深海采矿船船体结构设计综述

杨亚男 张 勇 王 璞

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

占地球表面71%的海洋拥有丰富的矿产资源，多年来人们都有开发利用海洋资源的迫切愿望。随着技术进步，当前国际上深海采矿业已经有商业化的趋势。在已发现的深海矿产资源中，主要有多金属锰结核，富钴结壳和多金属硫化物。其中多金属硫化物富含金、银等贵金属含量丰富，最具商业开发价值。目前，我国在多金属硫化物船型开发设计方面还基本处于空白。因此，非常有必要进行深海采矿船的船型开发和关键共性技术的研究。

本文通过研究目标采矿船的初步总体布置，设计采矿船船体构架的基本方案，分析采矿船结构型式特点，探索符合采矿船结构设计载荷选取方法，掌握深海采矿船船体结构的设计与校核方法，为未来深海多金属硫化物矿产资源的商业化开采提供技术支撑。

1 目标采矿船概况

主甲板以下分为首部、中部货舱区、尾部三个部分。图1所示为设计目标采矿船的总布置图。采矿船一般作业流程为：

（1）选址定位；

（2）下放水下机器人（ROV）和中继站隔水管；

（3）采矿、扬矿；

（4）矿浆脱水；

（5）矿物储存；

（6）外输至运输船。

图1 采矿船总布置图

2 深海采矿船结构设计适用规范

2.1 设计规范的使用

目前各船级社尚无针对深海采矿船结构设计的专门规范，由于采矿船在海上长期作业，和FPSO的作业周期类似；然而采矿船的货舱结构又和矿砂船相似。因此，选择FPSO和矿砂船的规范中的关联内容，用于指导采矿船的结构设计。

采矿船是一艘船型海上的矿产开采储运装置，船体形状和分舱都和矿砂船相似。但由于采矿功能的要求同时设置了月池结构，各功能模块区域，以及相关设备加强结构；因此也和FPSO类似，对采矿船进行结构分区。CCS《海上浮式装置入级规范》第1章第2节1.2.1.23 & 1.2.1.24规定将浮体结构分为2部分：海工区域、船舶区域。船舶区域的结构设计参照CCS《钢质海船入级规范（2015）》第2篇的基本要求，海工区域的结构设计参照CCS《海上移动平台入级规范》。

采矿船的总纵强度计算分为迁移状态和作业状态分别进行计算。采矿船航行作业时，其所装载的矿石与矿砂物理特征类似，因此采矿船迁移状态的总强度校核主要参考CCS《矿砂船船体结构强度直接计算指南（2016）》计算。采矿船采矿作业状态时，作业状态的波浪弯矩和剪力由直接计算得到。采矿船的作业状态的总强度校核主要参考CCS《海上浮式装置入级规范（2014）》。采矿船疲劳强度分析参考《海洋工程结构物疲劳强度评估指南》。

2.2 深海采矿船设计载荷

深海采矿船有航行工况和在位工况的区分。航行工况波浪载荷的计算是依据中国船级社深海采矿船船型评估指南中的规范计算公式得到。在位工况的波浪载荷由直接计算得到，本文采用DNV船级社开发的SESAM程序直接计算得到。该船作业海域位于西南印度洋。根据船舶装载工况，选取在位工况下的作业工况、生存工况、事故/浸水工况、布放回收4种工况进行波浪弯矩和剪力的计算，具体数据见表1。

表1 波浪载荷设计参数

3 船体设计

3.1 中剖面设计

由于在船舯区域存在月池，月池开口范围内的纵向构件在此间断。为保证船体总纵强度，月池区域的纵向构架均增大尺寸，并且甲板和内壳纵舱壁增加板厚。月池开孔区域的中剖面见图2。另外，纵向构件要保持连续，月池的局部纵壁都设计了构件过渡。

图2 采矿船舯横剖面（月池区域）

由于采矿船的货舱装载货物为矿石，在货舱前后端壁前后质量分布变化明显。但是货舱纵壁却在前后端壁位置处终止，前后端壁处的连续纵壁反而由6道减为4道。因此，货舱前后舱壁位置处的总纵剪力的校核是非常必要的。FR46和FR225的总纵剪力校核结果参见下页图3和图4。

图3 FR46剪力校核结果

图4 FR225剪力校核结果

3.2 甲板结构设计

采矿船的主甲板上有塔架、外输设备、硬管存放模块区、矿物处理模块、绞车等多种甲板设备。主甲板设计载荷为10 t/m2，这就要求甲板强横梁具有足够强度。另一方面在货舱里有矿物输送设备，矿物输送固定于舱顶，消耗了相当的舱容。为降低强横梁高度，保证货舱舱容，同时也能给矿物输送提供加强支撑，本船的主甲板设置了甲板纵桁。甲板纵桁和强横梁相互支撑，既能保证主甲板的强度，也有利于甲板机械加强结构的设置。

3.3 货舱结构

一般矿砂船在内底板和货舱纵壁位置，设置HOPPER斜板，如图5所示.这样设计既有利于卸货清舱，更有利于降低在内底板位置处的总强度应力。但是本次深海采矿船的货舱内安装有矿物输送装置，由于矿物输送设备的需要，内壳纵壁和内底板需要保持直角， 如图6所示。

图5 普通矿砂船设置HOPPER板

图6 采矿船货舱纵壁直角

采矿船的货舱有限元结构分析，航行工况采用三舱段有限元模型，作业工况采用全船有限元模型。由于内壳纵壁和内底板的连接处呈直角，在船体梁弯曲变形时会在连接处形成较大应力集中。为解决这个问题，本次研究有限元分析结果，重点分析此处的应力情况；选取合理的内底板和纵舱壁板厚，并要求内壳纵壁板和内底板连接的焊缝为全焊透（如图7所示）。

3.4 特殊设备加强

采矿船主甲板空间紧张，功能模块、物料堆场、塔架、采矿车、A字架等多种作业设备。结构设计时一方面应注意与布置协调，另一方面应深入了解设备的功能特点、工作条件以及一些特殊工况合理设计加强。

以塔架的加强设计为例，就一定要在设计塔架的时候，塔架的4个支腿落在月池外围的角点位置。这一位置能给塔架提供足够的支撑，并且结构加强的设计简单、强度高。如果塔架支腿位置和船体结构位置前期没有协调好，将导致加强结构复杂，增大设计难度，增加校核计算工作量。图8和下页图9为本次设计的塔架加强结构。

图7 货舱纵壁和内底板的直角连接位置的应力校核情况

图8 塔架结构加强平面图

图9 塔架结构加强侧视图

4 结 语

深海采矿的商业化初见端倪，采矿船是实行深海采矿的主要装备。本次以工信部下达的深海采矿船船型开发为契机，对采矿船的适用规范、载荷预报、结构设计特点和关键区域进行研究，总结出采矿船结构设计的一些特点，从而为以后的采矿船工程提供参考。