王安義 李 娜 孫曉暉 周忠祥 楊 鵬

(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2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司3.武漢船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司4.中國(guó)船艦研究設(shè)計(jì)中心)

王安義,李娜,孫曉暉,等.深海采礦船水面支持布放回收系統(tǒng)研制.石油機(jī)械,2022,50(11):66-72.

0 引言

目前,在海洋礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)中,最有經(jīng)濟(jì)意義且最具發(fā)展前景的是海洋油氣資源與多金屬結(jié)核等礦物資源的開(kāi)發(fā)。我國(guó)海域遼闊,礦產(chǎn)資源豐富,同時(shí)按照《聯(lián)合國(guó)海洋公約》的規(guī)定,國(guó)際海域主張誰(shuí)投資誰(shuí)占有,誰(shuí)開(kāi)發(fā)誰(shuí)受益的規(guī)則,為了保證我國(guó)的海洋權(quán)益,必須加大深海采礦裝備相關(guān)技術(shù)的研究,突破深海采礦裝備設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù),完成工程樣機(jī)制造,實(shí)現(xiàn)深海礦產(chǎn)資源的自主開(kāi)發(fā)[1-3]。

研究表明,最適合我國(guó)深海多金屬結(jié)核礦開(kāi)采的方式為自行式集礦機(jī)+管道提升采礦方案。該采礦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)備安全而高效的入水布放和出水回收功能[4]。為了實(shí)現(xiàn)3 000 m作業(yè)水深時(shí),水下采礦設(shè)備(如中繼站、提升泵、復(fù)合臍帶纜、揚(yáng)礦管等)安全而高效的布放與回收,寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司研制出了國(guó)內(nèi)首套最大靜載荷為4 500 kN的深海采礦船水面支持布放回收系統(tǒng),部分設(shè)備提升能力達(dá)5 850 kN,預(yù)留升級(jí)空間。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)安全、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠以及作業(yè)高效的特點(diǎn)。

1 技術(shù)分析

1.1 技術(shù)要求

水面支持布放回收系統(tǒng)安裝在采礦船上,其設(shè)計(jì)主要滿足預(yù)定海況下(最大作業(yè)海況5級(jí))集礦子系統(tǒng)與水力提升子系統(tǒng)的布放、回收以及揚(yáng)礦管連接等作業(yè)需求,同時(shí)滿足生存海況不小于6級(jí),抗風(fēng)力不低于12級(jí)的要求。

1.2 總體技術(shù)方案

水面支持布放回收系統(tǒng)主要包括塔架及底座平臺(tái)、提升系統(tǒng)、揚(yáng)礦管自動(dòng)化處理系統(tǒng)、集成控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和其他輔助設(shè)備等。系統(tǒng)布置方案如圖1所示。

圖1 水面支持布放回收系統(tǒng)布置方案Fig.1 Scheme diagram of surface support placement and recovery system

采用塔架及底座平臺(tái)作為系統(tǒng)的主承載結(jié)構(gòu),滿足大噸位水下采礦設(shè)備布放回收作業(yè)能力和作業(yè)空間的需求。配置天車(chē)、提升絞車(chē)、一體式游車(chē)大鉤、死繩固定器、鋼絲繩等組成的多繩系提升系統(tǒng),最大載荷能力4 500 kN,滿足水下采礦設(shè)備提升下放的需求。配套抓管機(jī)、水平動(dòng)力貓道、鐵鉆工、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、液壓卡瓦、綜合液壓站等機(jī)械化設(shè)備,通過(guò)集成控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)揚(yáng)礦管全過(guò)程自動(dòng)化輸送及下放作業(yè)需求;采用雙座椅水面集控室,分別操作絞車(chē)提升下放與揚(yáng)礦管輸送作業(yè),實(shí)現(xiàn)了提升系統(tǒng)與揚(yáng)礦管輸送的獨(dú)立高效操作。

電控系統(tǒng)接收船方2路690 V/50 Hz/3 P/3 W交流電,采用全數(shù)字式交流變頻調(diào)速裝置,由2臺(tái)整流單元將交流母排上的690 VAC交流電轉(zhuǎn)換成930 VDC直流電,輸出到公共直流母排上(公共直流母排帶絕緣檢測(cè)系統(tǒng));再由2臺(tái)逆變單4元將直流母排上的930 VDC直流電轉(zhuǎn)換成電壓0～600 VAC、頻率0～150 Hz連續(xù)可調(diào)的交流電,對(duì)絞車(chē)提升系統(tǒng)進(jìn)行控制,其中絞車(chē)交流變頻電動(dòng)機(jī)采用一對(duì)一控制方式(該絞車(chē)為帶一擋減速箱形式的絞車(chē),采用2臺(tái)1 000 kW交流變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)性能滿足絞車(chē)傳動(dòng)要求。

配置外圍設(shè)備監(jiān)控單元、擴(kuò)音對(duì)講系統(tǒng)等其他輔助設(shè)備,配合完成整個(gè)布放回收系統(tǒng)的安全可靠作業(yè)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

適應(yīng)作業(yè)水深3 000 m;最大靜載荷4 500 kN;提升絞車(chē)輸入功率2 000 kW;提升系統(tǒng)繩系為6×7;鋼絲繩直徑38 mm;塔型井架有效高度32 m;底座臺(tái)面高度/凈空13.0 m/11.5 m;支撐盤(pán)通徑1 257.3 mm;揚(yáng)礦管處理系統(tǒng)適應(yīng)管柱直徑245.0 mm/273.05 mm;單根揚(yáng)礦管長(zhǎng)度9 m;管船柔性連接裝置額定工作載荷4 000 kN;傳動(dòng)方式設(shè)計(jì)為AC-VFD-AC;電制690 V、380 V、220 V/50 Hz。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 水下采礦設(shè)備布放回收技術(shù)

水下采礦設(shè)備主要包括集礦車(chē)、中繼站、過(guò)渡短節(jié)、提升泵和揚(yáng)礦管(若干)等,揚(yáng)礦管的數(shù)量與水深有關(guān),水越深需要的揚(yáng)礦管數(shù)量越多。除集礦車(chē)通過(guò)采礦船尾部的A架進(jìn)行布放回收外,其余設(shè)備均通過(guò)本系統(tǒng)進(jìn)行布放與回收。布放與回收工藝設(shè)計(jì)主要考慮的因素有設(shè)備外形尺寸、設(shè)備質(zhì)量和連接可靠性、布放回收快速高效性?？紤]到中繼站體積和質(zhì)量大的因素,通過(guò)月池臺(tái)車(chē)將中繼站輸送至底座平臺(tái)底部井口中心,然后通過(guò)提升系統(tǒng)提起揚(yáng)礦管與其連接進(jìn)行布放;為了保證系統(tǒng)設(shè)備的安全可靠連接,中繼站與揚(yáng)礦管、揚(yáng)礦管與提升泵均采用法蘭螺栓連接;為了提高布放回收效率,揚(yáng)礦管與揚(yáng)礦管之間采用螺紋連接[5];為了節(jié)省前期準(zhǔn)備時(shí)間,揚(yáng)礦管采用雙單根一立柱的形式。水下采礦設(shè)備系統(tǒng)連接如圖2所示。

圖2 水下采礦設(shè)備連接圖Fig.2 Connection diagram subsea mining equipment

2.2 栓接式動(dòng)態(tài)塔架設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)塔架采用塔形結(jié)構(gòu),由H型鋼作塔架體立柱。整個(gè)塔架體由4根立柱和若干橫、斜腹桿經(jīng)高強(qiáng)度螺栓連成一個(gè)整體,具有承載能力大、整體穩(wěn)定性好的特點(diǎn),適用于深海復(fù)雜作業(yè)海況[6]。塔架依據(jù)API Spec 4F標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),最大靜載荷5 850 kN,預(yù)留了升級(jí)空間。塔架凈空高32 m,滿足一體式游鉤裝置提升雙單根揚(yáng)礦管立柱進(jìn)行作業(yè)的要求,并預(yù)留底座臺(tái)面揚(yáng)礦管的上卸扣操作空間和游動(dòng)系統(tǒng)防碰高度空間。

塔架頂部用于安放天車(chē)。塔架靠船艏側(cè)方向設(shè)計(jì)成V形結(jié)構(gòu),滿足揚(yáng)礦管的輸送和傳遞作業(yè)。塔架靠船艉側(cè)方向安裝一體式游鉤裝置導(dǎo)軌,使得游動(dòng)系統(tǒng)平穩(wěn)有序地上提下放作業(yè),從而保證水下采礦設(shè)備在井口連接時(shí)安全可靠。栓接式動(dòng)態(tài)塔架如圖3所示。

圖3 栓接式動(dòng)態(tài)塔架Fig.3 Bolted dynamic derrick

2.3 大跨距高臺(tái)面底座設(shè)計(jì)

底座采用支腿桁架結(jié)構(gòu),由4個(gè)支腿和上座組成,具有高臺(tái)面、大跨距的特點(diǎn)。每個(gè)支腿采用倒三角結(jié)構(gòu),整體穩(wěn)定性好,滿足大尺寸中繼站的轉(zhuǎn)運(yùn)要求;上座為箱塊式結(jié)構(gòu),臺(tái)面開(kāi)闊,便于工作人員在臺(tái)面上操作,以及安裝提升絞車(chē)、水面集控室、VFD房、綜合液壓站、井口設(shè)備、張緊器及其鋼絲繩導(dǎo)輪等設(shè)備。底座依據(jù)API Spec 4F標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),最大額定靜載荷5 850kN,預(yù)留了升級(jí)空間。底座凈空高達(dá)11.5 m,綜合考慮了中繼站高度、月池臺(tái)車(chē)高度和操作空間等。底座臺(tái)面高度13 m,主要考慮井口中心承載以及鋼絲繩式張緊器在臺(tái)面安裝并承載的要求。大跨距高臺(tái)面底座如圖4所示。

圖4 大跨距高臺(tái)面底座Fig.4 Large-span and high-platform base

2.4 一體式游車(chē)大鉤設(shè)計(jì)

游車(chē)大鉤采用一體式結(jié)構(gòu)[7],主要由游車(chē)大鉤、導(dǎo)向滑車(chē)、導(dǎo)軌總成、定位鎖緊機(jī)構(gòu)、吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)等組成。游車(chē)大鉤依據(jù)API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),最大靜載荷5 850 kN,預(yù)留了升級(jí)空間。滑輪數(shù)7個(gè)。游車(chē)大鉤設(shè)計(jì)有二維旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),在采礦船隨波浪橫搖時(shí),鉤體和筒體可以相對(duì)旋轉(zhuǎn);在采礦船隨波浪縱搖時(shí),吊環(huán)相對(duì)鉤體的副鉤可以旋轉(zhuǎn),始終保持吊環(huán)、吊具和揚(yáng)礦管處于豎直狀態(tài)。定位鎖緊機(jī)構(gòu)和吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)吊環(huán)、吊卡和揚(yáng)礦管自動(dòng)前、后傾斜作業(yè),配合動(dòng)力貓道和鐵鉆工,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管子處理作業(yè),極大減輕底座臺(tái)面工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。一體式游車(chē)大鉤如圖5所示。

圖5 一體式游車(chē)大鉤Fig.5 Hook block assembly

2.5 雙座椅水面集控室設(shè)計(jì)

水面集控室為布放回收系統(tǒng)的控制中心,融機(jī)、電、液、氣、計(jì)算機(jī)及通信、人機(jī)工程等技術(shù)于一體[8],主要集成安裝了室內(nèi)配電系統(tǒng)、氣控制系統(tǒng)、電傳動(dòng)控制系統(tǒng)、動(dòng)力貓道控制系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)、盤(pán)剎控制系統(tǒng)等控制元件或顯示終端。室內(nèi)設(shè)計(jì)了主操作椅和輔助操作椅,主操作椅主要控制設(shè)備包括絞車(chē)、盤(pán)剎、工業(yè)監(jiān)視系統(tǒng)、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)、動(dòng)力卡瓦鐵鉆工;輔助操作椅主要控制動(dòng)力貓道。該集控室的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水下采礦設(shè)備布放回收操作和揚(yáng)礦管自動(dòng)化輸送分別獨(dú)立作業(yè),提高了作業(yè)效率和安全性。雙座椅水面集控室如圖6所示。

圖6 雙座椅水面集控室Fig.6 Water surface center control room with double seats

2.6 揚(yáng)礦管自動(dòng)化處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

揚(yáng)礦管自動(dòng)化處理系統(tǒng)[9-10]輸送作業(yè)主要分為4個(gè)步驟:①揚(yáng)礦管從船體主甲板到水平動(dòng)力貓道。該過(guò)程配套折臂抓管機(jī),完成揚(yáng)礦管從儲(chǔ)管架到水平動(dòng)力貓道的調(diào)運(yùn),抓管機(jī)最大載荷達(dá)80 kN,水平動(dòng)力貓道輸送最大管柱重力100 kN。②從水平動(dòng)力貓道到底座臺(tái)面中心。該過(guò)程配套設(shè)備為水平動(dòng)力貓道,水平動(dòng)力貓道主車(chē)最大行程4 m,最大速度0.5 m/s。③從底座臺(tái)面中心水平狀態(tài)到豎直狀態(tài)。該過(guò)程配套水平動(dòng)力貓道扶正臂、一體式游車(chē)大鉤和液壓翻轉(zhuǎn)吊卡,吊環(huán)最大前傾角度35°,完成揚(yáng)礦管從水平到豎直的翻轉(zhuǎn)。④揚(yáng)礦管對(duì)接。該過(guò)程配套鐵鉆工、動(dòng)力卡瓦和一體式游鉤,完成揚(yáng)礦管上卸扣作業(yè)。

上述過(guò)程中步驟①由折臂抓管機(jī)自帶的操作室獨(dú)立完成,步驟②、步驟③、步驟④在水面集控室進(jìn)行集成操控。另外還需配置綜合液壓站,為各液壓設(shè)備提供液壓源。揚(yáng)礦管自動(dòng)化處理系統(tǒng)布置如圖7所示。

圖7 揚(yáng)礦管自動(dòng)化處理系統(tǒng)布置圖Fig.7 Layout diagram of automatic operation system of lifting pipe

3 驗(yàn)證與試驗(yàn)

3.1 分析計(jì)算

布放回收系統(tǒng)塔架、底座設(shè)計(jì)計(jì)算遵循美國(guó)石油學(xué)會(huì)APISpec 4F(第4版)標(biāo)準(zhǔn)及美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)AISC(335—1989)中的有關(guān)規(guī)定。本文采用有限元分析軟件ANSYS,分別對(duì)操作工況和風(fēng)暴工況進(jìn)行了強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明,所有工況下塔架、底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性均符合要求,其中操作工況下最大UC值為0.877(API Spec 4F標(biāo)準(zhǔn)允許UC值為1),風(fēng)暴工況下最大UC值為0.95。塔架及底座主體結(jié)構(gòu)模型如圖8所示。

圖8 塔架、底座主體結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Main structure model of derrick and base

此外,還對(duì)布放回收系統(tǒng)中的一體式游車(chē)大鉤承載能力及抓管吊機(jī)抓管作業(yè)進(jìn)行分析計(jì)算,結(jié)果均滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

3.2 廠內(nèi)試驗(yàn)和碼頭試驗(yàn)

布放回收系統(tǒng)研制完成后,在寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司試驗(yàn)井場(chǎng)進(jìn)行了主承載結(jié)構(gòu)的型式試驗(yàn)和系統(tǒng)出廠功能試驗(yàn),主要有塔架及天車(chē)型式試驗(yàn)、底座型式試驗(yàn)、一體式游鉤型式試驗(yàn)、提升絞車(chē)型式試驗(yàn);系統(tǒng)防碰、急停、互鎖、報(bào)警功能試驗(yàn),液壓系統(tǒng)控制功能試驗(yàn),液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、液壓卡瓦等功能試驗(yàn),以及提升絞車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)等。廠內(nèi)組裝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。型式試驗(yàn)載荷從3 500 kN開(kāi)始,每個(gè)載荷值加載3次,每次加載保持3 min,然后依次遞增500 kN載荷重復(fù)上述加載次數(shù)和時(shí)間,直到試驗(yàn)載荷值達(dá)到最大載荷5 850 kN,且只進(jìn)行一次最大載荷值的加載試驗(yàn)。試驗(yàn)中塔架及底座最大測(cè)試應(yīng)力196 MPa,天車(chē)中心線與底座臺(tái)面中心的位置度20 mm;提升絞車(chē)的最大快繩拉力試驗(yàn)載荷為480 kN,試驗(yàn)后提升絞車(chē)主承載件關(guān)鍵焊縫完好,剎車(chē)系統(tǒng)無(wú)變形。系統(tǒng)各項(xiàng)功能性試驗(yàn)過(guò)程正常,符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 廠內(nèi)組裝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.9 Factory assembly test site

布放回收系統(tǒng)出廠后在張家港碼頭完成了裝船作業(yè),碼頭組裝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10所示。

圖10 碼頭組裝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.10 Dock assembly test site

進(jìn)行了單元部件功能試驗(yàn)及系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn),主要有提升絞車(chē)、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、吊環(huán)傾斜裝置、液壓卡瓦、液壓扳手、抓管吊機(jī)等設(shè)備功能試驗(yàn),系統(tǒng)防碰、急停、互鎖、報(bào)警功能試驗(yàn),揚(yáng)礦管對(duì)接和拆卸試驗(yàn);以及布放回收系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn)。其中雙單根揚(yáng)礦管立柱從儲(chǔ)管架至井口中心與井口處的揚(yáng)礦管完成對(duì)接時(shí)長(zhǎng)約170 s。試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)要求。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的法蘭螺栓連接和螺紋連接搭配的水下設(shè)備連接工藝,既保證了水下設(shè)備間連接的可靠性,又可提高水下設(shè)備布放回收的效率。

(2)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)揚(yáng)礦管從管柱堆場(chǎng)到井口中心全過(guò)程自動(dòng)化輸送作業(yè),自動(dòng)化程度高,提高了作業(yè)的安全性,減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)研制的布放回收系統(tǒng)整體性能優(yōu)越,滿足作業(yè)水深3 000 m,最大作業(yè)海況5級(jí)、生存海況不小于6級(jí),抗風(fēng)力不低于12級(jí)的深海采礦作業(yè)要求。

(4)布放回收系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、關(guān)鍵設(shè)備制造工藝、系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證等相關(guān)技術(shù),可為其他噸位級(jí)別的采礦船布放回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造提供參考。