楊亞男 張 勇 王 璞

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

占地球表面71%的海洋擁有豐富的礦產(chǎn)資源，多年來人們都有開發(fā)利用海洋資源的迫切愿望。隨著技術(shù)進(jìn)步，當(dāng)前國際上深海采礦業(yè)已經(jīng)有商業(yè)化的趨勢。在已發(fā)現(xiàn)的深海礦產(chǎn)資源中，主要有多金屬錳結(jié)核，富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物。其中多金屬硫化物富含金、銀等貴金屬含量豐富，最具商業(yè)開發(fā)價(jià)值。目前，我國在多金屬硫化物船型開發(fā)設(shè)計(jì)方面還基本處于空白。因此，非常有必要進(jìn)行深海采礦船的船型開發(fā)和關(guān)鍵共性技術(shù)的研究。

本文通過研究目標(biāo)采礦船的初步總體布置，設(shè)計(jì)采礦船船體構(gòu)架的基本方案，分析采礦船結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)，探索符合采礦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷選取方法，掌握深海采礦船船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核方法，為未來深海多金屬硫化物礦產(chǎn)資源的商業(yè)化開采提供技術(shù)支撐。

1 目標(biāo)采礦船概況

主甲板以下分為首部、中部貨艙區(qū)、尾部三個(gè)部分。圖1所示為設(shè)計(jì)目標(biāo)采礦船的總布置圖。采礦船一般作業(yè)流程為：

（1）選址定位；

（2）下放水下機(jī)器人（ROV）和中繼站隔水管；

（3）采礦、揚(yáng)礦；

（4）礦漿脫水；

（5）礦物儲存；

（6）外輸至運(yùn)輸船。

圖1 采礦船總布置圖

2 深海采礦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)適用規(guī)范

2.1 設(shè)計(jì)規(guī)范的使用

目前各船級社尚無針對深海采礦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專門規(guī)范，由于采礦船在海上長期作業(yè)，和FPSO的作業(yè)周期類似；然而采礦船的貨艙結(jié)構(gòu)又和礦砂船相似。因此，選擇FPSO和礦砂船的規(guī)范中的關(guān)聯(lián)內(nèi)容，用于指導(dǎo)采礦船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

采礦船是一艘船型海上的礦產(chǎn)開采儲運(yùn)裝置，船體形狀和分艙都和礦砂船相似。但由于采礦功能的要求同時(shí)設(shè)置了月池結(jié)構(gòu)，各功能模塊區(qū)域，以及相關(guān)設(shè)備加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；因此也和FPSO類似，對采礦船進(jìn)行結(jié)構(gòu)分區(qū)。CCS《海上浮式裝置入級規(guī)范》第1章第2節(jié)1.2.1.23 & 1.2.1.24規(guī)定將浮體結(jié)構(gòu)分為2部分：海工區(qū)域、船舶區(qū)域。船舶區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范（2015）》第2篇的基本要求，海工區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照CCS《海上移動平臺入級規(guī)范》。

采礦船的總縱強(qiáng)度計(jì)算分為遷移狀態(tài)和作業(yè)狀態(tài)分別進(jìn)行計(jì)算。采礦船航行作業(yè)時(shí)，其所裝載的礦石與礦砂物理特征類似，因此采礦船遷移狀態(tài)的總強(qiáng)度校核主要參考CCS《礦砂船船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算指南（2016）》計(jì)算。采礦船采礦作業(yè)狀態(tài)時(shí)，作業(yè)狀態(tài)的波浪彎矩和剪力由直接計(jì)算得到。采礦船的作業(yè)狀態(tài)的總強(qiáng)度校核主要參考CCS《海上浮式裝置入級規(guī)范（2014）》。采礦船疲勞強(qiáng)度分析參考《海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞強(qiáng)度評估指南》。

2.2 深海采礦船設(shè)計(jì)載荷

深海采礦船有航行工況和在位工況的區(qū)分。航行工況波浪載荷的計(jì)算是依據(jù)中國船級社深海采礦船船型評估指南中的規(guī)范計(jì)算公式得到。在位工況的波浪載荷由直接計(jì)算得到，本文采用DNV船級社開發(fā)的SESAM程序直接計(jì)算得到。該船作業(yè)海域位于西南印度洋。根據(jù)船舶裝載工況，選取在位工況下的作業(yè)工況、生存工況、事故/浸水工況、布放回收4種工況進(jìn)行波浪彎矩和剪力的計(jì)算，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 波浪載荷設(shè)計(jì)參數(shù)

3 船體設(shè)計(jì)

3.1 中剖面設(shè)計(jì)

由于在船舯區(qū)域存在月池，月池開口范圍內(nèi)的縱向構(gòu)件在此間斷。為保證船體總縱強(qiáng)度，月池區(qū)域的縱向構(gòu)架均增大尺寸，并且甲板和內(nèi)殼縱艙壁增加板厚。月池開孔區(qū)域的中剖面見圖2。另外，縱向構(gòu)件要保持連續(xù)，月池的局部縱壁都設(shè)計(jì)了構(gòu)件過渡。

圖2 采礦船舯橫剖面（月池區(qū)域）

由于采礦船的貨艙裝載貨物為礦石，在貨艙前后端壁前后質(zhì)量分布變化明顯。但是貨艙縱壁卻在前后端壁位置處終止，前后端壁處的連續(xù)縱壁反而由6道減為4道。因此，貨艙前后艙壁位置處的總縱剪力的校核是非常必要的。FR46和FR225的總縱剪力校核結(jié)果參見下頁圖3和圖4。

圖3 FR46剪力校核結(jié)果

圖4 FR225剪力校核結(jié)果

3.2 甲板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采礦船的主甲板上有塔架、外輸設(shè)備、硬管存放模塊區(qū)、礦物處理模塊、絞車等多種甲板設(shè)備。主甲板設(shè)計(jì)載荷為10 t/m2，這就要求甲板強(qiáng)橫梁具有足夠強(qiáng)度。另一方面在貨艙里有礦物輸送設(shè)備，礦物輸送固定于艙頂，消耗了相當(dāng)?shù)呐撊荨榻档蛷?qiáng)橫梁高度，保證貨艙艙容，同時(shí)也能給礦物輸送提供加強(qiáng)支撐，本船的主甲板設(shè)置了甲板縱桁。甲板縱桁和強(qiáng)橫梁相互支撐，既能保證主甲板的強(qiáng)度，也有利于甲板機(jī)械加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)置。

3.3 貨艙結(jié)構(gòu)

一般礦砂船在內(nèi)底板和貨艙縱壁位置，設(shè)置HOPPER斜板，如圖5所示.這樣設(shè)計(jì)既有利于卸貨清艙，更有利于降低在內(nèi)底板位置處的總強(qiáng)度應(yīng)力。但是本次深海采礦船的貨艙內(nèi)安裝有礦物輸送裝置，由于礦物輸送設(shè)備的需要，內(nèi)殼縱壁和內(nèi)底板需要保持直角， 如圖6所示。

圖5 普通礦砂船設(shè)置HOPPER板

圖6 采礦船貨艙縱壁直角

采礦船的貨艙有限元結(jié)構(gòu)分析，航行工況采用三艙段有限元模型，作業(yè)工況采用全船有限元模型。由于內(nèi)殼縱壁和內(nèi)底板的連接處呈直角，在船體梁彎曲變形時(shí)會在連接處形成較大應(yīng)力集中。為解決這個(gè)問題，本次研究有限元分析結(jié)果，重點(diǎn)分析此處的應(yīng)力情況；選取合理的內(nèi)底板和縱艙壁板厚，并要求內(nèi)殼縱壁板和內(nèi)底板連接的焊縫為全焊透（如圖7所示）。

3.4 特殊設(shè)備加強(qiáng)

采礦船主甲板空間緊張，功能模塊、物料堆場、塔架、采礦車、A字架等多種作業(yè)設(shè)備。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)一方面應(yīng)注意與布置協(xié)調(diào)，另一方面應(yīng)深入了解設(shè)備的功能特點(diǎn)、工作條件以及一些特殊工況合理設(shè)計(jì)加強(qiáng)。

以塔架的加強(qiáng)設(shè)計(jì)為例，就一定要在設(shè)計(jì)塔架的時(shí)候，塔架的4個(gè)支腿落在月池外圍的角點(diǎn)位置。這一位置能給塔架提供足夠的支撐，并且結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的設(shè)計(jì)簡單、強(qiáng)度高。如果塔架支腿位置和船體結(jié)構(gòu)位置前期沒有協(xié)調(diào)好，將導(dǎo)致加強(qiáng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增大設(shè)計(jì)難度，增加校核計(jì)算工作量。圖8和下頁圖9為本次設(shè)計(jì)的塔架加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

圖7 貨艙縱壁和內(nèi)底板的直角連接位置的應(yīng)力校核情況

圖8 塔架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)平面圖

圖9 塔架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)側(cè)視圖

4 結(jié) 語

深海采礦的商業(yè)化初見端倪，采礦船是實(shí)行深海采礦的主要裝備。本次以工信部下達(dá)的深海采礦船船型開發(fā)為契機(jī)，對采礦船的適用規(guī)范、載荷預(yù)報(bào)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行研究，總結(jié)出采礦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些特點(diǎn)，從而為以后的采礦船工程提供參考。