深海采礦船水下設(shè)備布放回收工藝

王安義, 劉 靜, 王 蘭, 李亞輝, 郭乾坤

(1.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002；2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002)

0 引 言

目前，在海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)中，較具有經(jīng)濟(jì)意義與發(fā)展前景和高技術(shù)含量較多的是海洋油氣資源與多金屬結(jié)核等礦物資源的開發(fā)。按《聯(lián)合國(guó)海洋法公約》的規(guī)定，國(guó)際海域主張誰(shuí)投資誰(shuí)占有、誰(shuí)開發(fā)誰(shuí)受益的規(guī)則，為保證我國(guó)的海洋權(quán)益，必須加大深海采礦裝備相關(guān)技術(shù)研究，突破深海采礦裝備配套關(guān)鍵技術(shù)，支撐海洋采礦裝備工程應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)深海礦產(chǎn)資源的自主開發(fā)[1-3]。

研究表明，目前世界公認(rèn)的、適合未來(lái)商業(yè)采礦的方案是基于管道水力提升的深海采礦方案，該方案主要由集礦子系統(tǒng)、水力提升子系統(tǒng)、水面支持子系統(tǒng)、測(cè)控與動(dòng)力子系統(tǒng)構(gòu)成，其中，水面支持子系統(tǒng)中的核心為布放回收系統(tǒng)，其主要作用是實(shí)現(xiàn)集礦子系統(tǒng)和水力提升子系統(tǒng)等水下采礦設(shè)備如集礦車、中繼倉(cāng)、提升泵和揚(yáng)礦管的安全高效入水布放與出水回收功能[4]。目前國(guó)內(nèi)未見(jiàn)深海采礦船水面支持布放回收系統(tǒng)的工程應(yīng)用，為此，開展適合深海采礦船的水下采礦設(shè)備布放回收工藝研究，為深海環(huán)境水下采礦設(shè)備安全高效的布放與回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，為工程應(yīng)用提供參考。

1 技術(shù)分析

水下采礦設(shè)備布放回收過(guò)程復(fù)雜，受海況環(huán)境影響較大，布放回收工藝需要根據(jù)水下采礦設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式和布放回收系統(tǒng)布置具體分析，主要分為3個(gè)方面：①集礦車和中繼倉(cāng)等大尺寸設(shè)備的布放回收工藝；②提升泵和揚(yáng)礦立管(若干)等細(xì)長(zhǎng)形設(shè)備的布放回收工藝；③集礦車與中繼倉(cāng)之間跨接軟管布放回收工藝。揚(yáng)礦立管的數(shù)量與水深相關(guān)，水深越大，揚(yáng)礦立管數(shù)量越多。集礦車和中繼倉(cāng)尺寸大、質(zhì)量大，采用提升設(shè)備在船體甲板上進(jìn)行布放與回收。考慮集礦車與中繼倉(cāng)在水下的工作位置不同，并避免集礦車動(dòng)力供應(yīng)電纜與揚(yáng)礦立管干涉和碰撞，集礦車在船體尾部甲板上進(jìn)行布放與回收，中繼倉(cāng)在月池區(qū)域進(jìn)行布放與回收。提升泵和揚(yáng)礦管長(zhǎng)細(xì)比大，采用提升設(shè)備在底座臺(tái)面井口中心進(jìn)行布放與回收。

在水下采礦設(shè)備布放回收過(guò)程中，船體隨波浪進(jìn)行升沉搖擺運(yùn)動(dòng)，需要配套升沉補(bǔ)償裝置加以克服，改善設(shè)備在布放回收過(guò)程中的受力狀態(tài)，尤其是集礦車著底時(shí)的受力狀態(tài)，降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。

水下采礦設(shè)備布放回收效率直接影響海洋深水采礦作業(yè)成本，需要采取相應(yīng)的技術(shù)措施或設(shè)備提高效率，尤其是數(shù)百米的揚(yáng)礦立管布放回收效率，以節(jié)省布放回收時(shí)間、降低作業(yè)成本。

2 布放回收系統(tǒng)配置和布局

不同的水下采礦設(shè)備具有不同的布放回收工藝，所使用的布放回收裝置不盡相同。集礦車在船體尾部進(jìn)行布放回收[5]，主要設(shè)備包括A型吊架、伸縮止蕩架、提升鋼絲繩、升沉補(bǔ)償裝置、提升絞車、動(dòng)力纜及其絞車等。提升鋼絲繩由提升絞車卷筒出繩，經(jīng)升沉補(bǔ)償裝置動(dòng)滑輪與定滑輪組成的滑輪系，繞過(guò)A型吊架上的定滑輪與集礦車連接。伸縮止蕩架懸掛在A型吊架頂部橫梁下方與集礦車連接。集礦車動(dòng)力纜由動(dòng)力纜絞車出繩，與提升鋼絲繩一同下放。尾部甲板布放回收系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 尾部甲板布放回收系統(tǒng)布置

提升泵、揚(yáng)礦立管和過(guò)渡短節(jié)等設(shè)備在鉆臺(tái)面布放與回收，主要設(shè)備包括塔架與底座平臺(tái)、提升系統(tǒng)、揚(yáng)礦管自動(dòng)化處理系統(tǒng)[6]、集成控制系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等。中繼倉(cāng)布置在船體甲板上的月池區(qū)域，通過(guò)滑車輸送至月池中心，連接在揚(yáng)礦立管底部，采用揚(yáng)礦立管進(jìn)行布放。提升系統(tǒng)包括天車、提升絞車、一體式游車大鉤、死繩固定器和鋼絲繩等。揚(yáng)礦管自動(dòng)化處理系統(tǒng)包括折臂式抓管機(jī)[7]、水平動(dòng)力貓道、鐵鉆工、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、液壓卡瓦和綜合液壓站等。集成控制系統(tǒng)包括水面集控室房體、集成操作座椅和集成控制軟件系統(tǒng)等。電控系統(tǒng)對(duì)提升絞車進(jìn)行控制，為電機(jī)等輔助交流用電設(shè)備進(jìn)行供電，為應(yīng)急照明等小功率負(fù)載進(jìn)行供電。月池區(qū)域布放回收系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 月池區(qū)域布放回收系統(tǒng)布置

3 集礦車布放回收工藝

集礦車布置在船體尾部甲板上，利用A型吊架等設(shè)備進(jìn)行布放回收。

3.1 集礦車布放流程

布放流程如下：①操作A型吊架內(nèi)擺放至集礦車的正上方，操作伸縮止蕩架的伸縮液缸使其伸出；②啟動(dòng)提升絞車，提升鋼絲繩，繞過(guò)升沉補(bǔ)償裝置滑輪系和A型吊架上的定滑輪，上提集礦車，使其頂部與伸縮止蕩架的下端貼合，并將集礦車頂部與伸縮止蕩架下端連接；③操作提升絞車，上提集礦車，并操作伸縮止蕩架的伸縮液缸，使集礦車離開船體甲板一定距離；④操作A型吊架外擺集礦車至舷外，伸縮止蕩架的伸縮液缸伸出，下放集礦車至液缸最大行程處，并操作動(dòng)力纜絞車，隨同集礦車一起布放；⑤操作提升絞車，使其處于正常工作狀態(tài)，脫開集礦車與伸縮止蕩架的連接部位；⑥操作提升絞車，下放集礦車入水，并開啟升沉補(bǔ)償裝置，使其處于中間位置進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，抵消采礦船升沉運(yùn)動(dòng)；⑦操作提升絞車，勻速下放集礦車，待集礦車接近海床時(shí)，放慢布放速度；⑧操作提升絞車，緩慢下放集礦車直到集礦車著底。

3.2 集礦車回收流程

回收流程為布放流程的逆過(guò)程。

布放回收系統(tǒng)配置2套關(guān)鍵設(shè)備：①升沉補(bǔ)償裝置，用于消除在采礦船隨波浪進(jìn)行升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)集礦車與海床的碰撞，使其安全平穩(wěn)著底，并有利于改善集礦車在布放回收過(guò)程中的受力狀態(tài)；②伸縮止蕩架，用于減小A型吊架在外擺和下放過(guò)程中集礦車的前后左右搖擺，確保集礦車布放回收作業(yè)更加安全。配套的動(dòng)力纜絞車具有恒張力功能，始終保持動(dòng)力電纜處于低張力范圍，可有效避免動(dòng)力電纜在水下與揚(yáng)礦立管發(fā)生纏繞，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

4 中繼倉(cāng)、提升泵與揚(yáng)礦管布放回收工藝

中繼倉(cāng)布置在船體甲板月池區(qū)域，采用提升系統(tǒng)進(jìn)行布放回收。提升泵與揚(yáng)礦管為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，布置在船體主甲板的儲(chǔ)管架中，通過(guò)抓管起重機(jī)吊運(yùn)至水平動(dòng)力貓道上，輸送至底座臺(tái)面中心處，采用提升系統(tǒng)進(jìn)行布放回收[8]。提升泵連接在揚(yáng)礦立管的中間位置，具體的入水深度由水力提升計(jì)算確定。

4.1 中繼倉(cāng)、提升泵與揚(yáng)礦管布放流程

布放流程如下：①將中繼倉(cāng)通過(guò)滑車運(yùn)送至月池中心，并在底座臺(tái)面中心處安裝支撐盤、補(bǔ)心和液壓卡瓦(處于打開狀態(tài))；②操作抓管起重機(jī)，吊運(yùn)1根過(guò)渡短節(jié)放置在水平動(dòng)力貓道上，輸送至底座臺(tái)面中心處，利用液壓翻轉(zhuǎn)吊卡抓起過(guò)渡短節(jié)并下放，與月池中心的中繼倉(cāng)頂部連接，提起過(guò)渡短節(jié)上端，移開滑車至初始位置，使過(guò)渡短節(jié)坐在液壓卡瓦上；③操作揚(yáng)礦管自動(dòng)化處理系統(tǒng)，輸送雙根至底座臺(tái)面中心處，利用液壓翻轉(zhuǎn)吊卡抓起雙根并下放，與過(guò)渡短節(jié)頂部連接，提起揚(yáng)礦管上端，松開液壓卡瓦，下放中繼倉(cāng)，直到揚(yáng)礦管上部接近臺(tái)面，坐在液壓卡瓦上；④依次布放揚(yáng)礦管雙根，直到中繼倉(cāng)布放至初始設(shè)計(jì)深度，下放提升泵；⑤操作抓管起重機(jī)，吊運(yùn)提升泵至水平動(dòng)力貓道上，輸送至底座臺(tái)面中心處(提升泵兩端連接過(guò)渡短節(jié))，與井口處的揚(yáng)礦管上端連接，提起提升泵上部過(guò)渡短節(jié)，松開液壓卡瓦，下放提升泵，直到過(guò)渡短節(jié)上部接近臺(tái)面，坐在液壓卡瓦上；⑥操作揚(yáng)礦管自動(dòng)化處理系統(tǒng)，輸送雙根至底座臺(tái)面中心處，與過(guò)渡短節(jié)頂部連接，提起揚(yáng)礦管上端，松開液壓卡瓦，下放揚(yáng)礦管，直到揚(yáng)礦管上部接近臺(tái)面，坐在液壓卡瓦上；⑦依次布放揚(yáng)礦管雙根，直到中繼倉(cāng)下放至設(shè)計(jì)深度。

4.2 中繼倉(cāng)、提升泵與揚(yáng)礦管回收流程

回收流程為布放流程的逆過(guò)程。

中繼倉(cāng)、提升泵與揚(yáng)礦管的布放回收過(guò)程復(fù)雜、載荷大，為保證系統(tǒng)設(shè)備的安全可靠連接，中繼倉(cāng)與揚(yáng)礦管、揚(yáng)礦管與提升泵之間增加過(guò)渡短節(jié)，過(guò)渡短節(jié)與中間倉(cāng)和提升泵的連接形式為法蘭螺栓，過(guò)渡短節(jié)與揚(yáng)礦管的連接形式為螺紋。為節(jié)省深海作業(yè)中數(shù)百米揚(yáng)礦立管連接接頭的裝拆時(shí)間，提高布放回收效率，揚(yáng)礦管與揚(yáng)礦管之間采用螺紋連接，利用機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行上卸扣作業(yè)。為節(jié)省數(shù)百米揚(yáng)礦管入水布放和出水回收的時(shí)間，揚(yáng)礦立管采用雙單根一立柱形式：在揚(yáng)礦管裝船時(shí)，先將9 m長(zhǎng)的單根連接為18 m長(zhǎng)的雙單根，存儲(chǔ)在儲(chǔ)管架中，在布放時(shí)抓管起重機(jī)由儲(chǔ)管架抓取18 m長(zhǎng)的雙單根揚(yáng)礦管至水平動(dòng)力貓道上，輸送至底座臺(tái)面中心處進(jìn)行布放與回收，可明顯提高中繼倉(cāng)、提升泵和揚(yáng)礦管等水下設(shè)備的布放回收效率，降低作業(yè)成本。

5 集礦車與中繼倉(cāng)之間的跨接軟管布放回收工藝

為建立完整的礦漿輸送通道，需要利用跨接軟管將水下集礦車礦漿出口與中繼倉(cāng)入口進(jìn)行連接。跨接軟管連接可在水面進(jìn)行，或利用水下機(jī)器人在水下進(jìn)行，但水下連接作業(yè)難度大、自動(dòng)化程度高、成本高，因此僅研究跨接軟管在水面進(jìn)行連接的布放回收工藝。在該工藝流程中，跨接軟管布放回收與集礦車、中繼倉(cāng)、提升泵和揚(yáng)礦管布放回收同時(shí)進(jìn)行。

5.1 集礦車與中繼倉(cāng)之間的跨接軟管布放流程

布放流程如下：①選定一定長(zhǎng)度的軟管，在軟管上綁扎浮力塊，浮力塊的數(shù)量確保軟管可在水中處于懸浮狀態(tài)；②結(jié)合集礦車布放工藝，在集礦車剛?cè)胨畷r(shí)，將軟管拋入水中，并將軟管一端與集礦車礦漿出口連接；③結(jié)合中繼倉(cāng)布放工藝，在中繼倉(cāng)剛?cè)胨畷r(shí)，另一端經(jīng)船體底部至月池與中繼倉(cāng)入口連接；④在軟管兩端全部連接后，與集礦車和中繼倉(cāng)同時(shí)進(jìn)行布放。

5.2 集礦車與中繼倉(cāng)之間的跨接軟管回收流程

回收過(guò)程為布放過(guò)程的逆過(guò)程。

在水面進(jìn)行連接的跨接軟管的布放回收過(guò)程與集礦車、中繼倉(cāng)、提升泵和揚(yáng)礦管的布放回收過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，需要有機(jī)結(jié)合并協(xié)調(diào)統(tǒng)一。為確保在揚(yáng)礦過(guò)程中跨接軟管懸浮于水中，需要在軟管的外部綁扎一定數(shù)量的浮力塊，浮力塊的數(shù)量需要根據(jù)礦漿密度、軟管長(zhǎng)度及其自重進(jìn)行計(jì)算確定。

6 結(jié) 論

(1)在集礦車布放回收流程中，配置伸縮止蕩架可有效減輕A型吊架在外擺和下放時(shí)集礦車的前后左右搖擺，提高作業(yè)安全性；配置升沉補(bǔ)償裝置可有效改善集礦車在著底時(shí)的受力狀態(tài)，消除集礦車與海床的碰撞，提高作業(yè)安全性；集礦車動(dòng)力纜絞車具有恒張力功能，可始終保持動(dòng)力電纜處于低張力范圍，有效避免動(dòng)力纜在水下與揚(yáng)礦管之間的相互纏繞，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

(2)中繼倉(cāng)與揚(yáng)礦管、揚(yáng)礦管與提升泵之間采用過(guò)渡短節(jié)通過(guò)法蘭螺栓連接，可確保大型設(shè)備之間的可靠連接；揚(yáng)礦管與揚(yáng)礦管之間采用螺紋連接，利用鐵鉆工等機(jī)械化設(shè)備進(jìn)行上卸扣作業(yè)，可明顯節(jié)省揚(yáng)礦立管裝拆時(shí)間，提高揚(yáng)礦立管布放回收效率。

(3)揚(yáng)礦立管采用雙單根一立柱形式，可有效節(jié)省揚(yáng)礦立管入水布放和出水回收的作業(yè)時(shí)間，提高布放回收效率。

(4)集礦車、中繼倉(cāng)、提升泵、揚(yáng)礦管和跨接軟管的布放回收過(guò)程看似相互獨(dú)立，其實(shí)是一個(gè)相互影響、相互協(xié)調(diào)統(tǒng)一的過(guò)程。