深海采礦船水面支持布放回收系統研制*

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研究中心有限公司2.寶雞石油機械有限責任公司3.武漢船舶設計研究院有限公司4.中國船艦研究設計中心)

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

0 引言

目前,在海洋礦產資源開發中,最有經濟意義且最具發展前景的是海洋油氣資源與多金屬結核等礦物資源的開發。我國海域遼闊,礦產資源豐富,同時按照《聯合國海洋公約》的規定,國際海域主張誰投資誰占有,誰開發誰受益的規則,為了保證我國的海洋權益,必須加大深海采礦裝備相關技術的研究,突破深海采礦裝備設計制造關鍵技術,完成工程樣機制造,實現深海礦產資源的自主開發[1-3]。

研究表明,最適合我國深海多金屬結核礦開采的方式為自行式集礦機+管道提升采礦方案。該采礦方案主要由集礦子系統、水力提升子系統、水面支持子系統、測控與動力子系統構成。其中,水面支持子系統中的核心為布放回收系統,其主要作用是實現集礦子系統和水力提升子系統等水下采礦設備安全而高效的入水布放和出水回收功能[4]。為了實現3 000 m作業水深時,水下采礦設備(如中繼站、提升泵、復合臍帶纜、揚礦管等)安全而高效的布放與回收,寶雞石油機械有限責任公司研制出了國內首套最大靜載荷為4 500 kN的深海采礦船水面支持布放回收系統,部分設備提升能力達5 850 kN,預留升級空間。該系統具有結構安全、系統穩定可靠以及作業高效的特點。

1 技術分析

1.1 技術要求

水面支持布放回收系統安裝在采礦船上,其設計主要滿足預定海況下(最大作業海況5級)集礦子系統與水力提升子系統的布放、回收以及揚礦管連接等作業需求,同時滿足生存海況不小于6級,抗風力不低于12級的要求。

1.2 總體技術方案

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

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

采用塔架及底座平臺作為系統的主承載結構,滿足大噸位水下采礦設備布放回收作業能力和作業空間的需求。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,最大載荷能力4 500 kN,滿足水下采礦設備提升下放的需求。配套抓管機、水平動力貓道、鐵鉆工、液壓翻轉吊卡、液壓卡瓦、綜合液壓站等機械化設備,通過集成控制系統實現揚礦管全過程自動化輸送及下放作業需求;采用雙座椅水面集控室,分別操作絞車提升下放與揚礦管輸送作業,實現了提升系統與揚礦管輸送的獨立高效操作。

電控系統接收船方2路690 V/50 Hz/3 P/3 W交流電,采用全數字式交流變頻調速裝置,由2臺整流單元將交流母排上的690 VAC交流電轉換成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);再由2臺逆變單4元將直流母排上的930 VDC直流電轉換成電壓0～600 VAC、頻率0～150 Hz連續可調的交流電,對絞車提升系統進行控制,其中絞車交流變頻電動機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交流變頻電動機驅動),驅動系統拖動性能滿足絞車傳動要求。

配置外圍設備監控單元、擴音對講系統等其他輔助設備,配合完成整個布放回收系統的安全可靠作業。

1.3 主要技術參數

適應作業水深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;揚礦管處理系統適應管柱直徑245.0 mm/273.05 mm;單根揚礦管長度9 m;管船柔性連接裝置額定工作載荷4 000 kN;傳動方式設計為AC-VFD-AC;電制690 V、380 V、220 V/50 Hz。

2 關鍵技術

2.1 水下采礦設備布放回收技術

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

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

2.2 栓接式動態塔架設計

動態塔架采用塔形結構,由H型鋼作塔架體立柱。整個塔架體由4根立柱和若干橫、斜腹桿經高強度螺栓連成一個整體,具有承載能力大、整體穩定性好的特點,適用于深海復雜作業海況[6]。塔架依據API Spec 4F標準進行設計,最大靜載荷5 850 kN,預留了升級空間。塔架凈空高32 m,滿足一體式游鉤裝置提升雙單根揚礦管立柱進行作業的要求,并預留底座臺面揚礦管的上卸扣操作空間和游動系統防碰高度空間。

塔架頂部用于安放天車。塔架靠船艏側方向設計成V形結構,滿足揚礦管的輸送和傳遞作業。塔架靠船艉側方向安裝一體式游鉤裝置導軌,使得游動系統平穩有序地上提下放作業,從而保證水下采礦設備在井口連接時安全可靠。栓接式動態塔架如圖3所示。

圖3 栓接式動態塔架Fig.3 Bolted dynamic derrick

2.3 大跨距高臺面底座設計

底座采用支腿桁架結構,由4個支腿和上座組成,具有高臺面、大跨距的特點。每個支腿采用倒三角結構,整體穩定性好,滿足大尺寸中繼站的轉運要求;上座為箱塊式結構,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、井口設備、張緊器及其鋼絲繩導輪等設備。底座依據API Spec 4F標準進行設計,最大額定靜載荷5 850kN,預留了升級空間。底座凈空高達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 一體式游車大鉤設計

游車大鉤采用一體式結構[7],主要由游車大鉤、導向滑車、導軌總成、定位鎖緊機構、吊環傾斜機構等組成。游車大鉤依據API Spec 8C標準進行設計,最大靜載荷5 850 kN,預留了升級空間。滑輪數7個。游車大鉤設計有二維旋轉結構,在采礦船隨波浪橫搖時,鉤體和筒體可以相對旋轉;在采礦船隨波浪縱搖時,吊環相對鉤體的副鉤可以旋轉,始終保持吊環、吊具和揚礦管處于豎直狀態。定位鎖緊機構和吊環傾斜機構可以實現吊環、吊卡和揚礦管自動前、后傾斜作業,配合動力貓道和鐵鉆工,實現自動化管子處理作業,極大減輕底座臺面工人的勞動強度。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計

水面集控室為布放回收系統的控制中心,融機、電、液、氣、計算機及通信、人機工程等技術于一體[8],主要集成安裝了室內配電系統、氣控制系統、電傳動控制系統、動力貓道控制系統、儀表系統、工業監視系統、盤剎控制系統等控制元件或顯示終端。室內設計了主操作椅和輔助操作椅,主操作椅主要控制設備包括絞車、盤剎、工業監視系統、液壓翻轉吊卡、吊環傾斜機構、動力卡瓦鐵鉆工;輔助操作椅主要控制動力貓道。該集控室的設計實現了水下采礦設備布放回收操作和揚礦管自動化輸送分別獨立作業,提高了作業效率和安全性。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 揚礦管自動化處理系統設計

揚礦管自動化處理系統[9-10]輸送作業主要分為4個步驟:①揚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,完成揚礦管從儲管架到水平動力貓道的調運,抓管機最大載荷達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到豎直狀態。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吊卡,吊環最大前傾角度35°,完成揚礦管從水平到豎直的翻轉。④揚礦管對接。該過程配套鐵鉆工、動力卡瓦和一體式游鉤,完成揚礦管上卸扣作業。

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

圖7 揚礦管自動化處理系統布置圖Fig.7 Layout diagram of automatic operation system of lifting pipe

3 驗證與試驗

3.1 分析計算

布放回收系統塔架、底座設計計算遵循美國石油學會APISpec 4F(第4版)標準及美國鋼結構學會AISC(335—1989)中的有關規定。本文采用有限元分析軟件ANSYS,分別對操作工況和風暴工況進行了強度及穩定性校核計算。

計算結果表明,所有工況下塔架、底座的結構強度及穩定性均符合要求,其中操作工況下最大UC值為0.877(API Spec 4F標準允許UC值為1),風暴工況下最大UC值為0.95。塔架及底座主體結構模型如圖8所示。

圖8 塔架、底座主體結構模型Fig.8 Main structure model of derrick and base

此外,還對布放回收系統中的一體式游車大鉤承載能力及抓管吊機抓管作業進行分析計算,結果均滿足現場作業要求。

3.2 廠內試驗和碼頭試驗

布放回收系統研制完成后,在寶雞石油機械有限責任公司試驗井場進行了主承載結構的型式試驗和系統出廠功能試驗,主要有塔架及天車型式試驗、底座型式試驗、一體式游鉤型式試驗、提升絞車型式試驗;系統防碰、急停、互鎖、報警功能試驗,液壓系統控制功能試驗,液壓翻轉吊卡、液壓卡瓦等功能試驗,以及提升絞車運行試驗等。廠內組裝試驗現場如圖9所示。型式試驗載荷從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載荷重復上述加載次數和時間,直到試驗載荷值達到最大載荷5 850 kN,且只進行一次最大載荷值的加載試驗。試驗中塔架及底座最大測試應力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載荷為480 kN,試驗后提升絞車主承載件關鍵焊縫完好,剎車系統無變形。系統各項功能性試驗過程正常,符合設計要求。

圖9 廠內組裝試驗現場Fig.9 Factory assembly test site

布放回收系統出廠后在張家港碼頭完成了裝船作業,碼頭組裝試驗現場如圖10所示。

圖10 碼頭組裝試驗現場Fig.10 Dock assembly test site

進行了單元部件功能試驗及系統聯合調試試驗,主要有提升絞車、液壓翻轉吊卡、吊環傾斜裝置、液壓卡瓦、液壓扳手、抓管吊機等設備功能試驗,系統防碰、急停、互鎖、報警功能試驗,揚礦管對接和拆卸試驗;以及布放回收系統聯合調試試驗。其中雙單根揚礦管立柱從儲管架至井口中心與井口處的揚礦管完成對接時長約170 s。試驗各項指標滿足現場作業要求。

4 結論

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

(2)系統可實現揚礦管從管柱堆場到井口中心全過程自動化輸送作業,自動化程度高,提高了作業的安全性,減輕了工人的勞動強度。

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

(4)布放回收系統集成設計、關鍵設備制造工藝、系統試驗驗證等相關技術,可為其他噸位級別的采礦船布放回收系統設計與制造提供參考。