深海采矿船水下设备布放回收工艺

王安义, 刘 静, 王 兰, 李亚辉, 郭乾坤

(1.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002；2.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002)

0 引 言

目前，在海洋矿产资源开发中，较具有经济意义与发展前景和高技术含量较多的是海洋油气资源与多金属结核等矿物资源的开发。按《联合国海洋法公约》的规定，国际海域主张谁投资谁占有、谁开发谁受益的规则，为保证我国的海洋权益，必须加大深海采矿装备相关技术研究，突破深海采矿装备配套关键技术，支撑海洋采矿装备工程应用，实现深海矿产资源的自主开发[1-3]。

研究表明，目前世界公认的、适合未来商业采矿的方案是基于管道水力提升的深海采矿方案，该方案主要由集矿子系统、水力提升子系统、水面支持子系统、测控与动力子系统构成，其中，水面支持子系统中的核心为布放回收系统，其主要作用是实现集矿子系统和水力提升子系统等水下采矿设备如集矿车、中继仓、提升泵和扬矿管的安全高效入水布放与出水回收功能[4]。目前国内未见深海采矿船水面支持布放回收系统的工程应用，为此，开展适合深海采矿船的水下采矿设备布放回收工艺研究，为深海环境水下采矿设备安全高效的布放与回收系统设计提供技术支撑，为工程应用提供参考。

1 技术分析

水下采矿设备布放回收过程复杂，受海况环境影响较大，布放回收工艺需要根据水下采矿设备的结构形式和布放回收系统布置具体分析，主要分为3个方面：①集矿车和中继仓等大尺寸设备的布放回收工艺；②提升泵和扬矿立管(若干)等细长形设备的布放回收工艺；③集矿车与中继仓之间跨接软管布放回收工艺。扬矿立管的数量与水深相关，水深越大，扬矿立管数量越多。集矿车和中继仓尺寸大、质量大，采用提升设备在船体甲板上进行布放与回收。考虑集矿车与中继仓在水下的工作位置不同，并避免集矿车动力供应电缆与扬矿立管干涉和碰撞，集矿车在船体尾部甲板上进行布放与回收，中继仓在月池区域进行布放与回收。提升泵和扬矿管长细比大，采用提升设备在底座台面井口中心进行布放与回收。

在水下采矿设备布放回收过程中，船体随波浪进行升沉摇摆运动，需要配套升沉补偿装置加以克服，改善设备在布放回收过程中的受力状态，尤其是集矿车着底时的受力状态，降低作业安全风险。

水下采矿设备布放回收效率直接影响海洋深水采矿作业成本，需要采取相应的技术措施或设备提高效率，尤其是数百米的扬矿立管布放回收效率，以节省布放回收时间、降低作业成本。

2 布放回收系统配置和布局

不同的水下采矿设备具有不同的布放回收工艺，所使用的布放回收装置不尽相同。集矿车在船体尾部进行布放回收[5]，主要设备包括A型吊架、伸缩止荡架、提升钢丝绳、升沉补偿装置、提升绞车、动力缆及其绞车等。提升钢丝绳由提升绞车卷筒出绳，经升沉补偿装置动滑轮与定滑轮组成的滑轮系，绕过A型吊架上的定滑轮与集矿车连接。伸缩止荡架悬挂在A型吊架顶部横梁下方与集矿车连接。集矿车动力缆由动力缆绞车出绳，与提升钢丝绳一同下放。尾部甲板布放回收系统布置如图1所示。

图1 尾部甲板布放回收系统布置

提升泵、扬矿立管和过渡短节等设备在钻台面布放与回收，主要设备包括塔架与底座平台、提升系统、扬矿管自动化处理系统[6]、集成控制系统和电控系统等。中继仓布置在船体甲板上的月池区域，通过滑车输送至月池中心，连接在扬矿立管底部，采用扬矿立管进行布放。提升系统包括天车、提升绞车、一体式游车大钩、死绳固定器和钢丝绳等。扬矿管自动化处理系统包括折臂式抓管机[7]、水平动力猫道、铁钻工、液压翻转吊卡、液压卡瓦和综合液压站等。集成控制系统包括水面集控室房体、集成操作座椅和集成控制软件系统等。电控系统对提升绞车进行控制，为电机等辅助交流用电设备进行供电，为应急照明等小功率负载进行供电。月池区域布放回收系统布置如图2所示。

图2 月池区域布放回收系统布置

3 集矿车布放回收工艺

集矿车布置在船体尾部甲板上，利用A型吊架等设备进行布放回收。

3.1 集矿车布放流程

布放流程如下：①操作A型吊架内摆放至集矿车的正上方，操作伸缩止荡架的伸缩液缸使其伸出；②启动提升绞车，提升钢丝绳，绕过升沉补偿装置滑轮系和A型吊架上的定滑轮，上提集矿车，使其顶部与伸缩止荡架的下端贴合，并将集矿车顶部与伸缩止荡架下端连接；③操作提升绞车，上提集矿车，并操作伸缩止荡架的伸缩液缸，使集矿车离开船体甲板一定距离；④操作A型吊架外摆集矿车至舷外，伸缩止荡架的伸缩液缸伸出，下放集矿车至液缸最大行程处，并操作动力缆绞车，随同集矿车一起布放；⑤操作提升绞车，使其处于正常工作状态，脱开集矿车与伸缩止荡架的连接部位；⑥操作提升绞车，下放集矿车入水，并开启升沉补偿装置，使其处于中间位置进行往复运动，抵消采矿船升沉运动；⑦操作提升绞车，匀速下放集矿车，待集矿车接近海床时，放慢布放速度；⑧操作提升绞车，缓慢下放集矿车直到集矿车着底。

3.2 集矿车回收流程

回收流程为布放流程的逆过程。

布放回收系统配置2套关键设备：①升沉补偿装置，用于消除在采矿船随波浪进行升沉运动时集矿车与海床的碰撞，使其安全平稳着底，并有利于改善集矿车在布放回收过程中的受力状态；②伸缩止荡架，用于减小A型吊架在外摆和下放过程中集矿车的前后左右摇摆，确保集矿车布放回收作业更加安全。配套的动力缆绞车具有恒张力功能，始终保持动力电缆处于低张力范围，可有效避免动力电缆在水下与扬矿立管发生缠绕，降低作业风险。

4 中继仓、提升泵与扬矿管布放回收工艺

中继仓布置在船体甲板月池区域，采用提升系统进行布放回收。提升泵与扬矿管为细长结构，布置在船体主甲板的储管架中，通过抓管起重机吊运至水平动力猫道上，输送至底座台面中心处，采用提升系统进行布放回收[8]。提升泵连接在扬矿立管的中间位置，具体的入水深度由水力提升计算确定。

4.1 中继仓、提升泵与扬矿管布放流程

布放流程如下：①将中继仓通过滑车运送至月池中心，并在底座台面中心处安装支撑盘、补心和液压卡瓦(处于打开状态)；②操作抓管起重机，吊运1根过渡短节放置在水平动力猫道上，输送至底座台面中心处，利用液压翻转吊卡抓起过渡短节并下放，与月池中心的中继仓顶部连接，提起过渡短节上端，移开滑车至初始位置，使过渡短节坐在液压卡瓦上；③操作扬矿管自动化处理系统，输送双根至底座台面中心处，利用液压翻转吊卡抓起双根并下放，与过渡短节顶部连接，提起扬矿管上端，松开液压卡瓦，下放中继仓，直到扬矿管上部接近台面，坐在液压卡瓦上；④依次布放扬矿管双根，直到中继仓布放至初始设计深度，下放提升泵；⑤操作抓管起重机，吊运提升泵至水平动力猫道上，输送至底座台面中心处(提升泵两端连接过渡短节)，与井口处的扬矿管上端连接，提起提升泵上部过渡短节，松开液压卡瓦，下放提升泵，直到过渡短节上部接近台面，坐在液压卡瓦上；⑥操作扬矿管自动化处理系统，输送双根至底座台面中心处，与过渡短节顶部连接，提起扬矿管上端，松开液压卡瓦，下放扬矿管，直到扬矿管上部接近台面，坐在液压卡瓦上；⑦依次布放扬矿管双根，直到中继仓下放至设计深度。

4.2 中继仓、提升泵与扬矿管回收流程

回收流程为布放流程的逆过程。

中继仓、提升泵与扬矿管的布放回收过程复杂、载荷大，为保证系统设备的安全可靠连接，中继仓与扬矿管、扬矿管与提升泵之间增加过渡短节，过渡短节与中间仓和提升泵的连接形式为法兰螺栓，过渡短节与扬矿管的连接形式为螺纹。为节省深海作业中数百米扬矿立管连接接头的装拆时间，提高布放回收效率，扬矿管与扬矿管之间采用螺纹连接，利用机械化设备进行上卸扣作业。为节省数百米扬矿管入水布放和出水回收的时间，扬矿立管采用双单根一立柱形式：在扬矿管装船时，先将9 m长的单根连接为18 m长的双单根，存储在储管架中，在布放时抓管起重机由储管架抓取18 m长的双单根扬矿管至水平动力猫道上，输送至底座台面中心处进行布放与回收，可明显提高中继仓、提升泵和扬矿管等水下设备的布放回收效率，降低作业成本。

5 集矿车与中继仓之间的跨接软管布放回收工艺

为建立完整的矿浆输送通道，需要利用跨接软管将水下集矿车矿浆出口与中继仓入口进行连接。跨接软管连接可在水面进行，或利用水下机器人在水下进行，但水下连接作业难度大、自动化程度高、成本高，因此仅研究跨接软管在水面进行连接的布放回收工艺。在该工艺流程中，跨接软管布放回收与集矿车、中继仓、提升泵和扬矿管布放回收同时进行。

5.1 集矿车与中继仓之间的跨接软管布放流程

布放流程如下：①选定一定长度的软管，在软管上绑扎浮力块，浮力块的数量确保软管可在水中处于悬浮状态；②结合集矿车布放工艺，在集矿车刚入水时，将软管抛入水中，并将软管一端与集矿车矿浆出口连接；③结合中继仓布放工艺，在中继仓刚入水时，另一端经船体底部至月池与中继仓入口连接；④在软管两端全部连接后，与集矿车和中继仓同时进行布放。

5.2 集矿车与中继仓之间的跨接软管回收流程

回收过程为布放过程的逆过程。

在水面进行连接的跨接软管的布放回收过程与集矿车、中继仓、提升泵和扬矿管的布放回收过程同时进行，需要有机结合并协调统一。为确保在扬矿过程中跨接软管悬浮于水中，需要在软管的外部绑扎一定数量的浮力块，浮力块的数量需要根据矿浆密度、软管长度及其自重进行计算确定。

6 结 论

(1)在集矿车布放回收流程中，配置伸缩止荡架可有效减轻A型吊架在外摆和下放时集矿车的前后左右摇摆，提高作业安全性；配置升沉补偿装置可有效改善集矿车在着底时的受力状态，消除集矿车与海床的碰撞，提高作业安全性；集矿车动力缆绞车具有恒张力功能，可始终保持动力电缆处于低张力范围，有效避免动力缆在水下与扬矿管之间的相互缠绕，降低作业风险。

(2)中继仓与扬矿管、扬矿管与提升泵之间采用过渡短节通过法兰螺栓连接，可确保大型设备之间的可靠连接；扬矿管与扬矿管之间采用螺纹连接，利用铁钻工等机械化设备进行上卸扣作业，可明显节省扬矿立管装拆时间，提高扬矿立管布放回收效率。

(3)扬矿立管采用双单根一立柱形式，可有效节省扬矿立管入水布放和出水回收的作业时间，提高布放回收效率。

(4)集矿车、中继仓、提升泵、扬矿管和跨接软管的布放回收过程看似相互独立，其实是一个相互影响、相互协调统一的过程。