李修波， 何多昌， 張定華， 晏 青

(1. 上海中車艾森迪海洋裝備有限公司， 上海 200240；2. 株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司， 湖南 株洲 412001)

0 引 言

管道不僅是海上石油和天然氣最可靠和最有效的輸送方式之一[1-2]，也是深海采礦提升系統(tǒng)中“泵-管”連續(xù)輸送結(jié)核礦石的有效方式之一[3-6]。在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海多金屬結(jié)核采礦試驗(yàn)工程”項(xiàng)目的深海采礦作業(yè)中：將富集于海床之上的結(jié)核礦石采集到集礦車[7]，并經(jīng)由破碎裝置破碎；將破碎成合適粒徑的結(jié)核礦石經(jīng)軟管輸送至中繼站[8]；通過多級(jí)提升泵由輸送硬管將中繼站處的礦石-海水混合物輸送至采礦船；經(jīng)采礦船上的收集裝置將結(jié)核礦石收集完畢[9]。采用“泵-管”連續(xù)輸送結(jié)核礦石的提升系統(tǒng)涉及中繼站和提升泵等關(guān)鍵設(shè)備。在連續(xù)泵送礦石的作業(yè)過程中，需臍帶纜將采礦船上的能源動(dòng)力和控制信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸至關(guān)鍵設(shè)備。在“泵-管”連續(xù)提升結(jié)核礦石的生產(chǎn)過程中，須確保臍帶纜服役安全。

在整個(gè)“泵-管”連續(xù)提升系統(tǒng)中，需要2根臍帶纜分別向中繼站和提升泵提供電力和控制信號(hào)[10]。以中繼站臍帶纜為例，如圖1所示：臍帶纜需通過特殊位置，如中繼站、提升泵、升沉補(bǔ)償裝置等；臍帶纜需被緊固在硬質(zhì)提升管道上，避免臍帶纜與硬質(zhì)提升管道之間發(fā)生摩擦、纏繞等行為；在伸縮裝置區(qū)域，臍帶纜需滿足升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)和最小彎曲半徑限制等功能。鑒于海洋環(huán)境對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的損傷，為確保臍帶纜的安全服役，設(shè)計(jì)一套適用于深海采礦“泵-管”連續(xù)提升結(jié)核礦石的臍帶纜管理系統(tǒng)，以確保整個(gè)采礦作業(yè)的順利實(shí)施。

圖1 采礦系統(tǒng)示例

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)深海采礦臍帶纜管理系統(tǒng)鮮有研究。作者雖對(duì)臍帶纜綁扎支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，但未能對(duì)整個(gè)臍帶纜管理系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。在前期研究的基礎(chǔ)上，對(duì)深海采礦臍帶纜管理系統(tǒng)進(jìn)行分析，涉及臍帶纜綁扎中的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境、正常與特殊管段綁扎以及臍帶纜升沉補(bǔ)償中的頂部支撐和彎曲限制等內(nèi)容，建立一套適用于深海采礦“泵-管”連續(xù)提升作業(yè)的臍帶纜管理系統(tǒng)，為深海采礦系統(tǒng)中臍帶纜的安全服役提供可靠的工程實(shí)例借鑒。

1 臍帶纜綁扎

“泵-管”連續(xù)提升結(jié)核礦石的輸送系統(tǒng)采用新設(shè)計(jì)的背負(fù)式管夾將臍帶纜緊固在提升硬管上[10]。

提升硬管在塔架平臺(tái)上完成管段與管段的組裝，相應(yīng)的綁扎作業(yè)區(qū)域位于塔架平臺(tái)下方，即月池口上方主甲板與塔架平臺(tái)之間的開敞區(qū)域，如圖2所示。鑒于在布放過程中采用不同長(zhǎng)度(正常管道長(zhǎng)度為9 m，特殊管道長(zhǎng)度不一)和不同連接形式(正常管段管道采用螺紋連接，特殊管段管道采用法蘭盤連接)的硬管與中繼站、提升泵、伸縮裝置等設(shè)備組裝成提升輸送系統(tǒng)，將整個(gè)綁扎劃分為正常管段綁扎和特殊管段綁扎。

圖2 綁扎作業(yè)區(qū)域示例

1.1 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境

綁扎作業(yè)區(qū)域存在登高、懸空、作業(yè)船晃動(dòng)等惡劣環(huán)境工況。綁扎作業(yè)工作點(diǎn)為鋪設(shè)在月池口上方的臺(tái)車，具有靠近船舶重心、有作業(yè)平臺(tái)、臍帶纜更易調(diào)整進(jìn)管夾孔槽、物料運(yùn)送方便等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，為規(guī)避在船舶縱、橫搖運(yùn)動(dòng)響應(yīng)下提升硬管碰撞臺(tái)車的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)4級(jí)海況(有義波高為2.5 m，過零周期為6.5 s)下2種不同作業(yè)工況(0～180°浪向)下船舶響應(yīng)角的極值和有義值進(jìn)行預(yù)報(bào)，如表1所示。經(jīng)測(cè)算，調(diào)整2部臺(tái)車在船舶縱向的間距(2部臺(tái)車的擺放位置，不存在船舶橫向干涉)，確保綁扎過程中不存在提升硬管碰撞臺(tái)車的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 4級(jí)海況不同浪向和不同作業(yè)工況的船舶縱、橫搖角預(yù)報(bào)匯總 (°)

1.2 正常管段綁扎

經(jīng)過前期研究[12]，正常管段綁扎方案如下：在管道布放過程中，以月池口臺(tái)車為作業(yè)平臺(tái)，采用單點(diǎn)綁扎作業(yè)的方式，在18 m管道上等間距布置綁扎2個(gè)管夾，每9 m停放1次提升硬管。

1.3 特殊管段綁扎

根據(jù)不同特殊位置處(中繼站處、提升泵下端、提升泵上端及伸縮裝置)的管段，利用固定在主甲板上的折臂維修臺(tái)車，安裝不同結(jié)構(gòu)型式的316L管夾，如圖3所示。

圖3 特殊管段不同型式316L管夾

特殊管段的綁扎是為了確保臍帶纜順利通過特殊管段的設(shè)備。以提升泵上端管夾為例，其主要作用是確保中繼站臍帶纜順利通過提升泵外體、確保提升泵臍帶纜的接線口與相應(yīng)管夾口之間的高度差、2根臍帶纜之間的相對(duì)角度等，如圖4所示。

圖4 提升泵上端管夾安裝示例

同時(shí)，特殊管段的綁扎具有在正常管段硬聚氨酯管夾部分失效(管夾未能對(duì)臍帶纜提供全局約束)的情況下將其下部的臍帶纜夾持住的功能，可防止臍帶纜滑脫導(dǎo)致整個(gè)綁扎系統(tǒng)失效。

2 臍帶纜升沉補(bǔ)償

作業(yè)船舶與提升硬管之間通過伸縮裝置連接，如圖5所示，允許提升系統(tǒng)與作業(yè)船舶存在相對(duì)的垂向位移。由于臍帶纜下端與提升系統(tǒng)完全緊固約束，上端通過絞車與船體緊固，因此需要在伸縮裝置區(qū)域確保臍帶纜存在足夠長(zhǎng)度的升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。

單位：mm圖5 伸縮裝置示例

圖6 臍帶纜升沉補(bǔ)償示例

在伸縮裝置硬管上安裝頂部支撐基體，并在臍帶纜上安裝臍帶纜彎曲限制器，滿足臍帶纜的升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。

2.1 臍帶纜頂部支撐

如上所述，在伸縮裝置區(qū)域，采用頂部支撐的方式對(duì)臍帶纜進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，同時(shí)，需考慮頂部支撐與月池口、海平面之間的位置關(guān)系。將新設(shè)計(jì)的頂部支撐基體[12]安裝在伸縮裝置硬管上，并兼顧2根臍帶纜的相對(duì)位置，如圖7所示。

圖7 頂部支撐結(jié)構(gòu)示例

頂部支撐基體結(jié)構(gòu)高度為1 000 mm，由3塊半圓形卡箍組裝而成，每個(gè)半圓形卡箍設(shè)有吊環(huán)，便于吊運(yùn)和安裝。同時(shí)，頂部支撐基體結(jié)構(gòu)與伸縮裝置硬管之間粘貼橡膠墊，以增大摩擦并保護(hù)伸縮裝置。

2.2 臍帶纜彎曲限制

在“泵-管”連續(xù)提升輸送系統(tǒng)內(nèi)，需對(duì)2根臍帶纜進(jìn)行升沉運(yùn)動(dòng)的限彎保護(hù)，以避免由頂部支撐的橫向和縱向相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生過度彎曲，進(jìn)而導(dǎo)致臍帶纜由過彎引起的損傷。臍帶纜參數(shù)如表2所示。

表2 臍帶纜參數(shù)

彎曲限制器采用嵌套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過在一定角度上的結(jié)構(gòu)自鎖，起到限制最大彎曲的作用。根據(jù)臍帶纜參數(shù)，最小彎曲半徑設(shè)計(jì)不小于800 mm。同時(shí)，為避免實(shí)際作業(yè)中彎曲限制器模塊錯(cuò)配的風(fēng)險(xiǎn)，彎曲限制器采用通用型設(shè)計(jì)。

3 臍帶纜管理系統(tǒng)

經(jīng)過上述分析和研究，在“泵-管”連續(xù)提升系統(tǒng)內(nèi)，需要有臍帶纜綁扎和臍帶纜升沉補(bǔ)償兩部分，如圖8所示。

圖8 “泵-管”連續(xù)提升系統(tǒng)的臍帶纜綁扎和升沉補(bǔ)償示例

4 結(jié) 論

在深海采礦“泵-管”連續(xù)提升結(jié)核礦石的系統(tǒng)內(nèi)，通過臍帶纜管理系統(tǒng)可對(duì)向中繼站、提升泵等關(guān)鍵設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸動(dòng)力和控制的臍帶纜進(jìn)行有效的保護(hù)，確保其安全服役。

(1) 該臍帶纜管理系統(tǒng)由臍帶纜綁扎和臍帶纜升沉補(bǔ)償兩部分組成。

(2) 針對(duì)不同區(qū)域，采用不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)型式的管夾可有效降低管夾的制造成本和現(xiàn)場(chǎng)施工難度。

(3) 所提出的臍帶管理系統(tǒng)已得到1 000 m級(jí)海試的驗(yàn)證，為深海采礦系統(tǒng)臍帶纜的安全服役提供一種可靠的工程實(shí)例借鑒。

(4) 臍帶纜管理系統(tǒng)后續(xù)可在管夾緊固方式、限彎器尺寸等方面進(jìn)一步優(yōu)化，以減少現(xiàn)場(chǎng)施工人員作業(yè)強(qiáng)度。