李文豪， 余 倩， 楊高勝， 陳丹東， 潘志杰

(1.中國艦船研究設計中心， 湖北 武漢 430064；2.武漢船舶設計研究院有限公司， 湖北 武漢 430064；3.寶雞石油機械有限責任公司， 陜西 寶雞 721002)

0 引 言

深海海底蘊藏有豐富的礦產(chǎn)資源，深海礦產(chǎn)資源開發(fā)技術的發(fā)展對經(jīng)濟社會發(fā)展和國家資源安全保障具有重要作用，已成為世界各國關注的焦點。自二十世紀六七十年代以來，美國、日本、加拿大和德國相繼進行了大洋多金屬結核采礦系統(tǒng)開發(fā)研究，其中：國際跨國集團OMI將打撈船改建成SEDCO445深海采礦試驗船；OMA與OMCO財團聯(lián)合，將西班牙C1-M-AV1號鉆探船改裝成Dcepsea Miner II采礦試驗船。這2種采礦試驗的水面支持平臺采用塔型井架和底座平臺作為主要承載結構，采用天車型升沉補償系統(tǒng)。我國在“十三五”期間立項了國家重點研發(fā)計劃項目“深海多金屬結核采礦試驗工程”，該項目計劃研制一套水深3 500 m的深海采礦試驗系統(tǒng)，并完成不小于1 000 m水深的海上整體聯(lián)動試驗。圖1為該深海采礦系統(tǒng)總布置圖。

圖1 深海采礦系統(tǒng)總布置圖

作為采礦船作業(yè)過程中用到的重要承載結構，鋼結構塔架和底座平臺是水面支持系統(tǒng)的重要組成部分。塔架主要用于安裝提升系統(tǒng)的天車和懸掛游動設備，輔助進行硬管、提升泵和水下中繼站等設備的布放回收作業(yè)。底座平臺在采礦作業(yè)過程中為塔架、絞車、升沉補償系統(tǒng)及相關設備提供作業(yè)支撐和安裝位置，為操作人員提供充足的操作空間，在下放和提升輸送硬管過程中作為水下輸送系統(tǒng)的臨時懸掛承載體，也是管道對接與拆卸裝置作業(yè)平臺。圖2為塔架和底座平臺甲板布置圖。

圖2 塔架和底座平臺甲板布置圖

當前深海采礦工程領域還沒有指定相關的設計標準或行業(yè)規(guī)范，因與深海油氣工程領域較為類似，充分借鑒海洋石油鉆井平臺的工程和設計經(jīng)驗，歸納深海采礦試驗工程的技術特點，提出更符合深海采礦工程的設計結構和作業(yè)布局，以達到預期的使用效果。

1 塔架和底座平臺的結構設計

1.1 結構形式分析

根據(jù)作業(yè)環(huán)境和不同工況下的特殊要求，目前鋼結構井架有多種結構樣式，如A型、K型和雙塔型等。鋼結構塔架多采用螺栓連接，因其結構形狀具有穩(wěn)定性好和承載力大等優(yōu)點而廣泛應用于海洋工程領域中。塔架是由很多實腹板式單一桿件組成的空間桁架結構，任意一個橫截面為正方形或矩形。塔架本體分為4扇平面桁架，每扇又分為若干個桁格，同一高度的4面桁格在空間上構成塔架的1層，故可將塔架看成是由許多層空間桁架組成的。塔架的高度要考慮安全行程、布放設備尺寸、管道對接拆卸的處理高度和油吊系統(tǒng)等，塔架V型大門的高度要與布放對象(硬管、提升泵等)的規(guī)格尺寸匹配，無需二層臺。

深海采礦工程底座平臺的功能與鉆井平臺類似，平臺上下空間分別為水下輸送設備及其臍帶纜、管道的對接與拆卸提供安裝位置和空間，平臺的空間和高度要滿足采礦設備外形尺寸和布放回收作業(yè)工藝的要求；同時，根據(jù)月池周圍的結構特點和設備布置，支腿式結構應具有良好的承載性能，讓出月池周圍的甲板面積，使布放回收作業(yè)協(xié)同高效。底座平臺結構有整體框架式結構和模塊式結構2種，需考慮雨水、油污和礦漿收集處理等，四周有擋風墻。

鋼結構塔架和底座平臺按采礦功能要求布置在水面支持平臺(船舶)的月池開口上方，塔架在底座平臺上方，底座平臺支腿分布在月池四角，兩側裝配升沉補償系統(tǒng)平臺(見圖3)。

圖3 鋼結構塔架和底座平臺三維模型

1.2 作業(yè)工況分析

深海采礦試驗工程的塔架和底座平臺的作業(yè)工況、載荷類型、承載范圍等與海洋石油鉆井平臺的井架有很大的不同，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 在進行布放回收作業(yè)時，無立根載荷，但存在波浪載荷(運動載荷)，作用在塔架頂部天車或底座平臺開口處；

2) 在進行海底采礦作業(yè)時，水下輸送系統(tǒng)懸掛在底座平臺下方，距離海底數(shù)百米，由底座平臺承載整個水下系統(tǒng)的重量，配備有升沉/懸掛補充系統(tǒng)；

3) 考慮礦漿輸送至甲板上之后存放的需求和可擴展至更大水深采礦作業(yè)的需求，天車補償方式不適用，采用鋼絲繩張緊型升沉補償系統(tǒng)，其鋼絲繩、氣缸和油缸等設備的載荷作用在底座平臺相應的安裝位置處。

1.3 設計參數(shù)計算

1.3.1 最大鉤載計算

據(jù)統(tǒng)計，水下采集和輸送設備(包括硬管、軟管、浮力塊、水下中繼站、提升泵和光電臍帶纜等)的總重量為：空氣中352.6 t；水中282.9 t。參考《海上石油平臺鉆機 第1部分：選型方法》(Q/HS 2037.1—2007)標準化鉆機系列確定載荷，選取90/5850級別，鋼結構塔架和底座平臺設計鉤載確定為

T

=5 850 kN。

1.3.2 風載荷

作業(yè)工況為：4級海況下正常作業(yè)；5級海況下應急回收;6級海況下風暴自存。因此，參照美國石油學會(American Petroleum Institute,API)的《鉆井和修井塔架、底座規(guī)范》和中國船級社(China Classification Society,CCS)的《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》(2005)，鋼結構塔架和底座平臺的設計抗風能力為：正常作業(yè)36 m/s；風暴自存55 m/s。風載荷按《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》(2007)第三章3.2.12節(jié)中的相關內(nèi)容計算。

1.3.3 運動載荷

根據(jù)《船舶與海上設施起重設備規(guī)范》(2007)第三章3.2.11節(jié)中的相關內(nèi)容，在布放和回收過程中，硬管、提升泵和中繼站等水下輸送設備對塔架和底座的運動載荷的計算應考慮垂直于甲板的加速度和平行于甲板的加速度。參考采礦試驗母船的耐波性計算資料，在滿載、5級海況下，船舶的橫搖加速度為8.18(°)/s，垂蕩加速度為1.91 m/s，經(jīng)計算，塔架和底座平臺的運動載荷為垂向加速度±1.0

g

(

g

為重力加速度)，橫向加速度±0.5

g

。

1.3.4 設備靜載荷

塔架上安裝有與布放回收系統(tǒng)相關的天車、游車大鉤、吊環(huán)和翻轉吊卡等設備，底座平臺上安裝有提升絞車、倒繩機和死繩固定器等設備，參照《鉆井和修井塔架、底座規(guī)范》，這些設備的重量與塔架和底座平臺的重量統(tǒng)一之后，按1.6倍自重計算。

1.4 結構設計優(yōu)化

深海采礦試驗工程中的塔架和底座平臺在以下幾個方面進行了優(yōu)化設計：

1) 為適應大開口尺寸的月池，考慮到支反力將作用在月池邊緣，同時讓出月池臺車沿軌道行走的空間，對底座平臺的支腿結構和支點布置進行優(yōu)化設計和加強；

2) 布放回收對象種類多、尺寸大(水下設備中尺寸最長為18 m，最大直徑為Φ930 mm)，重載設備多，對塔架的有效高度、底部跨距和開襠進行適應性改進，避免干涉；

3) 為滿足升沉補償系統(tǒng)的載荷和安裝需求，底座平臺兩側采用尺寸大、承載力好的熱軋H型鋼進行結構加強；

4) 為滿足水下中繼站在底座平臺下轉運和對接的需要，底座平臺設計為單層結構，且其高度符合水下中繼站外形尺寸的要求，同時留出作業(yè)空間。

1.4.1 塔架結構設計

鋼結構塔架由H型鋼作塔架體立柱，整個塔架體由4根立柱和若干橫、斜腹桿經(jīng)高強度螺栓連成一個整體，適于在海上復雜工況下作業(yè)。

1.4.2 底座平臺設計

底座采用支腿桁架結構，支腿主立柱是一個橫截面為方形、以斜撐支撐為輔的鋼結構。同時，底座是各種設備(如塔架、絞車、張緊器等)安裝的載體。底座鋼結構安裝于塔架與主甲板之間，其頂部和底部與鋼結構塔架和主甲板之間分別采用螺栓連接。

2 塔架和底座平臺的技術參數(shù)

塔架和底座平臺的主要技術參數(shù)見表1。

表1 塔架和底座平臺的主要技術參數(shù)

3 塔架和底座平臺的結構強度分析計算

3.1 材料特性及許用應力

主結構材料：低合金結構鋼Q355B；彈性模量

E

=2.1×10MPa；泊松比

ε

=0.3。根據(jù)《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》(2005)第1章第4節(jié)1.4.1中的相關規(guī)定，查閱CCS《材料與焊接規(guī)范》(2009)第一篇第3章第2節(jié)中的相關內(nèi)容，依據(jù)3.2.4.3中一般強度結構用鋼的力學性能，Q355B的屈服強度

σ

≥355 MPa。根據(jù)《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》(2005)第2篇第3章3.3.2中的相關規(guī)定計算許用應力值。許用應力：板單元許用等效應力取

σ

=0.80

σ

=284 N/mm；板單元許用剪切應力取

τ

=0.4

σ

=142 N/mm；梁單元許用等效應力取

σ

=0.70

σ

=248 N/mm。

3.2 有限元模型

采用有限元軟件ANSYS APDL 16.0對鋼結構塔架和底座平臺進行有限元建模和分析。底座平臺面板采用殼單元shell181;平臺支腿和加強結構采用梁單元beam188；塔架立柱和橫、斜腹桿采用梁單元beam188。有限元計算模型和劃分網(wǎng)格后單元見圖4。

圖4 有限元計算模型和劃分網(wǎng)格后單元

3.3 邊界條件和載荷施加情況

對底座平臺的支腿與船舶甲板安裝連接處施加剛性固定的邊界條件。因天車安裝在塔架頂部，液壓卡瓦安裝在底座平臺開口處，參考相關計算分析指南，計算中還應建立2個剛性域，具體如下：

1) 在天車中心處建立1個獨立點，將塔架頂端的節(jié)點自由度與其關聯(lián)；

2) 在底座平臺開口處建立1個獨立點，將開口處面板的節(jié)點自由度與其關聯(lián)。

鋼結構塔架和底座平臺自重為

G

，其在4種典型工況下的載荷施加情況見表2。

表2 鋼結構塔架和底座平臺在4種典型工況下的載荷施加情況

3.4 計算結果與分析

4種工況下的計算結果見表3;各工況下的等效應力云圖見圖5。

表3 鋼結構塔架和底座平臺在4種典型工況下的計算結果

由表3和圖5可知，在邊界條件和4種設計載荷工況下，塔架產(chǎn)生的最大等效應力、底座平臺產(chǎn)生的最大等效應力和最大剪切應力等均小于許用應力，變形量小于承載結構尺寸的0.25%。由此可看出，塔架和底座平臺的結構強度和剛度均滿足使用要求。工況四(風暴自存)下產(chǎn)生的梁單元最大等效應力較為接近材料許用應力，為避免發(fā)生結構疲勞或損壞，當海況超過5級時，應盡快啟動應急回收流程，使塔架和底座平臺處于輕載或空載狀態(tài)。

a) 工況一下的等效應力云圖

b) 工況二下的等效應力云圖

c) 工況三下的等效應力云圖

d) 工況四下的等效應力云圖

4 結 語

1) 參考海洋石油鉆井領域的標準化鉆機選型方法和相關海上平臺船級社規(guī)范，通過計算確定深海采礦試驗工程中塔架和底座平臺的額定靜鉤載、風載荷、波浪載荷和運動載荷；

2) 塔架和底座平臺的結構設計充分考慮深海采礦工程環(huán)境載荷、作業(yè)載荷和恒載荷的聯(lián)合作用，基于深海采礦的實際作業(yè)需求進行結構優(yōu)化；

3) 塔架和底座平臺的計算與分析結果表明，其結構強度和剛度可滿足正常作業(yè)工況的使用要求，但在海況超過5級的情況下，局部的最大等效應力較為接近許用應力，應避免塔架和底座平臺過載或長時間處于超過5級的海況狀態(tài)。