深海采礦船存儲轉運系統關鍵技術研究

楊 蓓，林 強，杜新光

(1.上海市東方海事工程技術有限公司，上海 200011；2.中國船舶科學研究中心 上海分部，上海 200011)

0 引言

在陸地資源日益枯竭的今天，深海海底蘊藏的豐富礦產資源是人類社會和經濟可持續發展必不可少的重要接替資源。資料顯示，該海底蘊藏著豐富的稀土、鈷和金屬結核等礦產資源，其戰略價值和軍事價值引起全世界各國的高度重視[1]。當前國際社會對深海采礦的熱情日益高漲，世界各國圍繞海洋戰略空間拓展、資源占有和科學技術發展的競爭越演越烈。但要開采海底的資源，必須有相應的平臺或船舶、采集及輸送設備作為輔助。深海采礦船是海上采礦生產支持與控制的母船，是深海礦物開采系統中最為重要的水面支持系統[1]。采礦船的存儲和轉運效率是直接決定整個深海采礦系統能否連續、源源不斷地進行海底礦物開采的重要指標，礦物轉儲系統是保證礦物從水面轉運到陸地的關鍵環節，具有設備多、空間規模大、重量大以及結構布局復雜的特點。20世紀初，船上裝有存儲轉運系統的自卸船首次在北美大湖區出現。由于能適應復雜環境條件，自卸船逐漸成為北美地區主要的散貨運輸方式。我國在20世紀80年代開始設計制造自卸船。根據相對應散貨船型，我國開發了17 500載重噸、30 000載重噸、50 000載重噸、72 500載重噸等型號的自卸式散貨船[2]。深海采礦船與自卸式散貨船的作業方式及作業環境有很大的不同。深海采礦船需要長期在遠海作業，遭遇極端惡劣海況的概率極高，因而對存儲轉運設備在甲板上的布置及運動的穩定性要求很高。本文在調研分析輸送裝備的現狀基礎上，提出研發深海采礦船存儲轉運系統應遵循的設計思路，尤其對影響深海采礦船航行安全性的存儲轉運系統的布礦、安全性、檢測系統等因素進行研究，借此推動深海采礦船存儲轉運系統向智能化發展。

1 深海采礦船存儲轉運系統概況

礦物轉儲系統的作用是將脫水處理后的礦物通過幾個子系統的聯動作用，實現礦物在采礦船貨艙內短暫存儲，并在運輸船抵達之后能夠順利的、連續的向運輸船進行礦物轉運。

存儲轉運系統由兩個子系統組成：礦物存儲系統和礦物轉運系統。礦物存儲系統根據功能分為分艙和布礦系統，礦物轉運系統根據功能分為回收、提升和轉運系統。系統組成見圖1。

圖1 存儲轉運系統組成

深海采礦船存儲轉運系統的作業模式主要是將采集上來的礦石經脫水后，通過分艙系統輸送至指定的艙內，經布艙系統的合理分布垛堆位置，使礦物在艙內分布相對均勻，避免船體發生傾斜。礦物在艙內作短暫的存儲后，由回收系統將艙內的礦物回收后提供給提升系統。提升系統將礦物由艙內提升至甲板上，并由轉運系統輸送給駁運船運至陸上。礦物轉儲系統是保證礦物從水面轉運到陸地的關鍵環節，其工藝流程一般為：分艙→布礦→回收→提升→轉運→駁運船→陸上，見圖2。

圖2 存儲轉運系統工作流程

2 深海采礦船存儲轉運系統設備現狀

深海采礦船作為采礦作業的生產和礦物的存儲母船，是整套采礦作業系統的中樞環節，不僅需要采礦系統、揚礦系統，還需對采集到的礦物進行脫水處理，提供礦物存儲空間，并能適時將礦物轉運至駁運船以便運輸至陸地。

全球首艘深海采礦船由福建馬尾造船股份有限公司建造，主要用于深海多金屬硫化物的開采，具備在2 500 m深海區域采礦作業的能力，可以裝載礦貨39 000 t。該船配置完整的深海礦物采/集系統、礦物提升系統、礦物脫水系統和礦物儲存轉運系統等作業系統[3]。該船絕大部分關鍵設備由國外設計和提供，礦物的存儲轉運系統的設備亦由國外設計及提供。系統包含可逆式皮帶機、堆垛設備、鏟斗機、斗提機和伸縮式裝船機等輸送設備。

國內深海采礦船的研究工作處于起步階段，尚沒有用于深海采礦船的專用存儲轉運系統設備，現有的大量輸送設備在陸地上使用。根據深海采礦船存儲轉運系統的作業流程，五個子系統有著各自的功能，根據各子系統特點，選擇與之相適應的設備。

分艙系統的作用是將預處理后的礦石通過輸送設備群輸送到指定艙，可采用可逆式皮帶輸送機和帶式輸送機等設備群。帶式輸送機是一種利用連續而具有撓性的輸送帶不停地運轉來輸送物料的輸送機。帶式輸送機的輸送能力大，單機長度長，能耗低，結構簡單，運行可靠，可以長時間連續作業，便于維護，是應用最廣、產量最大的一種輸送機[4]。可逆式皮帶輸送機是帶式輸送機的特殊形式，通過改變電機的旋轉方向可改變輸送方向，實現雙向輸送。

布礦系統的作用主要是保證礦石在艙內分布合理、均勻，減少空艙率。系統包括堆垛設備以及相對應的電控系統。因礦物有堆積角，礦物在投放入艙時需考慮增加艙容。本系統可使用埋式刮板機或專用的堆垛機進行布礦。埋刮板輸送機是借助于在封閉的殼體內運動著的刮板鏈條而使散體物料按預定目標輸送的運輸設備，它具有體積小、密封性強、對物料損傷小、剛性好、工藝布置靈活、安裝維修方便、能多點加料和多點卸料等優點。采用埋式刮板機多點投料，可以達到增加艙容的目的[4]。基于這一目的，可研發專用堆垛機，利用皮帶輸送機的原理實現連續不間斷的布礦，通過改變皮帶的速度來改變礦物投料距離，并通過旋轉來改變礦物的投料方向，配合檢測系統，可自動、高效、合理地對礦物進行布艙。

回收系統的作用是將散落在艙內各處的礦石收集起來，提供給提升系統。常用的設備有雙排鏟斗輸送機、刮板機和帶式輸送機等。雙排鏟斗輸送機、刮板機適用于平艙底，帶式輸送機可用于“V”形艙底。“V”形艙底使用重力卸料形式，通過改變船艙底部斗門的開啟尺寸來控制礦物的流量[2]，礦物經斗門下部的帶式輸送機回收后輸送至提升系統。帶式輸送機結構簡單，經濟性高。帶式輸送機回收系統形式見圖3。

圖3 帶式輸送機回收系統

提升系統的作用是將礦石從艙內提升到甲板上某一高度，以便向船舷外輸送。常用的提升方式有皮帶輸送機和機械式兩種。皮帶輸送機提升主要有傾斜皮帶機提升、C型皮帶機提升和波形皮帶機提升等；機械式提升主要有斗式機提升、螺旋輸送機提升、斗輪機提升和抓斗起重機提升等[2]。傾斜皮帶機提升、斗輪機提升和抓斗起重機提升設備占據空間大，影響料艙存儲容積，因此不適合在深海采礦船上使用。螺旋輸送機因輸送量較小，不能滿足深海采礦船輸送量的要求。斗式提升機、C型皮帶機提升和波形皮帶機提升都能實現垂直提升，但C型皮帶機和波形皮帶機要清除黏附在輸送帶上的物料也是很困難的。斗式提升機的突出優點是在提升高度確定后輸送路線最短，占地少，橫斷面小，結構緊湊，有罩殼封閉密封性能好，不揚灰塵，環境污染少，有利環保[4]。

轉運系統的作用是將提升到一定高度的礦物轉運到駁運船的輸送過程。常見的設備有伸縮式裝船機、斗輪堆/取料機等。斗輪堆/取料機是利用斗輪連續取料，用機上的帶式輸送機連續堆料的有軌式裝卸機械。它是散狀物料(散料)儲料場內的專用機械，可與卸車(船)機、帶式輸送機、裝船(車)機組成儲料場運輸機械化系統。斗輪堆取料機是現代化工業大宗散狀物料連續裝卸的高效設備，目前已經廣泛應用于港口、碼頭等散料(礦石、煤、焦炭、砂石)存儲料場的堆取作業[6]。伸縮式裝船機由臂架皮帶機、過渡皮帶機、伸縮溜筒、俯仰裝置、回轉裝置等組成，它有較大的作業覆蓋面和較高的裝船效率，對船型的適應性強。伸縮式裝船機布置見圖4。

圖4 伸縮式裝船機布置

3 存儲轉運系統設備的設計

3.1 存儲轉運系統設計思路

深海采礦船存儲轉運系統屬于物料連續輸送，因此它應符合連續輸送對設備的工藝要求，即輸送能力大、輸送距離長等。由于深海采礦船存儲轉運系統是在特殊的環境和條件下作業，因而設計上還應考慮以下問題。

(1)遵循結構先進、性能可靠、自動化高的設計原則，便于操作和維護管理、信息化和自動化控制。

(2)著重建立各系統間良好的聯動機制，實現各系統的良好契合。

(3)在不影響整體采礦系統生產效率的前提下盡可能選用投資少、能耗低、效率高的設備。

(4)具有靈活的存儲與轉運能力，能夠將預處理完的礦物進行合理安置和高效轉運，以保證轉運過程對采礦船穩性的影響降到最低。

(5)礦物轉儲系統的轉儲效率應和海底生產系統的采集效率相匹配，能夠保證水下—水面—陸地連續、不間斷作業運輸。

(6)能夠適應由于采礦船自身的運動(如橫搖等)對轉儲系統的影響。

(7)礦物轉儲系統的維護不影響整體采礦系統的運行。

(8)設備通用化、標準化高，可以適用于不同礦物的輸送。

(9)設備需符合自動化作業的安全規則。

3.2 存儲轉運系統的關鍵技術

深海采礦船存儲轉運系統技術可分為通用技術和專用技術。通用技術中包含陸上一些標準的輸送設備、控制系統等，可以直接應用于深海采礦船上。但是，解決深海采礦船在惡劣海況以及長期遠海作業等特殊環境下所帶來的采礦船的航行安全、設備防護等問題的專用技術尤為值得關注，存儲轉運系統設備的選擇、設計應最大程度地保證采礦船航行安全。艙內礦物分布的狀況、設備對船艙水密性的影響、設備運行的可靠性等都將直接影響到采礦船的航行安全，由此也給深海采礦船存儲轉運系統的設計帶來風險。

3.2.1 存儲轉運系統要有合理的布礦技術

礦物裝艙后，相對均勻的堆垛分布可減少虧艙，保證較高的艙容率，同時降低了轉運過程中由于船的重心不平衡造成船舶傾覆的危險。采礦船在作業過途中遇到風浪產生顛簸，使礦物在貨艙內自由移動，造成船舶穩性欠佳，影響采礦船作業以及運輸船的航行安全。

礦物從高處自由落下時，會形成一個錐形料堆。該料堆的錐面與水平面形成一個堆積角。對于大堆積角的礦物，通過多點或連續投料方法可以大幅度減少空艙率。多點布礦示意圖見圖5。礦物在貨艙的分布狀態、堆高都將直接影響到采礦船的安全，這就要求系統選用專業的堆垛機、實時堆高監測系統，通過專用堆垛機實現礦物在艙內的均勻分布；通過艙內布置的激光雷達檢測系統[7]，對礦物的分布進行自動檢測、識別與處理，實現礦物投放量及投放點的控制。在布礦過程中，激光雷達對礦物料堆進行間隙掃描，獲取礦物堆形輪廓數據，與系統內預先設置的數據進行比較。當礦物的投放量達到內部設定的載荷后，及時改變投料點位置或船艙，從而實現均勻配載。

圖5 多點布礦示意圖

3.2.2 存儲轉運系統水密隔艙的安全性

貨艙一般為V形船艙。采用波形擋邊皮帶提升或C型皮帶提升(見圖6)的存儲轉運系統，是利用礦物自重進行集料的。該系統通過控制船艙斗口開啟的大小來控制礦物的流量，在斗門下的皮帶輸送機將礦物輸送到波形擋邊皮帶提升機或C型皮帶提升機。但是，無論是采用波形擋邊皮帶提升還是采用C型皮帶提升，船底的皮帶機都需從船尾縱貫船首，穿過艙壁，破壞了艙壁的水密完整性。

圖6 C型皮帶提升的存儲轉運系統[8]

在遠洋航行中船舶安全尤為重要。水密隔艙的形式是保證即使有一兩個艙破損進水，水也不會流到其他艙區，影響船舶航行。為了保證深海采礦船每個船艙的水密性，需在皮帶輸送機穿過貨艙壁的地方安裝專用皮帶水密門，把整個通道分成數個水密區間，減少船在破損的情況下，海水通過帶式輸送機泄漏。

3.2.3 存儲轉運系統要有必要的檢測手段

存儲轉運系統是多種設備聯動的集群，其中一臺設備出現問題，都會影響到整個采礦船作業進程甚至癱瘓，因此各設備應設置相應的檢測系統、反饋系統，且設備之間應設置聯動開關。

帶式輸送機控制系統中應采取如下安全措施：

(1)為確保帶式輸送機安全運行和監察，應裝設防跑偏系統、斷帶控制器和打滑檢測器。

(2)帶式輸送機側邊應裝設拉線事故開關或固定式事故開關。

(3)對于大功率的帶式輸送機，應設過流(過載)保護裝置。

(4)電氣設備要考慮防水、防腐及防爆措施。

3.2.4 船艙形式對設備選型的影響

船艙的形式決定了回收系統設備的類型，同時也決定了艙容的大小。平底艙形常采用側面出料，這種形式的艙底艙容量大，但需配置收集設備，如雙排鏟斗輸送機加皮帶輸送機等設備群。“V”底艙形常采用底部出料，為重力集料方式。這種結構采用高分子助流板減小摩擦力，并配置振動器，增加了礦物的流動性[4]，但需要選擇合適的船艙傾角。自卸式散貨船常采用此形式的艙形。

4 結語

綜上所述，為了滿足高強度、全天候、惡劣環境長時間作業等需求，深海采礦船存儲轉運系統的關鍵設備在需要向自動化、高效化、穩定化等方向發展，同時還需要考慮船舶運動對輸送設備的影響以及設備防腐、防爆、安全性等問題。

近年來，隨著數字化、信息化技術水平的不斷提高，智能船舶的研制已被提上日程。為適應智能船舶的要求，存儲轉運系統設備的可靠性、智能化水平有待進一步提高，相應的控制技術也有待進一步研究，同時通過提高存儲轉運系統在各種環境下的作業能力，為推進我國深海采礦事業進一步發展作出貢獻。