深海采矿船立管输送系统的应用

李霞

摘 要：海底蕴藏着丰富的矿产资源，其价值是无法估计的。随着科学技术不断地发展，陆地的资源越来越匮乏，人类开始转向海洋底开采。随着海洋钻井平台的不断出现，深海采矿船也成为发展的趋势。本文介绍了立管输送系统在采矿船中应用，包括系统组成及工作原理。

关键词：采矿船;立管;塔架;游车

中图分类号：U674.38+3

文献标识码：A

1 前言

地球表面的2/3被海洋覆盖，海洋中含有丰富的矿产资源，其储量之大，远超过陆地的矿产资源，因此人类持续不断地寻找各种开采海洋资源的途径，并且从浅海转向深海。美国、英国、法国和日本等国家白上世纪70年代开始，围绕多金属结核开展多种形式的采矿系统开发和可行性验证[1]，先后研制出拖斗式采矿系统、连续绳斗法采矿系统、穿梭艇式采矿系统和集矿机结合管道提升的采矿系统[2]等。

开发深海采矿船顺应时代发展的趋势，作为采矿作业运输存储母船，是采矿系统中最主要的部分，具有居住、航行、采矿和保障等四大功能，其配套装备系统集成度高。与常规海洋工程船相比，采矿船对水下作业装备布放回收系统、矿物脱水系统、矿物存储与转运系统等关键设备的安装提出了更高的要求[3]。采矿船的工作原理，是通过采矿设备布放回收系统深入海底开采切割收集矿物，通过收集泵和水下机器人操作，将矿物输送到立管输送管，然后通过扬矿系统提升到海面，进入脱水系统进行矿物筛选、存储、过滤等处理，最后进入装卸货系统进行卸载到运输船。其功能模块的划分，如图1所示。

采矿车在海底采集的矿物是通过数千米的管道泵运输到采矿船上，在采矿船的甲板面安装月池、水下提升泵及数十米高的塔架，月池中心悬挂许多段立管及软管组成的数百吨重、数千米长的扬矿管线系统。基于深海矿产资源分布特点，如富钴结壳和多金属硫化物，均分布在水深500-3 500 m的位置，而目前采矿船最大设计作业水深一般为2 500 m，故人类在不断挑战勘测海洋的深度，立管输送系统作为采矿船的一部分起到至关重要的作用。

2 立管输送系统的组成

立管输送系统，主要由储存架、龙门吊、自动化猫道、塔架提升系统等部分组成：

2.1 储存架

深水立管按结构形式分为：钢质悬链线立管、顶部张紧式立管、挠性立管和混合立管%根据采矿产量要求及作业水深特性，采用DN48”顶部张紧式立管连接采矿船与水下提升泵之间的管道，其包含有数根裸管和帶浮力材输送管。储存架主要由Q235D材质的H型材组成平行式堆栈架子，如图2所示。立管储存区域分为若干分块，裸管和带浮力材立管分开储存。

2.2 龙门吊

龙门吊，主要由提升机存放系统、两个导轨、驱动装置、支撑件、主梁组件、推车组件、吊杆、吊钩、控制舱等组成，用于立管从储存架起吊到猫道。为了保证大管径立管平稳运输，本船龙门吊采用双吊钩，吊车跨距达23.3m。

2.3 自动猫道

自动猫道主要由猫道平台、提升架、轨道、驱动机构、翻转机构、控制台等组成，用于由龙门吊吊过来的立管移动并抬升到塔架中，通过机械手连接立管到立管提升工具上。船舶猫道适合最大DN48”的立管，最大长度约为19 m，可承载极限重量为17 Mt、抬升最大高度为16.3 m、速度为0.5 m/s。本自动猫道可将液压动力转换为机械动力，达到运用驱动承载平台和移动装置运输立管的目的。

2.4 塔架提升系统

塔架提升系统由塔架、塔架底座、天车、游车、绞车、死绳固定器、钢丝绳、倒绳机等设备组成，用于安放和悬挂游动系统、吊卡、吊环等提升工具。

目前海洋钻井平台的主要井架形式有：带辅助作业平台的井架、白升式井架、塔形井架、一个半塔架、双联井架和箱式井架[6]。作为主体的塔架，选用结构稳定、强度高、抗风载能力和抗震能力较强的塔形井架。

本塔架最大额定载荷为6 420 kN，适应海上风暴丁况。井架体是一个正方形横截面、可拆卸、栓装封闭式钢结构，塔架由绞车面处倾斜至天车，由大尺寸H型材组成A形V大门，L0-L9层总高度为38 m，各种H型钢杆均为螺栓或法兰连接连续的空间刚衍架结构;单独结构为由立柱、横梁、斜拉梁组成的衍架结构，所有杆件型心相交;游车由动滑轮组组成，天车用于固定塔架顶部定滑轮组。

3 立管输送系统的布置及工作原理

3.1系统布置

立管输送系统（见图3）布置是一个非常复杂的问题，需要综合考虑各系统的集成。其大致布置情况如下：塔架底座中心对准月池中心，焊接在甲板面的四个安装脚上;塔架中心也是对准月池中心，螺栓锁安装在塔架底座面上的四个支脚上;塔架底座面布置主绞车、卡盘、司钻房、5t及10t气动拖曳绞车、载人绞车、倒绳机、死绳固定器等设备。

为了紧凑地布置及运输精准，设计龙门吊的一边轨道放置在塔架基座，另一边轨道放置在立管存放架;猫道输送轨道对准下放口，其轨道延伸到塔架底座面;龙门吊及自动猫道布置在塔架底座右侧立管上方，便于立管的短程运输，提高作业的效率。

3.2 系统工作流程

（1）拔出立管悬挂平台固定销，移动平台到月池的中心，连接脐带到水下提升泵;

（2）通过龙门吊将立管移动到猫道，同时游车移动至最低位置，钢丝绳回到绞车，猫道小车移动立管到塔架基座平台面，通过机械手操纵立管连接到立管悬挂工具，游车吊起立管，同时猫道小车移回原位;

（3）机械手操纵立管到塔架中心位置，一旦就位机械手操纵立管穿过塔架基座面开孔口，装配到水下提升泵;通过绞车拉住水下提升泵，维持其在月池上中心位置;移开立管悬挂平台到原位，并插销固定其滑道：

（4）工人在吊篮位置操纵水下提升泵，将带有立管的水下提升泵至月池下放;

（5）下一段的立管在塔架提升系统的作用下，来到塔架底座开孔中心位置，通过机械手和工人的操作，完成与前面段管对接;

（6）重复以上步骤，直到所有立管段都被妥善放置。

3.3 系统工作原理

图4为塔架提升原理示意图。游车上下移动通过主绞车滚筒的正反转来完成，当绞车滚筒回收钢丝绳时，钢丝绳通过天车带动游车、大钩、立管等上升完成起吊工作;相反，当绞车滚筒放出钢丝绳时，钢丝绳通过天车带动游车、大钩等完成下放工作;钢丝绳从主绞车滚筒轴出来后，经过天车导向滑轮导向后将钢丝绳依次穿过天车和游车滑轮组，最后经过天车滑轮将钢丝绳固定在死绳固定器上。

4 立管输送系统安装精度控制

立管通过龙门吊吊到猫道，再通过机械手到塔架游车，最后通过游车下放或回收。这一系列过程，需要在安装本套系统的时候严格进行安装精度控制，才能实现智能化输送。

矿物输送管布放回收系统的精度控制，主要从以下三个阶段展开：第一阶段为主甲板塔架基座的平面度测量与控制;第二阶段为塔架平台底座的平面度测量与控制;第三阶段为塔架本体的整体组装和安装精度控制。本文通过建立船体结构和围井基座的三维模型，利用分析软件获取关键精度控制点的理论数据，再利用全站仪对安装结构平台进行三维数据测量，在对比分析的基础上，针对偏差超标的控制点提出修改方案，以满足矿物输送管布放回收系統安装对各层结构平台和基座平面度、变形量的要求。

布放回收系统精度控制要点：

（1）基线堪划

由总装精度人员负责甲板中纵中心线和月池中心线基线堪划，具体包括假定基线、船体中心线、船体半宽线、横向合拢口线等，完工后进行白检，确认无误后涂抹标记;

（2）基准定位

根据船体中纵中心基线对塔架4个基座进行定位，定位完成后分别测量4个基座的三维精度数据，并做好记录。

塔架底座在合拢搭载定位时，需优先保证底座上甲板的四个基座的相对水平情况，偏差控制在±5 mm以内;塔架底座下端的四根支撑管已开好坡口且无余量，因此需提前采集塔架底座整体的精度数据，从而确定出塔架支腿凳的水平定位要求;在施工过程中，还需将甲板测量数据和平台制作精度测量结果两组数据相互结合，计算分析出塔架支腿的定位精控需要的坐标，及塔架底座搭载定位时的数据基础;

（3） -次定位和平台底座的平面度精度控制

塔架底座平台吊装到位后，精度人员根据设计提供的搭载定位数据，利用全站仪等测量工具进行分段定位，定位基准除有特殊要求外，全部以船体中心线、月池中心线为准，完成定位后保留测量记录。如需平面度和纵向、横向位置精度修整，由精度人员进行现场实料划线，然后重新起吊并调整位置，直到测量结果满足设定的精度控制要求。

对于平台上平面的精度测量和控制，重点是采用全站仪现场采集测量关键位置的三维坐标值，同时在船体主甲板上也确定出月池的十字中心线并勘画出来;定位和控制主要是采用全站仪进行测量，然后按精控要求进行调整定位，控制目标为±5 mm。

（4）塔架主体组装、吊装、安装定位精度控制

本系统使用全站仪检查井口中心线、天车、转盘的对准，并通过在游动系统上吊起重物（钻杆）来检查对准;校准后，确保天车中心和井口中心的偏差小于20 mm;塔架左右方向上的调整，由增减塔架脚与塔架支撑间的垫片来实现;塔架前后方向上的调整，由增减塔架脚与塔架支撑间的垫片来实现;

（5）隔水管架系统龙门吊和猫道的导轨之间定位精度控制

①猫道起重操纵系统的导轨必须定好位，以便立管能够以直线运动到井口中心。导轨分为两部分，一部分已经安装到猫道支撑结构上了，另一部分需以1400 mm的跨距安装到底座上;下导轨压板焊接在底板上，上导轨压板压到导轨的下凸缘上，上下导轨压板用特殊的螺栓连接，两条导轨两端各焊接一个挡板。

②龙门吊两个导轨，一个放在立管存放架的支架上，一个定位在塔架底座平台上，具体轨道安装精度要求跟猫道轨道要求一样。

轨道安装精度要求，见图6所示。

5 结论

立管输送系统将石油平台使用的塔架经过演变应用在采矿船舶上，配合龙门吊及自动化猫道等设备，实现了立管的智能化输送安装，简化了立管安装和管对接程序，大大节约了时间和成本。该系统的运用不仅为人类勘测深海奠定了坚实的基础，而且将推动我国国际海底矿产资源商业化开发进程，维护国家在国际海底区域矿产资源的开采权益。

参考文献

[1]邹伟生、黄家祯.大洋锰结核深海开采扬矿技术[J]矿冶丁程.2006.26（3）：1—5.

[2] WENZEL J（;.Deep （）rean Floor Noclule Mining-Finst Ceneration Techniquesare Here [J].Soriety of Mining ErWneers. 1975（4）：47-52.

[3]饶顺华深海采矿船脱水装置设计[J]造船技术.2018（6）：10-13.

[4]王懿、段梦兰、李丽娜.深水立管安装技术发展[J]石油矿产机械.2009.38（6）：4-8.

[5]向小荣、赵世刚、庞世强海洋钻井平台井架应用及发展浅谈[J]机械研究与应用，2015.