)2種，需考慮雨水、油污和礦漿收集處理等，四周有擋風(fēng)墻。

鋼結(jié)構(gòu)塔架和底座平臺(tái)按采礦功能要求布置在水面支持平臺(tái)(船舶)的月池開口上方，塔架在底座平臺(tái)上方，底座平臺(tái)支腿分布在月池四角，兩側(cè)裝配升沉補(bǔ)償系統(tǒng)平臺(tái)(見圖3)。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)塔架和底座平臺(tái)三維模型

1.2 作業(yè)工況分析

深海采礦試驗(yàn)工程的塔架和底座平臺(tái)的作業(yè)工況、載荷類型、承載范圍等與海洋石油鉆井平臺(tái)的井架有很大的不同，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 在進(jìn)行布放回收作業(yè)時(shí)，無立根載荷，但存在波浪載荷(運(yùn)動(dòng)載荷)，作用在塔架頂部天車或底座平臺(tái)開口處；

2) 在進(jìn)行海底采礦作業(yè)時(shí)，水下輸送系統(tǒng)懸掛在底座平臺(tái)下方，距離海底數(shù)百米，由底座平臺(tái)承載整個(gè)水下系統(tǒng)的重量，配備有升沉/懸掛補(bǔ)充系統(tǒng)；

3) 考慮礦漿輸送至甲板上之后存放的需求和可擴(kuò)展至更大水深采礦作業(yè)的需求，天車補(bǔ)償方式不適用，采用鋼絲繩張緊型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，其鋼絲繩、氣缸和油缸等設(shè)備的載荷作用在底座平臺(tái)相應(yīng)的安裝位置處。

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

1.3.1 最大鉤載計(jì)算

據(jù)統(tǒng)計(jì)，水下采集和輸送設(shè)備(包括硬管、軟管、浮力塊、水下中繼站、提升泵和光電臍帶纜等)的總重量為：空氣中352.6 t；水中282.9 t。參考《海上石油平臺(tái)鉆機(jī) 第1部分：選型方法》(Q/HS 2037.1—2007)標(biāo)準(zhǔn)化鉆機(jī)系列確定載荷，選取90/5850級別，鋼結(jié)構(gòu)塔架和底座平臺(tái)設(shè)計(jì)鉤載確定為

T

=5 850 kN。

1.3.2 風(fēng)載荷

作業(yè)工況為：4級海況下正常作業(yè)；5級海況下應(yīng)急回收;6級海況下風(fēng)暴自存。因此，參照美國石油學(xué)會(huì)(American Petroleum Institute,API)的《鉆井和修井塔架、底座規(guī)范》和中國船級社(China Classification Society,CCS)的《海上移動(dòng)平臺(tái)入級與建造規(guī)范》(2005)，鋼結(jié)構(gòu)塔架和底座平臺(tái)的設(shè)計(jì)抗風(fēng)能力為：正常作業(yè)36 m/s；風(fēng)暴自存55 m/s。風(fēng)載荷按《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)第三章3.2.12節(jié)中的相關(guān)內(nèi)容計(jì)算。

1.3.3 運(yùn)動(dòng)載荷

根據(jù)《船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范》(2007)第三章3.2.11節(jié)中的相關(guān)內(nèi)容，在布放和回收過程中，硬管、提升泵和中繼站等水下輸送設(shè)備對塔架和底座的運(yùn)動(dòng)載荷的計(jì)算應(yīng)考慮垂直于甲板的加速度和平行于甲板的加速度。參考采礦試驗(yàn)?zāi)复哪筒ㄐ杂?jì)算資料，在滿載、5級海況下，船舶的橫搖加速度為8.18(°)/s，垂蕩加速度為1.91 m/s，經(jīng)計(jì)算，塔架和底座平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷為垂向加速度±1.0

g

(

g

為重力加速度)，橫向加速度±0.5

g

。

1.3.4 設(shè)備靜載荷

塔架上安裝有與布放回收系統(tǒng)相關(guān)的天車、游車大鉤、吊環(huán)和翻轉(zhuǎn)吊卡等設(shè)備，底座平臺(tái)上安裝有提升絞車、倒繩機(jī)和死繩固定器等設(shè)備，參照《鉆井和修井塔架、底座規(guī)范》，這些設(shè)備的重量與塔架和底座平臺(tái)的重量統(tǒng)一之后，按1.6倍自重計(jì)算。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

深海采礦試驗(yàn)工程中的塔架和底座平臺(tái)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1) 為適應(yīng)大開口尺寸的月池，考慮到支反力將作用在月池邊緣，同時(shí)讓出月池臺(tái)車沿軌道行走的空間，對底座平臺(tái)的支腿結(jié)構(gòu)和支點(diǎn)布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和加強(qiáng)；

2) 布放回收對象種類多、尺寸大(水下設(shè)備中尺寸最長為18 m，最大直徑為Φ930 mm)，重載設(shè)備多，對塔架的有效高度、底部跨距和開襠進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，避免干涉；

3) 為滿足升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的載荷和安裝需求，底座平臺(tái)兩側(cè)采用尺寸大、承載力好的熱軋H型鋼進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；

4) 為滿足水下中繼站在底座平臺(tái)下轉(zhuǎn)運(yùn)和對接的需要，底座平臺(tái)設(shè)計(jì)為單層結(jié)構(gòu)，且其高度符合水下中繼站外形尺寸的要求，同時(shí)留出作業(yè)空間。

1.4.1 塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)塔架由H型鋼作塔架體立柱，整個(gè)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(gè)整體，適于在海上復(fù)雜工況下作業(yè)。

1.4.2 底座平臺(tái)設(shè)計(jì)

底座采用支腿桁架結(jié)構(gòu)，支腿主立柱是一個(gè)橫截面為方形、以斜撐支撐為輔的鋼結(jié)構(gòu)。同時(shí)，底座是各種設(shè)備(如塔架、絞車、張緊器等)安裝的載體。底座鋼結(jié)構(gòu)安裝于塔架與主甲板之間，其頂部和底部與鋼結(jié)構(gòu)塔架和主甲板之間分別采用螺栓連接。

2 塔架和底座平臺(tái)的技術(shù)參數(shù)

塔架和底座平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 塔架和底座平臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)

3 塔架和底座平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算

3.1 材料特性及許用應(yīng)力

主結(jié)構(gòu)材料：低合金結(jié)構(gòu)鋼Q355B；彈性模量

E

=2.1×10MPa；泊松比

ε

=0.3。根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級與建造規(guī)范》(2005)第1章第4節(jié)1.4.1中的相關(guān)規(guī)定，查閱CCS《材料與焊接規(guī)范》(2009)第一篇第3章第2節(jié)中的相關(guān)內(nèi)容，依據(jù)3.2.4.3中一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼的力學(xué)性能，Q355B的屈服強(qiáng)度

σ

≥355 MPa。根據(jù)《海上移動(dòng)平臺(tái)入級與建造規(guī)范》(2005)第2篇第3章3.3.2中的相關(guān)規(guī)定計(jì)算許用應(yīng)力值。許用應(yīng)力：板單元許用等效應(yīng)力取

σ

=0.80

σ

=284 N/mm；板單元許用剪切應(yīng)力取

τ

=0.4

σ

=142 N/mm；梁單元許用等效應(yīng)力取

σ

=0.70

σ

=248 N/mm。

3.2 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS APDL 16.0對鋼結(jié)構(gòu)塔架和底座平臺(tái)進(jìn)行有限元建模和分析。底座平臺(tái)面板采用殼單元shell181;平臺(tái)支腿和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)采用梁單元beam188；塔架立柱和橫、斜腹桿采用梁單元beam188。有限元計(jì)算模型和劃分網(wǎng)格后單元見圖4。

圖4 有限元計(jì)算模型和劃分網(wǎng)格后單元

3.3 邊界條件和載荷施加情況

對底座平臺(tái)的支腿與船舶甲板安裝連接處施加剛性固定的邊界條件。因天車安裝在塔架頂部，液壓卡瓦安裝在底座平臺(tái)開口處，參考相關(guān)計(jì)算分析指南，計(jì)算中還應(yīng)建立2個(gè)剛性域，具體如下：

1) 在天車中心處建立1個(gè)獨(dú)立點(diǎn)，將塔架頂端的節(jié)點(diǎn)自由度與其關(guān)聯(lián)；

2) 在底座平臺(tái)開口處建立1個(gè)獨(dú)立點(diǎn)，將開口處面板的節(jié)點(diǎn)自由度與其關(guān)聯(lián)。

鋼結(jié)構(gòu)塔架和底座平臺(tái)自重為

G

，其在4種典型工況下的載荷施加情況見表2。

表2 鋼結(jié)構(gòu)塔架和底座平臺(tái)在4種典型工況下的載荷施加情況

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

4種工況下的計(jì)算結(jié)果見表3;各工況下的等效應(yīng)力云圖見圖5。

表3 鋼結(jié)構(gòu)塔架和底座平臺(tái)在4種典型工況下的計(jì)算結(jié)果

由表3和圖5可知，在邊界條件和4種設(shè)計(jì)載荷工況下，塔架產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力、底座平臺(tái)產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力等均小于許用應(yīng)力，變形量小于承載結(jié)構(gòu)尺寸的0.25%。由此可看出，塔架和底座平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。工況四(風(fēng)暴自存)下產(chǎn)生的梁單元最大等效應(yīng)力較為接近材料許用應(yīng)力，為避免發(fā)生結(jié)構(gòu)疲勞或損壞，當(dāng)海況超過5級時(shí)，應(yīng)盡快啟動(dòng)應(yīng)急回收流程，使塔架和底座平臺(tái)處于輕載或空載狀態(tài)。

a) 工況一下的等效應(yīng)力云圖

b) 工況二下的等效應(yīng)力云圖

c) 工況三下的等效應(yīng)力云圖

d) 工況四下的等效應(yīng)力云圖

4 結(jié) 語

1) 參考海洋石油鉆井領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化鉆機(jī)選型方法和相關(guān)海上平臺(tái)船級社規(guī)范，通過計(jì)算確定深海采礦試驗(yàn)工程中塔架和底座平臺(tái)的額定靜鉤載、風(fēng)載荷、波浪載荷和運(yùn)動(dòng)載荷；

2) 塔架和底座平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮深海采礦工程環(huán)境載荷、作業(yè)載荷和恒載荷的聯(lián)合作用，基于深海采礦的實(shí)際作業(yè)需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；

3) 塔架和底座平臺(tái)的計(jì)算與分析結(jié)果表明，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度可滿足正常作業(yè)工況的使用要求，但在海況超過5級的情況下，局部的最大等效應(yīng)力較為接近許用應(yīng)力，應(yīng)避免塔架和底座平臺(tái)過載或長時(shí)間處于超過5級的海況狀態(tài)。