深海采矿钢结构塔架和底座平台的结构设计和强度分析

李文豪， 余 倩， 杨高胜， 陈丹东， 潘志杰

(1.中国舰船研究设计中心， 湖北 武汉 430064；2.武汉船舶设计研究院有限公司， 湖北 武汉 430064；3.宝鸡石油机械有限责任公司， 陕西 宝鸡 721002)

0 引 言

深海海底蕴藏有丰富的矿产资源，深海矿产资源开发技术的发展对经济社会发展和国家资源安全保障具有重要作用，已成为世界各国关注的焦点。自二十世纪六七十年代以来，美国、日本、加拿大和德国相继进行了大洋多金属结核采矿系统开发研究，其中：国际跨国集团OMI将打捞船改建成SEDCO445深海采矿试验船；OMA与OMCO财团联合，将西班牙C1-M-AV1号钻探船改装成Dcepsea Miner II采矿试验船。这2种采矿试验的水面支持平台采用塔型井架和底座平台作为主要承载结构，采用天车型升沉补偿系统。我国在“十三五”期间立项了国家重点研发计划项目“深海多金属结核采矿试验工程”，该项目计划研制一套水深3 500 m的深海采矿试验系统，并完成不小于1 000 m水深的海上整体联动试验。图1为该深海采矿系统总布置图。

图1 深海采矿系统总布置图

作为采矿船作业过程中用到的重要承载结构，钢结构塔架和底座平台是水面支持系统的重要组成部分。塔架主要用于安装提升系统的天车和悬挂游动设备，辅助进行硬管、提升泵和水下中继站等设备的布放回收作业。底座平台在采矿作业过程中为塔架、绞车、升沉补偿系统及相关设备提供作业支撑和安装位置，为操作人员提供充足的操作空间，在下放和提升输送硬管过程中作为水下输送系统的临时悬挂承载体，也是管道对接与拆卸装置作业平台。图2为塔架和底座平台甲板布置图。

图2 塔架和底座平台甲板布置图

当前深海采矿工程领域还没有指定相关的设计标准或行业规范，因与深海油气工程领域较为类似，充分借鉴海洋石油钻井平台的工程和设计经验，归纳深海采矿试验工程的技术特点，提出更符合深海采矿工程的设计结构和作业布局，以达到预期的使用效果。

1 塔架和底座平台的结构设计

1.1 结构形式分析

根据作业环境和不同工况下的特殊要求，目前钢结构井架有多种结构样式，如A型、K型和双塔型等。钢结构塔架多采用螺栓连接，因其结构形状具有稳定性好和承载力大等优点而广泛应用于海洋工程领域中。塔架是由很多实腹板式单一杆件组成的空间桁架结构，任意一个横截面为正方形或矩形。塔架本体分为4扇平面桁架，每扇又分为若干个桁格，同一高度的4面桁格在空间上构成塔架的1层，故可将塔架看成是由许多层空间桁架组成的。塔架的高度要考虑安全行程、布放设备尺寸、管道对接拆卸的处理高度和油吊系统等，塔架V型大门的高度要与布放对象(硬管、提升泵等)的规格尺寸匹配，无需二层台。

深海采矿工程底座平台的功能与钻井平台类似，平台上下空间分别为水下输送设备及其脐带缆、管道的对接与拆卸提供安装位置和空间，平台的空间和高度要满足采矿设备外形尺寸和布放回收作业工艺的要求；同时，根据月池周围的结构特点和设备布置，支腿式结构应具有良好的承载性能，让出月池周围的甲板面积，使布放回收作业协同高效。底座平台结构有整体框架式结构和模块式结构2种，需考虑雨水、油污和矿浆收集处理等，四周有挡风墙。

钢结构塔架和底座平台按采矿功能要求布置在水面支持平台(船舶)的月池开口上方，塔架在底座平台上方，底座平台支腿分布在月池四角，两侧装配升沉补偿系统平台(见图3)。

图3 钢结构塔架和底座平台三维模型

1.2 作业工况分析

深海采矿试验工程的塔架和底座平台的作业工况、载荷类型、承载范围等与海洋石油钻井平台的井架有很大的不同，主要体现在以下几个方面：

1) 在进行布放回收作业时，无立根载荷，但存在波浪载荷(运动载荷)，作用在塔架顶部天车或底座平台开口处；

2) 在进行海底采矿作业时，水下输送系统悬挂在底座平台下方，距离海底数百米，由底座平台承载整个水下系统的重量，配备有升沉/悬挂补充系统；

3) 考虑矿浆输送至甲板上之后存放的需求和可扩展至更大水深采矿作业的需求，天车补偿方式不适用，采用钢丝绳张紧型升沉补偿系统，其钢丝绳、气缸和油缸等设备的载荷作用在底座平台相应的安装位置处。

1.3 设计参数计算

1.3.1 最大钩载计算

据统计，水下采集和输送设备(包括硬管、软管、浮力块、水下中继站、提升泵和光电脐带缆等)的总重量为：空气中352.6 t；水中282.9 t。参考《海上石油平台钻机 第1部分：选型方法》(Q/HS 2037.1—2007)标准化钻机系列确定载荷，选取90/5850级别，钢结构塔架和底座平台设计钩载确定为

T

=5 850 kN。

1.3.2 风载荷

作业工况为：4级海况下正常作业；5级海况下应急回收;6级海况下风暴自存。因此，参照美国石油学会(American Petroleum Institute,API)的《钻井和修井塔架、底座规范》和中国船级社(China Classification Society,CCS)的《海上移动平台入级与建造规范》(2005)，钢结构塔架和底座平台的设计抗风能力为：正常作业36 m/s；风暴自存55 m/s。风载荷按《船舶与海上设施起重设备规范》(2007)第三章3.2.12节中的相关内容计算。

1.3.3 运动载荷

根据《船舶与海上设施起重设备规范》(2007)第三章3.2.11节中的相关内容，在布放和回收过程中，硬管、提升泵和中继站等水下输送设备对塔架和底座的运动载荷的计算应考虑垂直于甲板的加速度和平行于甲板的加速度。参考采矿试验母船的耐波性计算资料，在满载、5级海况下，船舶的横摇加速度为8.18(°)/s，垂荡加速度为1.91 m/s，经计算，塔架和底座平台的运动载荷为垂向加速度±1.0

g

(

g

为重力加速度)，横向加速度±0.5

g

。

1.3.4 设备静载荷

塔架上安装有与布放回收系统相关的天车、游车大钩、吊环和翻转吊卡等设备，底座平台上安装有提升绞车、倒绳机和死绳固定器等设备，参照《钻井和修井塔架、底座规范》，这些设备的重量与塔架和底座平台的重量统一之后，按1.6倍自重计算。

1.4 结构设计优化

深海采矿试验工程中的塔架和底座平台在以下几个方面进行了优化设计：

1) 为适应大开口尺寸的月池，考虑到支反力将作用在月池边缘，同时让出月池台车沿轨道行走的空间，对底座平台的支腿结构和支点布置进行优化设计和加强；

2) 布放回收对象种类多、尺寸大(水下设备中尺寸最长为18 m，最大直径为Φ930 mm)，重载设备多，对塔架的有效高度、底部跨距和开裆进行适应性改进，避免干涉；

3) 为满足升沉补偿系统的载荷和安装需求，底座平台两侧采用尺寸大、承载力好的热轧H型钢进行结构加强；

4) 为满足水下中继站在底座平台下转运和对接的需要，底座平台设计为单层结构，且其高度符合水下中继站外形尺寸的要求，同时留出作业空间。

1.4.1 塔架结构设计

钢结构塔架由H型钢作塔架体立柱，整个塔架体由4根立柱和若干横、斜腹杆经高强度螺栓连成一个整体，适于在海上复杂工况下作业。

1.4.2 底座平台设计

底座采用支腿桁架结构，支腿主立柱是一个横截面为方形、以斜撑支撑为辅的钢结构。同时，底座是各种设备(如塔架、绞车、张紧器等)安装的载体。底座钢结构安装于塔架与主甲板之间，其顶部和底部与钢结构塔架和主甲板之间分别采用螺栓连接。

2 塔架和底座平台的技术参数

塔架和底座平台的主要技术参数见表1。

表1 塔架和底座平台的主要技术参数

3 塔架和底座平台的结构强度分析计算

3.1 材料特性及许用应力

主结构材料：低合金结构钢Q355B；弹性模量

E

=2.1×10MPa；泊松比

ε

=0.3。根据《海上移动平台入级与建造规范》(2005)第1章第4节1.4.1中的相关规定，查阅CCS《材料与焊接规范》(2009)第一篇第3章第2节中的相关内容，依据3.2.4.3中一般强度结构用钢的力学性能，Q355B的屈服强度

σ

≥355 MPa。根据《海上移动平台入级与建造规范》(2005)第2篇第3章3.3.2中的相关规定计算许用应力值。许用应力：板单元许用等效应力取

σ

=0.80

σ

=284 N/mm；板单元许用剪切应力取

τ

=0.4

σ

=142 N/mm；梁单元许用等效应力取

σ

=0.70

σ

=248 N/mm。

3.2 有限元模型

采用有限元软件ANSYS APDL 16.0对钢结构塔架和底座平台进行有限元建模和分析。底座平台面板采用壳单元shell181;平台支腿和加强结构采用梁单元beam188；塔架立柱和横、斜腹杆采用梁单元beam188。有限元计算模型和划分网格后单元见图4。

图4 有限元计算模型和划分网格后单元

3.3 边界条件和载荷施加情况

对底座平台的支腿与船舶甲板安装连接处施加刚性固定的边界条件。因天车安装在塔架顶部，液压卡瓦安装在底座平台开口处，参考相关计算分析指南，计算中还应建立2个刚性域，具体如下：

1) 在天车中心处建立1个独立点，将塔架顶端的节点自由度与其关联；

2) 在底座平台开口处建立1个独立点，将开口处面板的节点自由度与其关联。

钢结构塔架和底座平台自重为

G

，其在4种典型工况下的载荷施加情况见表2。

表2 钢结构塔架和底座平台在4种典型工况下的载荷施加情况

3.4 计算结果与分析

4种工况下的计算结果见表3;各工况下的等效应力云图见图5。

表3 钢结构塔架和底座平台在4种典型工况下的计算结果

由表3和图5可知，在边界条件和4种设计载荷工况下，塔架产生的最大等效应力、底座平台产生的最大等效应力和最大剪切应力等均小于许用应力，变形量小于承载结构尺寸的0.25%。由此可看出，塔架和底座平台的结构强度和刚度均满足使用要求。工况四(风暴自存)下产生的梁单元最大等效应力较为接近材料许用应力，为避免发生结构疲劳或损坏，当海况超过5级时，应尽快启动应急回收流程，使塔架和底座平台处于轻载或空载状态。

a) 工况一下的等效应力云图

b) 工况二下的等效应力云图

c) 工况三下的等效应力云图

d) 工况四下的等效应力云图

4 结 语

1) 参考海洋石油钻井领域的标准化钻机选型方法和相关海上平台船级社规范，通过计算确定深海采矿试验工程中塔架和底座平台的额定静钩载、风载荷、波浪载荷和运动载荷；

2) 塔架和底座平台的结构设计充分考虑深海采矿工程环境载荷、作业载荷和恒载荷的联合作用，基于深海采矿的实际作业需求进行结构优化；

3) 塔架和底座平台的计算与分析结果表明，其结构强度和刚度可满足正常作业工况的使用要求，但在海况超过5级的情况下，局部的最大等效应力较为接近许用应力，应避免塔架和底座平台过载或长时间处于超过5级的海况状态。