深海采礦船布放回收系統(tǒng)負荷試驗方法研究

羅運承

(福建省馬尾造船股份有限公司，福建 福州 350501)

0 引言

海洋礦產(chǎn)資源種類繁多，其范圍之廣、儲量之大遠超陸地礦產(chǎn)資源。國際海底區(qū)域內(nèi)的資源是人類共同財產(chǎn)，遵循“誰有能力誰先開發(fā)”的原則[1]。大力發(fā)展深海礦產(chǎn)勘探與開發(fā)技術(shù)已成為各國從事國際海底區(qū)域活動的基本戰(zhàn)略，世界各國圍繞海洋戰(zhàn)略空間拓展、資源占有和科學技術(shù)發(fā)展的競爭越演越烈。

深海采礦船作為采礦作業(yè)的生產(chǎn)支持和存儲母船，是采礦系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，兼具航行、居住、采礦作業(yè)和保障等四大功能，其配套裝備新、系統(tǒng)集成度高。與常規(guī)海洋工程船相比，采礦船對水下作業(yè)裝備布放回收系統(tǒng)、礦物脫水系統(tǒng)、礦物存儲與轉(zhuǎn)運系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備的安裝提出了更高的要求[2]。

布放回收系統(tǒng)(Launch and recovery system， LARS)是用于深海采礦的重要輔助裝備之一。采礦作業(yè)開始前，將采礦車等水下裝備布放到海中指定位置。采礦作業(yè)結(jié)束后，將上述裝備回收到母船上、整齊有序存放以保證下一次采礦作業(yè)順利進行。由于采礦車較大，同時需布放相關(guān)設(shè)備較多，因此對于布放回收系統(tǒng)的承載能力及運行可靠性有著較高的要求，負荷試驗是對此進行檢驗的有效手段。本文主要結(jié)合227 m深海采礦船項目的水下設(shè)備試驗需求，根據(jù)挪威船級社對起重設(shè)備的要求，從布放回收裝置的試驗載荷選定、加載措施、靜態(tài)試驗、動態(tài)試驗等方面進行研究，為相關(guān)設(shè)備的試驗提供技術(shù)支撐和工程經(jīng)驗積累。

1 布放回收系統(tǒng)的組成

(1)提升絞車：提升絞車用于布放和從海底回收采礦車，最大工作深度為2 500 m，其工作動力由一個獨立液壓單元(HPU)提供，可變轉(zhuǎn)速。

(2)排纜器:排纜器安裝在提升絞車前方，導向滑輪通過一個液壓缸沿著絞車卷筒的方向引導，在絞車滾筒上從內(nèi)到外依次控制鋼纜的排列。

(3)A型架:A架是一種有著廣泛應(yīng)用的設(shè)計，它特別適用于海底采礦機器、工具的布放和回收操作， 在回收和布放過程中將設(shè)備由舷外移到船上或者由船上移出到舷外。

(4)穩(wěn)定架：穩(wěn)定架主要由防側(cè)滾系統(tǒng)和伸縮機構(gòu)組成，起到了布放回收過程中的緩沖作用，減小因采礦船在海面上的運動為布放帶來的風險。

(5)液壓單元(HPU)：液壓單元用于向排纜裝置、絞車、A型架、穩(wěn)定架、臍帶絞車提供壓力油作為 驅(qū)動的動力。

(6)臍帶絞車和臍帶滑輪：臍帶絞車提供臍帶電纜，連接電氣控制站和采礦車，在礦車上升或者下降的過程中相應(yīng)的回收和布放電纜。臍帶絞車自帶排纜功能。臍帶滑輪布置在舷側(cè)，將從臍帶絞車出來的水平狀態(tài)電纜轉(zhuǎn)向為垂直狀態(tài)。

布放回收系統(tǒng)主要組成部分見圖1。

2 試驗載荷的選定

2.1 試驗負載選定依據(jù)

布放回收系統(tǒng)安全工作載荷為3 100 kN，需滿足挪威船級社標準。根據(jù)挪威船級社起重設(shè)備認證中的規(guī)定,試驗載荷應(yīng)超過起重設(shè)備的安全工作負荷FSWL，見表1。

圖1 布放回收系統(tǒng)主要組成部分

安全工作載荷FSWL試驗載荷FSWL≤200kN超過安全工作載荷25%200kN500kN超過安全工作載荷10%注:(1)當設(shè)計動力系數(shù)ψ超過1.33時,表格中的參考安全工作載荷取值為0.75ψFSWL (2)以上為靜態(tài)試驗的要求,布放回收系統(tǒng)還需在110%安全載荷的狀態(tài)下完成全行程回轉(zhuǎn)的動態(tài)試驗

2.2 試驗負載選定計算

布放回收系統(tǒng)在動作過程中會經(jīng)過3個不同的工況區(qū)域：空氣中、飛濺區(qū)和水中，每個區(qū)域的動力系數(shù)不同，見表2。對各個工況區(qū)所取的安全工作載荷計算如下：

(1)空氣中，ψ=1.3<1.33, 故計算用安全工作載荷FSWL=3 100 kN，試驗負荷=1.1FSWL=3 410 kN。

(2)飛濺區(qū)，ψ=2>1.33, 故計算用安全工作載荷FSWL=4 650 kN,試驗負荷=1.1FSWL=5 115 kN。

(3)水中，ψ=1.3<1.33, 故計算用安全工作載荷FSWL=3 100 kN，試驗負荷=1.1FSWL=3 410 kN。

載荷工況描述與計算負荷匯總見表2。

表2 布放回收系統(tǒng)靜態(tài)試驗工況載荷匯總

因此，本采礦船布放回收系統(tǒng)靜態(tài)試驗載荷為：

靜態(tài)試驗載荷=5 115 kN

動態(tài)測試應(yīng)通過在110%FSWL下操作A型架進行全行程回轉(zhuǎn)運動，動態(tài)試驗載荷為：

動態(tài)試驗載荷=3 410 kN

3 試驗加載措施

LARS采用一個A型架來起吊采礦設(shè)備。受其結(jié)構(gòu)的影響能夠放置重物的空間較小，A型架兩腿之間距離約為13 m，穩(wěn)定架距甲板面高度約為8 m，需考慮在此空間內(nèi)最大放置5 115 kN的載荷，且載荷可調(diào)以便做不同載荷狀態(tài)試驗。傳統(tǒng)的水袋由于體積太大無法滿足此要求，本采礦船利用托盤盛放小型壓鐵的方式來實現(xiàn)重量要求。

托盤尺寸10 000 mm×8 000 mm×1 100 mm，自重載荷為250 kN，壓鐵載荷為3 750 kN，吊索載荷約為30 kN，剩余載荷采用配制密度為1 300 kg/m3泥漿注入托盤內(nèi)部的方法解決。靜態(tài)試驗載荷的組成見表3。

表3 靜態(tài)載荷的組成kN

托盤壓鐵吊索泥漿總計25037503010855115

4 試驗過程

4.1 靜態(tài)試驗

布放回收系統(tǒng)靜態(tài)負載試驗選擇在2個不同的位置進行：舷外12.8 m位置(最大起吊行程位置)和舷內(nèi)8.1 m位置(停泊位置)，見圖2，兩位置的計算測試負荷均為5 115 kN。

圖2 靜態(tài)負荷試驗測試位置

靜態(tài)試驗需要將測試載荷連接到具備有效校準證書，誤差范圍在±2%的稱重拉力計上進行測試，在每個位置保持5 min[3]。對于所有負荷試驗，要求按照計算載荷進行垂向加載。

4.2 動態(tài)試驗

動態(tài)測試應(yīng)在110%FSWL下操作A型架從舷內(nèi)8.1 m到舷外12.8 m的整個運動范圍下進行。首先在舷內(nèi)8.1 m處保持A型架位置固定至少3 min，然后低速操縱A型架回轉(zhuǎn)到舷外最大位置完成系統(tǒng)的動態(tài)試驗。試驗載荷通過減少托盤上的壓鐵數(shù)量來獲得。

負荷試驗結(jié)束后，A型架基座焊縫需進行滲透探傷檢驗，各鉸鏈和油缸支承點應(yīng)目視檢查，基座和設(shè)備不應(yīng)顯示任何跡象的塑性變形或裂紋擴展。

5 結(jié)論

綜上所述，本文首先根據(jù)挪威船級社規(guī)范要求，計算出空氣中、水中和飛濺區(qū)不同動力系數(shù)工況下的靜態(tài)測試載荷，取最大值5 115 kN作為靜態(tài)試驗載荷值，同時取1.1倍安全工作載荷3 410 kN作為動態(tài)試驗載荷值。然后采用了托盤+泥漿+壓鐵的方式，在有限的加載空間內(nèi)獲得以上兩種載荷。最后介紹了動靜態(tài)試驗的加載位置和加載時間，從而完成對深海采礦船采礦設(shè)備布放回收系統(tǒng)負荷試驗的方案研究。

準確理解規(guī)范要求，計算并選取合適的載荷值對于負荷實驗方案的制定和前期工程策劃有著重要的意義。對于采用A型架的重型布放回收系統(tǒng)負荷試驗，由于載荷較重空間有限，而且載荷需可調(diào)，輔助設(shè)施也有限制，采用組合式載荷能夠有效地解決以上問題，根據(jù)需求可以方便調(diào)整載荷大小，操作安全，具有良好的經(jīng)濟性。

選擇多點對回轉(zhuǎn)式布放回收系統(tǒng)進行靜態(tài)負荷試驗?zāi)軌蚋行У貦z驗系統(tǒng)的可靠性，為后續(xù)設(shè)備的布放回收提供安全保障。

布放回收系統(tǒng)的負荷試驗要根據(jù)規(guī)范要求、廠家說明、船上布置、輔助設(shè)施、經(jīng)濟性、操作安全等諸多方面進行綜合考慮。隨著海洋設(shè)備的發(fā)展，重型布放回收系統(tǒng)的運用越來越廣泛，我國應(yīng)該加快該方面的研究步伐，不斷吸收借鑒國外的先進經(jīng)驗和積累工程經(jīng)驗， 最終趕上并超過世界先進水平。