韓海林，戴雪良

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

濱海砂礦是在沿海環(huán)境下形成的，具有重要工業(yè)或經(jīng)濟(jì)價(jià)值的一類(lèi)礦砂。已探明的濱海砂礦品種達(dá)數(shù)十種，其中金屬礦物中的鈦鐵礦、鋯石、金紅石、磁鐵礦(鈦磁鐵礦)對(duì)于航天工業(yè)以及核工業(yè)具有重要的意義。稀有金屬礦物中的錫石、鈮鉭鐵礦等在航天工業(yè)或核工業(yè)中也發(fā)揮著重要作用。稀土礦物中的獨(dú)居石、磷釔礦等所含的稀土資源在高新技術(shù)工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。貴金屬礦物中如砂金、銀、金剛石、鉑等具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。非金屬礦物中的貝殼、石英砂、琥珀等也具有一定的價(jià)值。在當(dāng)前世界范圍內(nèi)的海底礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)與利用中，其開(kāi)采價(jià)值僅次于海底石油和天然氣。據(jù)報(bào)道，世界上已有約30國(guó)家或地區(qū)正在或準(zhǔn)備進(jìn)行濱海砂礦的勘探與開(kāi)采工作，但開(kāi)采能達(dá)到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的寥寥無(wú)幾。

濱海砂礦一般沿著海岸線呈現(xiàn)連續(xù)的帶狀分布，其礦砂品位相對(duì)而言比較均勻，一般有用礦物的含量為20%～30%，包含了大比例的脈石礦物。如果通過(guò)采砂船將原礦開(kāi)采后運(yùn)回陸地，再進(jìn)行分選，無(wú)疑將大大增加運(yùn)輸成本，且開(kāi)采效率低下。因此，有必要設(shè)計(jì)專(zhuān)用的選礦船，在選礦船上直接裝備礦砂分選和輸送設(shè)備，一次性連續(xù)完成礦物的分選、精礦外輸及尾礦回填。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有的船載礦物分選設(shè)備，絕大多數(shù)采用傳統(tǒng)的陸地分選設(shè)備，通過(guò)在船上進(jìn)行改裝實(shí)現(xiàn)。盡管這種改裝方式價(jià)格便宜，但分礦的效率低、能耗大，結(jié)構(gòu)體積也非常龐大，已經(jīng)不能有效滿(mǎn)足日益發(fā)展的沿海采礦市場(chǎng)的開(kāi)采需求。其次，設(shè)備的自動(dòng)控制程度低、國(guó)內(nèi)高效選礦設(shè)備的緊缺，也嚴(yán)重制約著沿海礦砂資源的開(kāi)采效率。因此，設(shè)計(jì)專(zhuān)用的選礦船，配備船載智能化成套選礦系統(tǒng)，配合高效采礦船實(shí)施礦物的及時(shí)連續(xù)分選，并配套設(shè)計(jì)精礦外送和尾礦回填系統(tǒng)，將極大地提高我國(guó)海洋采礦裝備的現(xiàn)有技術(shù)水平，對(duì)突破國(guó)外高技術(shù)封鎖，提高我國(guó)海工裝備產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要的意義[1-2]。

60 m專(zhuān)用選礦船作為國(guó)內(nèi)建造的最大專(zhuān)用選礦平臺(tái)，與配套船舶形成了完整的采選礦系統(tǒng)，代表了當(dāng)今海濱砂礦選礦的先進(jìn)水平。本文對(duì)該選礦船從總體布置、選礦系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選礦設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析等方面進(jìn)行了重點(diǎn)分析和詳述，并對(duì)實(shí)船建造、轉(zhuǎn)運(yùn)、實(shí)船投運(yùn)等進(jìn)行了敘述，為后續(xù)設(shè)計(jì)同類(lèi)型船舶，甚至采選一體化大型海洋工程平臺(tái)提供了設(shè)計(jì)思路和有益指導(dǎo)。

1 總體要求及主要量度

1.1 總體要求

本項(xiàng)目研究依據(jù)為澳大利亞Amex公司提供的斐濟(jì)MBa Delta鐵礦砂項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的可行性研究報(bào)告(Bankable Feasibility Study Report)。MBa Delta鐵砂礦床發(fā)育良好，礦床為簡(jiǎn)單的平伏型，礦化延伸到比早期的勘探所定義的礦床有著更深的深度，具有產(chǎn)業(yè)化開(kāi)采價(jià)值。澳大利亞Amex公司斐濟(jì)MBa Delta鐵礦砂項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造并出口的首個(gè)大型海上采礦和選礦項(xiàng)目。項(xiàng)目建成后可在斐濟(jì)MBa Delta近海連續(xù)采選礦作業(yè)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)磁鐵精礦75萬(wàn)t。該項(xiàng)目是一整套開(kāi)采海濱砂礦的綜合技術(shù)解決方案，標(biāo)準(zhǔn)高、要求嚴(yán)，所有電力設(shè)施滿(mǎn)足IEC標(biāo)準(zhǔn)，船體及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足法國(guó)船級(jí)社(BV)要求，所有設(shè)備滿(mǎn)足海洋環(huán)境、船上作業(yè)的工況，整套施工方案通過(guò)斐濟(jì)政府的環(huán)評(píng)要求。澳大利亞Amex公司斐濟(jì)MBa Delta鐵礦砂開(kāi)采項(xiàng)目的研發(fā)代表當(dāng)今海濱砂礦選礦的先進(jìn)水平，標(biāo)志著在海上選礦、開(kāi)發(fā)海洋資源的國(guó)際趨勢(shì)下，我國(guó)在“一帶一路”上承建的又一個(gè)標(biāo)志性項(xiàng)目。

該項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容包括解決近海海濱砂礦的開(kāi)采和選礦裝備的研究，整套作業(yè)裝備由采礦船、選礦船、工作船、頂推拖船等組成。相對(duì)于傳統(tǒng)的陸上選礦系統(tǒng)，該套海上船舶選礦系統(tǒng)可以在海上直接進(jìn)行采礦、磁選、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè),具有一體化、系統(tǒng)化工作特點(diǎn)，不僅提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了成本，而且更加環(huán)保。選礦船作為該系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之一，需要與前端的采礦系統(tǒng)和后端的精礦運(yùn)輸系統(tǒng)等相互協(xié)調(diào)，并完成尾礦的回填，因此該船的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的成功與否至關(guān)重要。

本船用于斐濟(jì)沿海礦區(qū)的選礦，由采礦船輸送來(lái)的原礦砂通過(guò)本船的選礦設(shè)備選取后，精礦輸送到專(zhuān)用運(yùn)輸駁船，尾礦通過(guò)管道輸送到尾礦填埋區(qū)進(jìn)行尾礦回填。

本船入法國(guó)船級(jí)社(BV)船級(jí)，懸掛斐濟(jì)國(guó)旗，設(shè)計(jì)依據(jù)為BV《鋼質(zhì)船舶入級(jí)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)及相關(guān)的法定規(guī)則等，航區(qū)為沿海航區(qū)。

1.2 主要量度選取

選礦船的主要量度需要考慮選礦工藝系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、配電及控制系統(tǒng)、辦公生活及附屬設(shè)施在甲板面能有適合的布置。型深應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)、泵艙的布置，并應(yīng)滿(mǎn)足《規(guī)范》對(duì)干舷的要求。由于選礦工藝系統(tǒng)整體高度較高，受風(fēng)面積較大，整船的空船重心偏高，船舶在工作、拖航時(shí)受風(fēng)、浪、潮流的影響很大，故對(duì)于船體的主尺度等必須加以充分考慮。船型設(shè)計(jì)成方型截面的箱型船。船寬經(jīng)過(guò)反復(fù)比選，最終選取值比初始方案增加了1 m，這不僅有利于主甲板上方的選礦系統(tǒng)廠房的布置，而且穩(wěn)性更好，對(duì)持續(xù)的選礦作業(yè)非常有利。根據(jù)總體布置，并考慮選礦船自身特點(diǎn)，設(shè)計(jì)選擇船舶的主要量度如下：

總長(zhǎng)約60 m，船長(zhǎng)54 m，型寬21 m，型深4.5 m，設(shè)計(jì)吃水2.5 m，淡水艙容積約27 m3，燃油艙容積約190 m3;沿海航區(qū)，船旗為斐濟(jì)，船級(jí)符號(hào)為ⅠHULL PONTOON COASTAL AREA。

1.3 設(shè)計(jì)環(huán)境條件

船東根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，提出選礦船的設(shè)計(jì)環(huán)境條件如下：

大氣溫度：封閉空間

0～45 ℃

露天空間

-1～45 ℃

電氣設(shè)備

最大55 ℃

海水溫度

15～32 ℃

相對(duì)濕度

10%～100%

2 總體布置

選礦船主要有船體、發(fā)電系統(tǒng)、配電及控制系統(tǒng)、選礦工藝系統(tǒng)、物料(包括原礦砂、粗精礦、精礦、尾礦等)輸送系統(tǒng)、起吊設(shè)備、定位裝置、上中下操作平臺(tái)、辦公生活及附屬設(shè)施等構(gòu)成，其布置見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 60 m選礦船艙底視圖

圖2 60 m選礦船主甲板視圖

圖3 60 m選礦船設(shè)備甲板視圖

本船主甲板近似長(zhǎng)方形，其上方主要布置選礦設(shè)備及其廠房，主船體相當(dāng)于選礦廠房的基礎(chǔ)。為了節(jié)省空間，艙室布置應(yīng)緊湊合理，滿(mǎn)足選礦工作需求。從選礦船的工作特點(diǎn)出發(fā)，盡量把與選礦無(wú)關(guān)的艙室布置在主甲板以下，使主甲板上有較大的面積用于安裝設(shè)備、排布管系、方便施工。基于此原則，本船的艙室布置如下：

(1)主甲板以下。艉尖艙橫向分隔為3個(gè)壓載艙：中部艉壓載艙容約為310 m3，左右艉壓載艙容均約為220 m3。艉尖艙前部中間設(shè)機(jī)艙，左右為空艙。左右空艙內(nèi)各分隔出左右燃油艙，左右燃油艙的艙容約為86 m3。機(jī)艙前方為尾礦泵艙。從安全、使用和維護(hù)的角度出發(fā)，機(jī)艙和泵艙通過(guò)異形橫艙壁予以分隔，泵艙兩側(cè)均為空艙。尾礦泵通過(guò)管路連接嵌入到主船體內(nèi)的漏斗形尾礦艙，可以將艙內(nèi)的尾礦排至回填區(qū)域。尾礦艙的兩側(cè)和前方均為空艙。船首中間為空艙，空艙內(nèi)分隔有淡水艙、污水艙、與海水直接連通的取水池。艏尖艙橫向分隔為3個(gè)壓載艙。

本船在拖航和工作狀態(tài)下，船舶重心縱向和橫向位置變化大。通過(guò)首尾及其左右壓載艙壓載水的調(diào)節(jié)，可以保證在各狀態(tài)下船舶基本平浮。

(2)主甲板以上主要為作業(yè)區(qū)域，設(shè)有整套選礦設(shè)備、集裝箱式發(fā)電機(jī)組、集裝箱式配電室、值班室、預(yù)留實(shí)驗(yàn)室等艙室及設(shè)施。為便于船舶的左右舷方便快捷地?？烤V轉(zhuǎn)運(yùn)駁船，艏艉部布置導(dǎo)繩裝置，將與定位錨相連的鋼絲繩由船底導(dǎo)入到主甲板上，并與中部的絞車(chē)相連，實(shí)現(xiàn)本船的定位。本船在國(guó)內(nèi)建造，建造完成后需要通過(guò)半潛船浮運(yùn)至斐濟(jì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，因此艏艉部的導(dǎo)繩裝置可以旋轉(zhuǎn)收至主甲板上，防止裝置超過(guò)船底，使選礦船無(wú)法固定在半潛船上?？拷笥蚁蟼?cè)布置帶纜樁等系泊設(shè)備。主甲板以上設(shè)有機(jī)艙入口。

3 選礦系統(tǒng)及工藝

3.1 選礦系統(tǒng)布置

選礦系統(tǒng)主體位于主甲板以上，自上而下分6層布置。

(1)距主甲板12.2 m高平臺(tái)布置采礦礦漿管道，以及2個(gè)分礦箱、2臺(tái)振動(dòng)篩、6臺(tái)精磁選機(jī)。

(2)距主甲板8.2 m高平臺(tái)布置緩沖斗、細(xì)篩分礦器。

(3)距主甲板4.2 m高平臺(tái)布置2個(gè)高頻振動(dòng)細(xì)篩。

(4)距主甲板1.6 m高平臺(tái)布置8臺(tái)粗磁選機(jī)。

(5)主甲板布置1個(gè)精礦艙、3只取水泵。

(6)主甲板以下的底艙布置1個(gè)尾礦泵艙、1個(gè)尾礦艙、2個(gè)粗精礦艙、2只粗精礦泵。

3.2 選礦工藝

海底原礦砂經(jīng)采礦船采用斗輪挖掘出來(lái)并經(jīng)管道輸送到選礦船上的振動(dòng)篩進(jìn)行除渣。篩下的礦砂漿，流入到緩沖斗并自流到粗磁選機(jī)，進(jìn)行一級(jí)粗磁選作業(yè)。經(jīng)粗磁選機(jī)選出的粗精礦，自流到粗精礦艙內(nèi)，再經(jīng)粗精礦泵通過(guò)管道泵送至二級(jí)磁選的精磁選機(jī)，粗選尾礦進(jìn)入尾礦艙，通過(guò)尾礦泵經(jīng)排尾系統(tǒng)回填至海底采空區(qū)，可以基本恢復(fù)海底地貌。

粗精礦經(jīng)精磁選機(jī)精選后，礦砂自流到細(xì)篩分礦器，再自流到高頻振動(dòng)細(xì)篩，篩下的礦砂漿自流精礦泵艙中，并通過(guò)精礦泵泵送至兩側(cè)輸送帶，再由船舶兩側(cè)的裝船臂輸送到專(zhuān)用駁船上轉(zhuǎn)運(yùn)。精選機(jī)的溢流和二級(jí)磁選的尾礦自流到尾礦艙中復(fù)填海底。

4 選礦設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)及廠房設(shè)計(jì)

選礦設(shè)備的支撐結(jié)構(gòu)布置在船中Fr16至船首，總長(zhǎng)約46 m，總寬約17 m，總高約21 m。根據(jù)選礦系統(tǒng)功能需要，整個(gè)支撐裝置由粗磁選機(jī)支撐平臺(tái)、高頻振動(dòng)細(xì)篩支撐平臺(tái)、緩沖斗和細(xì)篩分礦器支撐平臺(tái)、振動(dòng)篩及精磁選機(jī)用支撐平臺(tái)、遮陽(yáng)用頂棚、設(shè)備底座及通道平臺(tái)等部分組成，將選礦系統(tǒng)由上至下分成4個(gè)功能區(qū)域。

由于選礦船作業(yè)區(qū)域高熱、多風(fēng)、潮濕和鹽霧等環(huán)境特點(diǎn)，因而選礦設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為敞開(kāi)型的桁架支撐式結(jié)構(gòu)，以減少受風(fēng)面積并降低自重。各層平臺(tái)之間采用圓形支柱支撐連接，平臺(tái)及支柱桁架構(gòu)成整體型結(jié)構(gòu)，并適當(dāng)設(shè)置斜撐，增加平臺(tái)的整體剛度，以抵抗因橫搖、縱搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩等產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)載荷。

4.1 粗磁選機(jī)支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)和通道平臺(tái)

粗磁選機(jī)支撐平臺(tái)結(jié)構(gòu)位于礦艙礦泵區(qū)的上方，平臺(tái)上布置粗磁選機(jī)及其相關(guān)管路。該層平臺(tái)除用于支撐粗磁選機(jī)系統(tǒng)以外，還支撐由上層作業(yè)平臺(tái)傳遞來(lái)的載荷。同時(shí)，該層平臺(tái)也是開(kāi)展選礦工作的主要巡查平臺(tái)，因此支撐柱同樣采用圓柱形支柱并從粗磁選機(jī)支撐平臺(tái)一直延伸到最上層平臺(tái)。這樣既能保證平臺(tái)的強(qiáng)度和巡查通道暢通，又能使粗磁選機(jī)布置緊湊。

4.2 高頻振動(dòng)細(xì)篩和緩沖斗等支撐平臺(tái)

高頻振動(dòng)細(xì)篩支撐平臺(tái)、緩沖斗和細(xì)篩分礦器支撐平臺(tái)位于選礦設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)中部。為了要起到支撐上部平臺(tái)的作用，又要能方便平臺(tái)下方設(shè)備維修或更換時(shí)拆卸，設(shè)計(jì)成一個(gè)由工字型材與支柱連接加局部平臺(tái)板型式，避免形成一層滿(mǎn)實(shí)的平臺(tái)，為下方設(shè)備的起吊與維修，留有足夠的操作空間。高頻振動(dòng)細(xì)篩因?yàn)檎駝?dòng)頻率非常高，振動(dòng)比較大，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求很高，所以增設(shè)支柱至主甲板加強(qiáng)，并用桁架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)支柱，減小設(shè)備振動(dòng)，以便為工作人員提供較舒適的工作環(huán)境。

4.3 振動(dòng)篩支撐平臺(tái)

振動(dòng)篩不僅重量重、體積龐大，而且需要布置在整套選礦系統(tǒng)的最上方，因此振動(dòng)篩支撐平臺(tái)承受的重力和船舶運(yùn)動(dòng)加速度均較大。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，其支撐的圓柱形支柱必須從該層平臺(tái)一直延伸到主船體的主甲板以下，使得受力能有效傳遞至主船體。同時(shí)該層平臺(tái)采用桁架與板架相互結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，保證其有足夠的強(qiáng)度和剛度。

4.4 遮陽(yáng)頂棚

為了給選礦作業(yè)人員提供舒適并安全的環(huán)境，在支撐結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置了暢通式的桁架結(jié)構(gòu)遮陽(yáng)頂棚，桁架上方敷設(shè)彩鋼板，既可以覆蓋工作區(qū)域，又可在整個(gè)選礦系統(tǒng)區(qū)域使用頂部的起吊行車(chē)。因遮陽(yáng)頂棚高度較高，受風(fēng)面積較大，支柱上部采用斜桁架相互連接并與內(nèi)部各層支撐平臺(tái)連接，以增強(qiáng)整個(gè)選礦設(shè)備支撐平臺(tái)的強(qiáng)度。根據(jù)該頂棚四面均可能受風(fēng)的特點(diǎn)，以及作業(yè)海域的風(fēng)暴情況，為頂棚設(shè)計(jì)了一種新型的輕型抗風(fēng)固定裝置。輕型頂棚抗風(fēng)固定裝置由壓條、橡膠密封圈、彩鋼板、自攻螺絲、檁條及頂棚的桁架結(jié)構(gòu)等組成抗風(fēng)固定裝置。檁條固定并焊接在頂棚桁架結(jié)構(gòu)上，與檁條對(duì)應(yīng)的彩鋼板上加設(shè)壓條，通過(guò)自攻螺絲將壓條、彩鋼板、橡膠密封圈及檁條等連為一體，使每根檁條方向上的成排自攻螺絲與檁條、壓條等組成一個(gè)相對(duì)剛性的“加固整體”，大大增加了固定點(diǎn)處的彩鋼板受力面積。同時(shí)，頂棚在承受向上風(fēng)壓時(shí)，可以由該“加固整體”受力，有效地降低了因不均勻載荷而導(dǎo)致局部載荷過(guò)大的風(fēng)險(xiǎn)，使整個(gè)輕型頂棚抗風(fēng)裝置能夠承受住作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)暴載荷。

對(duì)選礦設(shè)備支撐結(jié)構(gòu)整體建模并進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，結(jié)果表明，各結(jié)構(gòu)應(yīng)力均滿(mǎn)足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

5 實(shí)船建造與使用

60 m專(zhuān)用選礦船由江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司完成技術(shù)研發(fā)及設(shè)計(jì)，并配合江蘇省鎮(zhèn)江船廠(集團(tuán))有限公司完成船舶建造、調(diào)試和交付。本船于2017年建造下水，并于2018年年初完成傾斜試驗(yàn)、2臺(tái)發(fā)電機(jī)的負(fù)載試驗(yàn)、各機(jī)電系統(tǒng)的效用試驗(yàn)、選礦設(shè)備試驗(yàn)等各種試驗(yàn)。

本船與其他配套船舶于2018年5月完成船廠交船儀式，并拖帶至南通由半潛船裝船，運(yùn)輸至斐濟(jì)現(xiàn)場(chǎng)。

本船及其配套船舶到達(dá)斐濟(jì)施工現(xiàn)場(chǎng)后，經(jīng)過(guò)2個(gè)月各系統(tǒng)的冷調(diào)試驗(yàn)，正式參與熱調(diào)采選礦，各系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

60 m專(zhuān)用選礦船是現(xiàn)今國(guó)內(nèi)建造的最大專(zhuān)用選礦平臺(tái)，與配套船舶形成了完整的采選礦系統(tǒng)，代表了當(dāng)今沿海砂礦選礦的先進(jìn)水平。本文主要從以下幾個(gè)方面詳細(xì)敘述了該選礦船的設(shè)計(jì)：

(1)描述了60 m專(zhuān)用選礦船的總體布置及其主要量度，以及如何根據(jù)使用要求對(duì)主要量度進(jìn)行優(yōu)化，確保本船在滿(mǎn)足作業(yè)需求的前提下具有良好的船舶性能。

(2)選礦系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分依據(jù)選礦工藝流程，對(duì)選礦設(shè)備的分層布置和維修便利性等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的敘述和分析。

(3)根據(jù)選礦設(shè)備的布置和工藝流程，完成了選礦設(shè)備支撐的結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析。分析結(jié)果表明，支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，強(qiáng)度和剛度均滿(mǎn)足使用要求。

(4)通過(guò)對(duì)實(shí)船建造、轉(zhuǎn)運(yùn)以及實(shí)船投運(yùn)的敘述，說(shuō)明本船的建造獲得成功，為后續(xù)設(shè)計(jì)同類(lèi)型船舶，甚至采選一體化大型海洋工程平臺(tái)提供了設(shè)計(jì)思路和有益指導(dǎo)。