深海采礦船礦物輸送設備布放回收系統總體設計

田 雪 趙建亭 劉樹祥 曾慶松

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

0 引 言

深海海底蘊藏著豐富的礦產資源，主要包括多金屬結核、富鈷結殼、多金屬硫化物和稀土等。自20世紀50年代末以來，美國、日本以及歐洲的一些發達國家相繼開展深海采礦系統的研究開發和海試[1]。我國自20世紀80年代末開始相關技術研究，主要開展了深海多金屬結核開采研究，并完成了單體試驗和系統中試[2]。經過各國多年來的研究，已形成了較完善的深海礦產資源開發技術方案，驗證了深海采礦技術的可行性，開發了由履帶自行式集礦機采集、管道輸送和水面采礦船所組成的主流深海采礦系統[3-4]。

深海采礦至今還沒有進入大規模商業化開采階段，海試采用的采礦船多為舊船改造，國外如R/V Deepsea Miner Ⅱ號采礦船、SE-DCO 445號采礦船、格洛瑪探索者號采礦船，國內如夢娜公主號采礦試驗船等。這些船的專業化、集成化和智能化程度相對較低，遠未達到商業采礦工程化要求。2018年3月29日，由新加坡SEA TECH公司設計、我國馬尾船廠建造的國際首艘深海采礦船——鸚鵡螺新紀元號出塢。該船作業水深2 500 m，具備采礦作業、航行、居住生活等功能，主要用于開采多金屬硫化物，礦物儲存能力約39 000 t。不過，由于加拿大鸚鵡螺礦業公司出現資金鏈和作業海域環保問題，該船至今仍未投入使用，因而缺少實際工程檢驗和行業規范的指導。為了緊跟深海采礦技術發展步伐，開發具有我國自主知識產權的深海采礦船尤為重要。

布放回收系統是深海采礦船的重要組成部分，主要用于集礦機和礦物輸送設備（主要包括中繼站、揚礦泵、輸送管等）的布放回收作業[5]。集礦機通常采用獨立的門架吊放系統從舷側或船尾進行布放回收[6-7]，作業流程簡單、方案比較成熟，而礦物輸送設備的布放回收涉及輸送管存放、轉運、連接、補償、布放、回收，以及揚礦泵和中繼站的轉運、布放、回收等環節，作業流程復雜、系統設備眾多，其配置選型對采礦船主尺度規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備布放回收系統總體方案，為后續船型開發提供設計基礎。

1 系統總體規劃

1.1 設計基礎

深海海底礦物主要包括多金屬結核、富鈷結殼、多金屬硫化物和稀土等。目標船作業水深達6 000 m，可滿足6 000 m水深多金屬結核、2 300 m水深富鈷結殼和4 000 m水深多金屬硫化物的開采，日產干結核6 000 t，礦物儲存能力達25 000 m3，礦物最大儲量約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、居住和支持等功能于一體。

目標船設置2套自行式履帶集礦車，布放于6 000 m深的海底，完成采集結核礦石，并進行脫泥、破碎、輸送作業。2臺集礦車的總采礦能力為300 t/h，通過管道式礦物輸送系統將采集的結核礦石提升到船上，輸送系統由垂直提升硬管段、中繼站和軟管段組成。為了保證自行式集礦車的機動性，避免礦物輸送管對其產生動力影響，礦物輸送管通過1條500 m長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，輸送管提升段長度為5 900 m。垂直硬管段上設置3套揚礦泵，采用串聯型式分別安裝于水面以下5 400 m、3 600 m和1 800 m處。

與常規的礦漿處理和礦物儲存轉運方式相比，目標船采用創新型礦物處理方式，具體為：設置礦物V型儲存艙，海底礦漿通過裝艙管進入儲存艙內，可實現均勻裝艙；艙高位設置溢流管，清水從艙高位溢流進入溢流水艙，通過離心泵進入處理系統；艙底設置透水層，礦砂余水通過重力濾出；經過溢流和除水后的礦砂通過儲存艙自卸門出艙，再經底部皮帶機輸送到垂直提升機，繼而輸送到外輸臂，最后經由外輸臂輸送到運輸船上。目標船采礦作業如圖1所示。

圖1 目標船采礦作業示意圖

1.2 系統構成

礦物輸送設備通常采用塔架系統從船體中部月池區進行布放回收[8-9]，其布放回收系統主要包括塔架及起升系統、塔架平臺輔助設備、輸送管張緊系統、輸送管存儲和轉運系統，以及揚礦泵和中繼站轉運系統（如圖2所示），各系統主要功能如下：塔架及起升系統主要用于輸送管、揚礦泵、中繼站的下放和回收；輸送管張緊系統用于降低船體升沉運動對深海采礦作業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，提高采礦作業的安全性和穩定性；輸送管存儲和轉運系統的主要功能是實現輸送管在甲板的存儲以及在甲板堆場與塔架平臺間移運；揚礦泵和中繼站轉運系統的主要功能是將揚礦泵和中繼站移運到月池區下放；塔架平臺輔助設備的主要功能是協助系統作業及檢修維護。

圖2 布放回收系統構成

系統總體設計時，還需要考慮控制系統、液壓系統等輔助系統同支持模塊的匹配性，以保障布放回收作業順利實施。

2 系統方案論證

2.1 主要載荷和技術參數

大鉤載荷是塔架和塔架平臺設計及起升系統設備選型的關鍵參數，通常由下放輸送管、中繼站、揚礦泵等作業工況決定，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，與高校及相關科研單位聯合攻關，研發環保泥漿，獲得了國家海洋局的無毒泥漿證書。該環保泥漿體系已經在勝利七號鉆井平臺進行埕北326井作業時應用。

礦物輸送管單根的外徑為121.92 cm（48 in，含浮力塊），長度為2 286 cm （75 ft）。5 900 m長的輸送管在空氣中重約4 050 t，在水中重約350 t；3臺揚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倍動態放大系數，大鉤載荷需求約804 t。根據起升系統標準規格系列，大鉤載荷選取907 t。

管柱張緊力的合理設置是確保集礦系統和礦物輸送系統作業安全的關鍵因素。目前管柱張緊力設計方法主要包括美國石油協會（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環境條件進行詳細核算才能夠確定。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的主要技術參數。管柱最大張緊力的確定應以管柱（含礦物或泥漿）在水中所需提升力為依據[10]，可按照大鉤下放載荷的80%（即643 t）來估算。張緊系統配置8個張緊器，考慮到張緊器失效或維修工況時，至少需確保有6個張緊器仍能為管柱提供所需的最小張力，則每個張緊器張緊能力約110 t，整個系統管柱張緊能力為880 t。按照系統標準規格系列，系統張緊能力確定為907 t，單個張緊器張緊能力為113.375 t。

2.2 輸送管存放方式

不同的輸送管存放方式對移運效率、船體主尺度、總布置、結構強度和穩定性均有不同的影響。對于采礦船，輸送管存儲通常采用平放方式，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存放這3種。相對于主甲板存放方式，其他2種方式均需在主甲板上設置大開口，不僅影響結構連續性與強度，對船體布置空間需求增大，而且管子處理效率也相對較低，但管子堆放的重心可適當降低。

綜合對比3種管子的存放方式在設備配置以及對船體影響等方面整理優缺點，如下頁表1所示。

表1 管子存放方式比較表

結合目標船型特點，因月池首尾艙室均用作礦物儲存艙，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），單根長度2 286 cm（75 ft）。按照提升段長度5 900 m計算，需配置258根輸送管。揚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，則堆場橫向寬度不能小于35.5 m。貓道機平臺寬度為4.2 m，考慮到舷側甲板吊機和外輸臂布置要求，故理論上船寬應不小于50 m。由于目標船的船寬最終定為43.8 m，故輸送管需按照2列布置于月池尾部主甲板區域。因礦物儲存艙、礦物垂直提升系統和外輸臂的布置要求，2列輸送管之間有一定的間隙，堆場面積約1 250 m2。

2.3 輸送管轉運方式

平放管子的處理系統主要包括管子吊機、貓道機和井口扶管裝置。轉運作業流程為：吊機將堆場上呈水平狀態的管子單根吊起，移運至貓道機上；貓道機將平放的管子單根運送至塔架平臺并進行一定角度的舉升；塔架起升系統將單根吊起，由貓道扶正器和井口輔助裝置扶正后通過卡盤下放。

平放管子轉運方式通常有折臂吊機配合貓道機、龍門吊機配合貓道機這2種方式。折臂吊機通常布置在管子堆場一側，為基座式安裝；而龍門吊機通常設置在管子堆場的正上方，首尾部支腿分別安裝在塔架平臺側面的支撐結構和主甲板上，支腿間跨距需大于管子單根長度，吊機整體可沿固定軌道在管子堆場區行走。2種轉運方式的優缺點對比如表2所示。

表2 輸送管轉運方式對比表

根據2種轉運方式優缺點：結合目標船2列管子堆場的布置情況，若配置1臺龍門吊機，則吊機橫跨太大，需要特殊設計或配置2臺龍門吊機，占用甲板面積大，不適合應用。因此目標船輸送管吊運宜采用折臂吊機，可兼顧船上其他設備的吊運。

2.4 揚礦泵和中繼站轉運方式

船體中部開設“凸”字形月池，揚礦泵和中繼站通過月池下放，可分別布置于月池兩側或同側。考慮到若采取月池兩側分開處理的作業方式，則需要設置2套獨立的轉運系統，但對于采礦船而言，水下設備數量較鉆井裝置少，故從甲板面積利用率和設備配置經濟性等方面考慮，建議采用同側布置方式。揚礦泵和中繼站轉運方式對月池開口尺寸、區域規劃等有重要影響，目前主流的轉運方式有起重機吊運和托車移運，2種方式的對比情況見表3。

表3 不同型式揚礦泵和中繼站轉運系統對比分析表

揚礦泵和中繼站轉運系統與鉆井裝置上防噴器組處理系統類似。從工程應用方面來看，起重機吊運式轉運系統應用更加廣泛，技術成熟且設備簡單；托車移運式方案雖然避免了采用起重機進行重型搬運，作業相對安全，但應用該方式時，由于月池區域軌道設置較復雜，要留有3臺揚礦泵托車和中繼站托車的存儲位置和退車位置，而且需要廠家進行多項新型設備開發設計，因此實際工程應用較少。基于上述原因，故目標船采用起重機吊運式揚礦泵和中繼站轉運系統。

3 系統總體布置方案

在系統方案論證的基礎上，合理規劃塔架平臺、月池和堆場等區域布置，形成目標船輸送設備布放回收系統總體布置方案，如圖3所示。

圖3 輸送設備布放回收系統總布置方案側視圖

主甲板設置大、小月池各1個，都位于船體中部區域，且連接在一起。大月池用于水下設備布放回收作業，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。

月池上方設置塔架平臺，距主甲板高度約18.5 m，滿足中繼站和揚礦泵等設備轉運的要求。平臺上設置塔架、提升絞車、卡盤、死繩固定器、尾繩卷筒、接管機械手、控制房、儀表電氣設備房、雜用絞車、載人絞車等設備，平臺四周設置輸送管張緊系統。塔架大門設置在首尾方向；尾部設置輸送管堆場，通過甲板折臂吊和貓道機實現管材移運；首部設置中繼站和揚礦泵轉運系統，通過門形桁吊和月池臺車實現水下設備移運，首尾移運作業互不干擾。

本文在系統構成和方案論證的基礎上，開發了1套適用于6 000 m作業水深的深海采礦船礦物輸送設備布放回收系統配置方案，其主要技術參數如表4所示。

表4 礦物輸送設備布放回收系統主要技術參數

4 結 語

本文介紹了國內外深海采礦技術和船型研發現狀，梳理了當前主流深海采礦作業模式和流程；根據礦物輸送設備布放回收需求，明確其功能定位和系統構成，并進行總體規劃；通過對技術參數、礦物輸送設備的存放和轉運方式的論證，形成系統總體布置方案，為深海采礦船船型開發提供設計基礎。