深海采矿船存储转运系统关键技术研究

杨 蓓，林 强，杜新光

(1.上海市东方海事工程技术有限公司，上海 200011；2.中国船舶科学研究中心 上海分部，上海 200011)

0 引言

在陆地资源日益枯竭的今天，深海海底蕴藏的丰富矿产资源是人类社会和经济可持续发展必不可少的重要接替资源。资料显示，该海底蕴藏着丰富的稀土、钴和金属结核等矿产资源，其战略价值和军事价值引起全世界各国的高度重视[1]。当前国际社会对深海采矿的热情日益高涨，世界各国围绕海洋战略空间拓展、资源占有和科学技术发展的竞争越演越烈。但要开采海底的资源，必须有相应的平台或船舶、采集及输送设备作为辅助。深海采矿船是海上采矿生产支持与控制的母船，是深海矿物开采系统中最为重要的水面支持系统[1]。采矿船的存储和转运效率是直接决定整个深海采矿系统能否连续、源源不断地进行海底矿物开采的重要指标，矿物转储系统是保证矿物从水面转运到陆地的关键环节，具有设备多、空间规模大、重量大以及结构布局复杂的特点。20世纪初，船上装有存储转运系统的自卸船首次在北美大湖区出现。由于能适应复杂环境条件，自卸船逐渐成为北美地区主要的散货运输方式。我国在20世纪80年代开始设计制造自卸船。根据相对应散货船型，我国开发了17 500载重吨、30 000载重吨、50 000载重吨、72 500载重吨等型号的自卸式散货船[2]。深海采矿船与自卸式散货船的作业方式及作业环境有很大的不同。深海采矿船需要长期在远海作业，遭遇极端恶劣海况的概率极高，因而对存储转运设备在甲板上的布置及运动的稳定性要求很高。本文在调研分析输送装备的现状基础上，提出研发深海采矿船存储转运系统应遵循的设计思路，尤其对影响深海采矿船航行安全性的存储转运系统的布矿、安全性、检测系统等因素进行研究，借此推动深海采矿船存储转运系统向智能化发展。

1 深海采矿船存储转运系统概况

矿物转储系统的作用是将脱水处理后的矿物通过几个子系统的联动作用，实现矿物在采矿船货舱内短暂存储，并在运输船抵达之后能够顺利的、连续的向运输船进行矿物转运。

存储转运系统由两个子系统组成：矿物存储系统和矿物转运系统。矿物存储系统根据功能分为分舱和布矿系统，矿物转运系统根据功能分为回收、提升和转运系统。系统组成见图1。

图1 存储转运系统组成

深海采矿船存储转运系统的作业模式主要是将采集上来的矿石经脱水后，通过分舱系统输送至指定的舱内，经布舱系统的合理分布垛堆位置，使矿物在舱内分布相对均匀，避免船体发生倾斜。矿物在舱内作短暂的存储后，由回收系统将舱内的矿物回收后提供给提升系统。提升系统将矿物由舱内提升至甲板上，并由转运系统输送给驳运船运至陆上。矿物转储系统是保证矿物从水面转运到陆地的关键环节，其工艺流程一般为：分舱→布矿→回收→提升→转运→驳运船→陆上，见图2。

图2 存储转运系统工作流程

2 深海采矿船存储转运系统设备现状

深海采矿船作为采矿作业的生产和矿物的存储母船，是整套采矿作业系统的中枢环节，不仅需要采矿系统、扬矿系统，还需对采集到的矿物进行脱水处理，提供矿物存储空间，并能适时将矿物转运至驳运船以便运输至陆地。

全球首艘深海采矿船由福建马尾造船股份有限公司建造，主要用于深海多金属硫化物的开采，具备在2 500 m深海区域采矿作业的能力，可以装载矿货39 000 t。该船配置完整的深海矿物采/集系统、矿物提升系统、矿物脱水系统和矿物储存转运系统等作业系统[3]。该船绝大部分关键设备由国外设计和提供，矿物的存储转运系统的设备亦由国外设计及提供。系统包含可逆式皮带机、堆垛设备、铲斗机、斗提机和伸缩式装船机等输送设备。

国内深海采矿船的研究工作处于起步阶段，尚没有用于深海采矿船的专用存储转运系统设备，现有的大量输送设备在陆地上使用。根据深海采矿船存储转运系统的作业流程，五个子系统有着各自的功能，根据各子系统特点，选择与之相适应的设备。

分舱系统的作用是将预处理后的矿石通过输送设备群输送到指定舱，可采用可逆式皮带输送机和带式输送机等设备群。带式输送机是一种利用连续而具有挠性的输送带不停地运转来输送物料的输送机。带式输送机的输送能力大，单机长度长，能耗低，结构简单，运行可靠，可以长时间连续作业，便于维护，是应用最广、产量最大的一种输送机[4]。可逆式皮带输送机是带式输送机的特殊形式，通过改变电机的旋转方向可改变输送方向，实现双向输送。

布矿系统的作用主要是保证矿石在舱内分布合理、均匀，减少空舱率。系统包括堆垛设备以及相对应的电控系统。因矿物有堆积角，矿物在投放入舱时需考虑增加舱容。本系统可使用埋式刮板机或专用的堆垛机进行布矿。埋刮板输送机是借助于在封闭的壳体内运动着的刮板链条而使散体物料按预定目标输送的运输设备，它具有体积小、密封性强、对物料损伤小、刚性好、工艺布置灵活、安装维修方便、能多点加料和多点卸料等优点。采用埋式刮板机多点投料，可以达到增加舱容的目的[4]。基于这一目的，可研发专用堆垛机，利用皮带输送机的原理实现连续不间断的布矿，通过改变皮带的速度来改变矿物投料距离，并通过旋转来改变矿物的投料方向，配合检测系统，可自动、高效、合理地对矿物进行布舱。

回收系统的作用是将散落在舱内各处的矿石收集起来，提供给提升系统。常用的设备有双排铲斗输送机、刮板机和带式输送机等。双排铲斗输送机、刮板机适用于平舱底，带式输送机可用于“V”形舱底。“V”形舱底使用重力卸料形式，通过改变船舱底部斗门的开启尺寸来控制矿物的流量[2]，矿物经斗门下部的带式输送机回收后输送至提升系统。带式输送机结构简单，经济性高。带式输送机回收系统形式见图3。

图3 带式输送机回收系统

提升系统的作用是将矿石从舱内提升到甲板上某一高度，以便向船舷外输送。常用的提升方式有皮带输送机和机械式两种。皮带输送机提升主要有倾斜皮带机提升、C型皮带机提升和波形皮带机提升等；机械式提升主要有斗式机提升、螺旋输送机提升、斗轮机提升和抓斗起重机提升等[2]。倾斜皮带机提升、斗轮机提升和抓斗起重机提升设备占据空间大，影响料舱存储容积，因此不适合在深海采矿船上使用。螺旋输送机因输送量较小，不能满足深海采矿船输送量的要求。斗式提升机、C型皮带机提升和波形皮带机提升都能实现垂直提升，但C型皮带机和波形皮带机要清除黏附在输送带上的物料也是很困难的。斗式提升机的突出优点是在提升高度确定后输送路线最短，占地少，横断面小，结构紧凑，有罩壳封闭密封性能好，不扬灰尘，环境污染少，有利环保[4]。

转运系统的作用是将提升到一定高度的矿物转运到驳运船的输送过程。常见的设备有伸缩式装船机、斗轮堆/取料机等。斗轮堆/取料机是利用斗轮连续取料，用机上的带式输送机连续堆料的有轨式装卸机械。它是散状物料(散料)储料场内的专用机械，可与卸车(船)机、带式输送机、装船(车)机组成储料场运输机械化系统。斗轮堆取料机是现代化工业大宗散状物料连续装卸的高效设备，目前已经广泛应用于港口、码头等散料(矿石、煤、焦炭、砂石)存储料场的堆取作业[6]。伸缩式装船机由臂架皮带机、过渡皮带机、伸缩溜筒、俯仰装置、回转装置等组成，它有较大的作业覆盖面和较高的装船效率，对船型的适应性强。伸缩式装船机布置见图4。

图4 伸缩式装船机布置

3 存储转运系统设备的设计

3.1 存储转运系统设计思路

深海采矿船存储转运系统属于物料连续输送，因此它应符合连续输送对设备的工艺要求，即输送能力大、输送距离长等。由于深海采矿船存储转运系统是在特殊的环境和条件下作业，因而设计上还应考虑以下问题。

(1)遵循结构先进、性能可靠、自动化高的设计原则，便于操作和维护管理、信息化和自动化控制。

(2)着重建立各系统间良好的联动机制，实现各系统的良好契合。

(3)在不影响整体采矿系统生产效率的前提下尽可能选用投资少、能耗低、效率高的设备。

(4)具有灵活的存储与转运能力，能够将预处理完的矿物进行合理安置和高效转运，以保证转运过程对采矿船稳性的影响降到最低。

(5)矿物转储系统的转储效率应和海底生产系统的采集效率相匹配，能够保证水下—水面—陆地连续、不间断作业运输。

(6)能够适应由于采矿船自身的运动(如横摇等)对转储系统的影响。

(7)矿物转储系统的维护不影响整体采矿系统的运行。

(8)设备通用化、标准化高，可以适用于不同矿物的输送。

(9)设备需符合自动化作业的安全规则。

3.2 存储转运系统的关键技术

深海采矿船存储转运系统技术可分为通用技术和专用技术。通用技术中包含陆上一些标准的输送设备、控制系统等，可以直接应用于深海采矿船上。但是，解决深海采矿船在恶劣海况以及长期远海作业等特殊环境下所带来的采矿船的航行安全、设备防护等问题的专用技术尤为值得关注，存储转运系统设备的选择、设计应最大程度地保证采矿船航行安全。舱内矿物分布的状况、设备对船舱水密性的影响、设备运行的可靠性等都将直接影响到采矿船的航行安全，由此也给深海采矿船存储转运系统的设计带来风险。

3.2.1 存储转运系统要有合理的布矿技术

矿物装舱后，相对均匀的堆垛分布可减少亏舱，保证较高的舱容率，同时降低了转运过程中由于船的重心不平衡造成船舶倾覆的危险。采矿船在作业过途中遇到风浪产生颠簸，使矿物在货舱内自由移动，造成船舶稳性欠佳，影响采矿船作业以及运输船的航行安全。

矿物从高处自由落下时，会形成一个锥形料堆。该料堆的锥面与水平面形成一个堆积角。对于大堆积角的矿物，通过多点或连续投料方法可以大幅度减少空舱率。多点布矿示意图见图5。矿物在货舱的分布状态、堆高都将直接影响到采矿船的安全，这就要求系统选用专业的堆垛机、实时堆高监测系统，通过专用堆垛机实现矿物在舱内的均匀分布；通过舱内布置的激光雷达检测系统[7]，对矿物的分布进行自动检测、识别与处理，实现矿物投放量及投放点的控制。在布矿过程中，激光雷达对矿物料堆进行间隙扫描，获取矿物堆形轮廓数据，与系统内预先设置的数据进行比较。当矿物的投放量达到内部设定的载荷后，及时改变投料点位置或船舱，从而实现均匀配载。

图5 多点布矿示意图

3.2.2 存储转运系统水密隔舱的安全性

货舱一般为V形船舱。采用波形挡边皮带提升或C型皮带提升(见图6)的存储转运系统，是利用矿物自重进行集料的。该系统通过控制船舱斗口开启的大小来控制矿物的流量，在斗门下的皮带输送机将矿物输送到波形挡边皮带提升机或C型皮带提升机。但是，无论是采用波形挡边皮带提升还是采用C型皮带提升，船底的皮带机都需从船尾纵贯船首，穿过舱壁，破坏了舱壁的水密完整性。

图6 C型皮带提升的存储转运系统[8]

在远洋航行中船舶安全尤为重要。水密隔舱的形式是保证即使有一两个舱破损进水，水也不会流到其他舱区，影响船舶航行。为了保证深海采矿船每个船舱的水密性，需在皮带输送机穿过货舱壁的地方安装专用皮带水密门，把整个通道分成数个水密区间，减少船在破损的情况下，海水通过带式输送机泄漏。

3.2.3 存储转运系统要有必要的检测手段

存储转运系统是多种设备联动的集群，其中一台设备出现问题，都会影响到整个采矿船作业进程甚至瘫痪，因此各设备应设置相应的检测系统、反馈系统，且设备之间应设置联动开关。

带式输送机控制系统中应采取如下安全措施：

(1)为确保带式输送机安全运行和监察，应装设防跑偏系统、断带控制器和打滑检测器。

(2)带式输送机侧边应装设拉线事故开关或固定式事故开关。

(3)对于大功率的带式输送机，应设过流(过载)保护装置。

(4)电气设备要考虑防水、防腐及防爆措施。

3.2.4 船舱形式对设备选型的影响

船舱的形式决定了回收系统设备的类型，同时也决定了舱容的大小。平底舱形常采用侧面出料，这种形式的舱底舱容量大，但需配置收集设备，如双排铲斗输送机加皮带输送机等设备群。“V”底舱形常采用底部出料，为重力集料方式。这种结构采用高分子助流板减小摩擦力，并配置振动器，增加了矿物的流动性[4]，但需要选择合适的船舱倾角。自卸式散货船常采用此形式的舱形。

4 结语

综上所述，为了满足高强度、全天候、恶劣环境长时间作业等需求，深海采矿船存储转运系统的关键设备在需要向自动化、高效化、稳定化等方向发展，同时还需要考虑船舶运动对输送设备的影响以及设备防腐、防爆、安全性等问题。

近年来，随着数字化、信息化技术水平的不断提高，智能船舶的研制已被提上日程。为适应智能船舶的要求，存储转运系统设备的可靠性、智能化水平有待进一步提高，相应的控制技术也有待进一步研究，同时通过提高存储转运系统在各种环境下的作业能力，为推进我国深海采矿事业进一步发展作出贡献。