深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

楊 蓓，林 強(qiáng)，杜新光

(1.上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011；2.中國船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 200011)

0 引言

在陸地資源日益枯竭的今天，深海海底蘊(yùn)藏的豐富礦產(chǎn)資源是人類社會和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展必不可少的重要接替資源。資料顯示，該海底蘊(yùn)藏著豐富的稀土、鈷和金屬結(jié)核等礦產(chǎn)資源，其戰(zhàn)略價值和軍事價值引起全世界各國的高度重視[1]。當(dāng)前國際社會對深海采礦的熱情日益高漲，世界各國圍繞海洋戰(zhàn)略空間拓展、資源占有和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的競爭越演越烈。但要開采海底的資源，必須有相應(yīng)的平臺或船舶、采集及輸送設(shè)備作為輔助。深海采礦船是海上采礦生產(chǎn)支持與控制的母船，是深海礦物開采系統(tǒng)中最為重要的水面支持系統(tǒng)[1]。采礦船的存儲和轉(zhuǎn)運(yùn)效率是直接決定整個深海采礦系統(tǒng)能否連續(xù)、源源不斷地進(jìn)行海底礦物開采的重要指標(biāo)，礦物轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)是保證礦物從水面轉(zhuǎn)運(yùn)到陸地的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有設(shè)備多、空間規(guī)模大、重量大以及結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜的特點(diǎn)。20世紀(jì)初，船上裝有存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的自卸船首次在北美大湖區(qū)出現(xiàn)。由于能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境條件，自卸船逐漸成為北美地區(qū)主要的散貨運(yùn)輸方式。我國在20世紀(jì)80年代開始設(shè)計制造自卸船。根據(jù)相對應(yīng)散貨船型，我國開發(fā)了17 500載重噸、30 000載重噸、50 000載重噸、72 500載重噸等型號的自卸式散貨船[2]。深海采礦船與自卸式散貨船的作業(yè)方式及作業(yè)環(huán)境有很大的不同。深海采礦船需要長期在遠(yuǎn)海作業(yè)，遭遇極端惡劣海況的概率極高，因而對存儲轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備在甲板上的布置及運(yùn)動的穩(wěn)定性要求很高。本文在調(diào)研分析輸送裝備的現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出研發(fā)深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)應(yīng)遵循的設(shè)計思路，尤其對影響深海采礦船航行安全性的存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的布礦、安全性、檢測系統(tǒng)等因素進(jìn)行研究，借此推動深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)向智能化發(fā)展。

1 深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)概況

礦物轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)的作用是將脫水處理后的礦物通過幾個子系統(tǒng)的聯(lián)動作用，實(shí)現(xiàn)礦物在采礦船貨艙內(nèi)短暫存儲，并在運(yùn)輸船抵達(dá)之后能夠順利的、連續(xù)的向運(yùn)輸船進(jìn)行礦物轉(zhuǎn)運(yùn)。

存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成：礦物存儲系統(tǒng)和礦物轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。礦物存儲系統(tǒng)根據(jù)功能分為分艙和布礦系統(tǒng)，礦物轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)根據(jù)功能分為回收、提升和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)組成

深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的作業(yè)模式主要是將采集上來的礦石經(jīng)脫水后，通過分艙系統(tǒng)輸送至指定的艙內(nèi)，經(jīng)布艙系統(tǒng)的合理分布垛堆位置，使礦物在艙內(nèi)分布相對均勻，避免船體發(fā)生傾斜。礦物在艙內(nèi)作短暫的存儲后，由回收系統(tǒng)將艙內(nèi)的礦物回收后提供給提升系統(tǒng)。提升系統(tǒng)將礦物由艙內(nèi)提升至甲板上，并由轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)輸送給駁運(yùn)船運(yùn)至陸上。礦物轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)是保證礦物從水面轉(zhuǎn)運(yùn)到陸地的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工藝流程一般為：分艙→布礦→回收→提升→轉(zhuǎn)運(yùn)→駁運(yùn)船→陸上，見圖2。

圖2 存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)工作流程

2 深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)狀

深海采礦船作為采礦作業(yè)的生產(chǎn)和礦物的存儲母船，是整套采礦作業(yè)系統(tǒng)的中樞環(huán)節(jié)，不僅需要采礦系統(tǒng)、揚(yáng)礦系統(tǒng)，還需對采集到的礦物進(jìn)行脫水處理，提供礦物存儲空間，并能適時將礦物轉(zhuǎn)運(yùn)至駁運(yùn)船以便運(yùn)輸至陸地。

全球首艘深海采礦船由福建馬尾造船股份有限公司建造，主要用于深海多金屬硫化物的開采，具備在2 500 m深海區(qū)域采礦作業(yè)的能力，可以裝載礦貨39 000 t。該船配置完整的深海礦物采/集系統(tǒng)、礦物提升系統(tǒng)、礦物脫水系統(tǒng)和礦物儲存轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)等作業(yè)系統(tǒng)[3]。該船絕大部分關(guān)鍵設(shè)備由國外設(shè)計和提供，礦物的存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)備亦由國外設(shè)計及提供。系統(tǒng)包含可逆式皮帶機(jī)、堆垛設(shè)備、鏟斗機(jī)、斗提機(jī)和伸縮式裝船機(jī)等輸送設(shè)備。

國內(nèi)深海采礦船的研究工作處于起步階段，尚沒有用于深海采礦船的專用存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)備，現(xiàn)有的大量輸送設(shè)備在陸地上使用。根據(jù)深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的作業(yè)流程，五個子系統(tǒng)有著各自的功能，根據(jù)各子系統(tǒng)特點(diǎn)，選擇與之相適應(yīng)的設(shè)備。

分艙系統(tǒng)的作用是將預(yù)處理后的礦石通過輸送設(shè)備群輸送到指定艙，可采用可逆式皮帶輸送機(jī)和帶式輸送機(jī)等設(shè)備群。帶式輸送機(jī)是一種利用連續(xù)而具有撓性的輸送帶不停地運(yùn)轉(zhuǎn)來輸送物料的輸送機(jī)。帶式輸送機(jī)的輸送能力大，單機(jī)長度長，能耗低，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，可以長時間連續(xù)作業(yè)，便于維護(hù)，是應(yīng)用最廣、產(chǎn)量最大的一種輸送機(jī)[4]。可逆式皮帶輸送機(jī)是帶式輸送機(jī)的特殊形式，通過改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可改變輸送方向，實(shí)現(xiàn)雙向輸送。

布礦系統(tǒng)的作用主要是保證礦石在艙內(nèi)分布合理、均勻，減少空艙率。系統(tǒng)包括堆垛設(shè)備以及相對應(yīng)的電控系統(tǒng)。因礦物有堆積角，礦物在投放入艙時需考慮增加艙容。本系統(tǒng)可使用埋式刮板機(jī)或?qū)Ｓ玫亩讯鈾C(jī)進(jìn)行布礦。埋刮板輸送機(jī)是借助于在封閉的殼體內(nèi)運(yùn)動著的刮板鏈條而使散體物料按預(yù)定目標(biāo)輸送的運(yùn)輸設(shè)備，它具有體積小、密封性強(qiáng)、對物料損傷小、剛性好、工藝布置靈活、安裝維修方便、能多點(diǎn)加料和多點(diǎn)卸料等優(yōu)點(diǎn)。采用埋式刮板機(jī)多點(diǎn)投料，可以達(dá)到增加艙容的目的[4]?；谶@一目的，可研發(fā)專用堆垛機(jī)，利用皮帶輸送機(jī)的原理實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷的布礦，通過改變皮帶的速度來改變礦物投料距離，并通過旋轉(zhuǎn)來改變礦物的投料方向，配合檢測系統(tǒng)，可自動、高效、合理地對礦物進(jìn)行布艙。

回收系統(tǒng)的作用是將散落在艙內(nèi)各處的礦石收集起來，提供給提升系統(tǒng)。常用的設(shè)備有雙排鏟斗輸送機(jī)、刮板機(jī)和帶式輸送機(jī)等。雙排鏟斗輸送機(jī)、刮板機(jī)適用于平艙底，帶式輸送機(jī)可用于“V”形艙底?！癡”形艙底使用重力卸料形式，通過改變船艙底部斗門的開啟尺寸來控制礦物的流量[2]，礦物經(jīng)斗門下部的帶式輸送機(jī)回收后輸送至提升系統(tǒng)。帶式輸送機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)性高。帶式輸送機(jī)回收系統(tǒng)形式見圖3。

圖3 帶式輸送機(jī)回收系統(tǒng)

提升系統(tǒng)的作用是將礦石從艙內(nèi)提升到甲板上某一高度，以便向船舷外輸送。常用的提升方式有皮帶輸送機(jī)和機(jī)械式兩種。皮帶輸送機(jī)提升主要有傾斜皮帶機(jī)提升、C型皮帶機(jī)提升和波形皮帶機(jī)提升等；機(jī)械式提升主要有斗式機(jī)提升、螺旋輸送機(jī)提升、斗輪機(jī)提升和抓斗起重機(jī)提升等[2]。傾斜皮帶機(jī)提升、斗輪機(jī)提升和抓斗起重機(jī)提升設(shè)備占據(jù)空間大，影響料艙存儲容積，因此不適合在深海采礦船上使用。螺旋輸送機(jī)因輸送量較小，不能滿足深海采礦船輸送量的要求。斗式提升機(jī)、C型皮帶機(jī)提升和波形皮帶機(jī)提升都能實(shí)現(xiàn)垂直提升，但C型皮帶機(jī)和波形皮帶機(jī)要清除黏附在輸送帶上的物料也是很困難的。斗式提升機(jī)的突出優(yōu)點(diǎn)是在提升高度確定后輸送路線最短，占地少，橫斷面小，結(jié)構(gòu)緊湊，有罩殼封閉密封性能好，不揚(yáng)灰塵，環(huán)境污染少，有利環(huán)保[4]。

轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的作用是將提升到一定高度的礦物轉(zhuǎn)運(yùn)到駁運(yùn)船的輸送過程。常見的設(shè)備有伸縮式裝船機(jī)、斗輪堆/取料機(jī)等。斗輪堆/取料機(jī)是利用斗輪連續(xù)取料，用機(jī)上的帶式輸送機(jī)連續(xù)堆料的有軌式裝卸機(jī)械。它是散狀物料(散料)儲料場內(nèi)的專用機(jī)械，可與卸車(船)機(jī)、帶式輸送機(jī)、裝船(車)機(jī)組成儲料場運(yùn)輸機(jī)械化系統(tǒng)。斗輪堆取料機(jī)是現(xiàn)代化工業(yè)大宗散狀物料連續(xù)裝卸的高效設(shè)備，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于港口、碼頭等散料(礦石、煤、焦炭、砂石)存儲料場的堆取作業(yè)[6]。伸縮式裝船機(jī)由臂架皮帶機(jī)、過渡皮帶機(jī)、伸縮溜筒、俯仰裝置、回轉(zhuǎn)裝置等組成，它有較大的作業(yè)覆蓋面和較高的裝船效率，對船型的適應(yīng)性強(qiáng)。伸縮式裝船機(jī)布置見圖4。

圖4 伸縮式裝船機(jī)布置

3 存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計

3.1 存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計思路

深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)屬于物料連續(xù)輸送，因此它應(yīng)符合連續(xù)輸送對設(shè)備的工藝要求，即輸送能力大、輸送距離長等。由于深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是在特殊的環(huán)境和條件下作業(yè)，因而設(shè)計上還應(yīng)考慮以下問題。

(1)遵循結(jié)構(gòu)先進(jìn)、性能可靠、自動化高的設(shè)計原則，便于操作和維護(hù)管理、信息化和自動化控制。

(2)著重建立各系統(tǒng)間良好的聯(lián)動機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的良好契合。

(3)在不影響整體采礦系統(tǒng)生產(chǎn)效率的前提下盡可能選用投資少、能耗低、效率高的設(shè)備。

(4)具有靈活的存儲與轉(zhuǎn)運(yùn)能力，能夠?qū)㈩A(yù)處理完的礦物進(jìn)行合理安置和高效轉(zhuǎn)運(yùn)，以保證轉(zhuǎn)運(yùn)過程對采礦船穩(wěn)性的影響降到最低。

(5)礦物轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)的轉(zhuǎn)儲效率應(yīng)和海底生產(chǎn)系統(tǒng)的采集效率相匹配，能夠保證水下—水面—陸地連續(xù)、不間斷作業(yè)運(yùn)輸。

(6)能夠適應(yīng)由于采礦船自身的運(yùn)動(如橫搖等)對轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)的影響。

(7)礦物轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)的維護(hù)不影響整體采礦系統(tǒng)的運(yùn)行。

(8)設(shè)備通用化、標(biāo)準(zhǔn)化高，可以適用于不同礦物的輸送。

(9)設(shè)備需符合自動化作業(yè)的安全規(guī)則。

3.2 存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)技術(shù)可分為通用技術(shù)和專用技術(shù)。通用技術(shù)中包含陸上一些標(biāo)準(zhǔn)的輸送設(shè)備、控制系統(tǒng)等，可以直接應(yīng)用于深海采礦船上。但是，解決深海采礦船在惡劣海況以及長期遠(yuǎn)海作業(yè)等特殊環(huán)境下所帶來的采礦船的航行安全、設(shè)備防護(hù)等問題的專用技術(shù)尤為值得關(guān)注，存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)備的選擇、設(shè)計應(yīng)最大程度地保證采礦船航行安全。艙內(nèi)礦物分布的狀況、設(shè)備對船艙水密性的影響、設(shè)備運(yùn)行的可靠性等都將直接影響到采礦船的航行安全，由此也給深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計帶來風(fēng)險。

3.2.1 存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)要有合理的布礦技術(shù)

礦物裝艙后，相對均勻的堆垛分布可減少虧艙，保證較高的艙容率，同時降低了轉(zhuǎn)運(yùn)過程中由于船的重心不平衡造成船舶傾覆的危險。采礦船在作業(yè)過途中遇到風(fēng)浪產(chǎn)生顛簸，使礦物在貨艙內(nèi)自由移動，造成船舶穩(wěn)性欠佳，影響采礦船作業(yè)以及運(yùn)輸船的航行安全。

礦物從高處自由落下時，會形成一個錐形料堆。該料堆的錐面與水平面形成一個堆積角。對于大堆積角的礦物，通過多點(diǎn)或連續(xù)投料方法可以大幅度減少空艙率。多點(diǎn)布礦示意圖見圖5。礦物在貨艙的分布狀態(tài)、堆高都將直接影響到采礦船的安全，這就要求系統(tǒng)選用專業(yè)的堆垛機(jī)、實(shí)時堆高監(jiān)測系統(tǒng)，通過專用堆垛機(jī)實(shí)現(xiàn)礦物在艙內(nèi)的均勻分布；通過艙內(nèi)布置的激光雷達(dá)檢測系統(tǒng)[7]，對礦物的分布進(jìn)行自動檢測、識別與處理，實(shí)現(xiàn)礦物投放量及投放點(diǎn)的控制。在布礦過程中，激光雷達(dá)對礦物料堆進(jìn)行間隙掃描，獲取礦物堆形輪廓數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)?shù)V物的投放量達(dá)到內(nèi)部設(shè)定的載荷后，及時改變投料點(diǎn)位置或船艙，從而實(shí)現(xiàn)均勻配載。

圖5 多點(diǎn)布礦示意圖

3.2.2 存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)水密隔艙的安全性

貨艙一般為V形船艙。采用波形擋邊皮帶提升或C型皮帶提升(見圖6)的存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)，是利用礦物自重進(jìn)行集料的。該系統(tǒng)通過控制船艙斗口開啟的大小來控制礦物的流量，在斗門下的皮帶輸送機(jī)將礦物輸送到波形擋邊皮帶提升機(jī)或C型皮帶提升機(jī)。但是，無論是采用波形擋邊皮帶提升還是采用C型皮帶提升，船底的皮帶機(jī)都需從船尾縱貫船首，穿過艙壁，破壞了艙壁的水密完整性。

圖6 C型皮帶提升的存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)[8]

在遠(yuǎn)洋航行中船舶安全尤為重要。水密隔艙的形式是保證即使有一兩個艙破損進(jìn)水，水也不會流到其他艙區(qū)，影響船舶航行。為了保證深海采礦船每個船艙的水密性，需在皮帶輸送機(jī)穿過貨艙壁的地方安裝專用皮帶水密門，把整個通道分成數(shù)個水密區(qū)間，減少船在破損的情況下，海水通過帶式輸送機(jī)泄漏。

3.2.3 存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)要有必要的檢測手段

存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是多種設(shè)備聯(lián)動的集群，其中一臺設(shè)備出現(xiàn)問題，都會影響到整個采礦船作業(yè)進(jìn)程甚至癱瘓，因此各設(shè)備應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的檢測系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)，且設(shè)備之間應(yīng)設(shè)置聯(lián)動開關(guān)。

帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)采取如下安全措施：

(1)為確保帶式輸送機(jī)安全運(yùn)行和監(jiān)察，應(yīng)裝設(shè)防跑偏系統(tǒng)、斷帶控制器和打滑檢測器。

(2)帶式輸送機(jī)側(cè)邊應(yīng)裝設(shè)拉線事故開關(guān)或固定式事故開關(guān)。

(3)對于大功率的帶式輸送機(jī)，應(yīng)設(shè)過流(過載)保護(hù)裝置。

(4)電氣設(shè)備要考慮防水、防腐及防爆措施。

3.2.4 船艙形式對設(shè)備選型的影響

船艙的形式?jīng)Q定了回收系統(tǒng)設(shè)備的類型，同時也決定了艙容的大小。平底艙形常采用側(cè)面出料，這種形式的艙底艙容量大，但需配置收集設(shè)備，如雙排鏟斗輸送機(jī)加皮帶輸送機(jī)等設(shè)備群?！癡”底艙形常采用底部出料，為重力集料方式。這種結(jié)構(gòu)采用高分子助流板減小摩擦力，并配置振動器，增加了礦物的流動性[4]，但需要選擇合適的船艙傾角。自卸式散貨船常采用此形式的艙形。

4 結(jié)語

綜上所述，為了滿足高強(qiáng)度、全天候、惡劣環(huán)境長時間作業(yè)等需求，深海采礦船存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備在需要向自動化、高效化、穩(wěn)定化等方向發(fā)展，同時還需要考慮船舶運(yùn)動對輸送設(shè)備的影響以及設(shè)備防腐、防爆、安全性等問題。

近年來，隨著數(shù)字化、信息化技術(shù)水平的不斷提高，智能船舶的研制已被提上日程。為適應(yīng)智能船舶的要求，存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、智能化水平有待進(jìn)一步提高，相應(yīng)的控制技術(shù)也有待進(jìn)一步研究，同時通過提高存儲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)在各種環(huán)境下的作業(yè)能力，為推進(jìn)我國深海采礦事業(yè)進(jìn)一步發(fā)展作出貢獻(xiàn)。