CN110683010B

CN110683010B - 一种快装巢囊式海上采矿平台的建造方法

Info

Publication number: CN110683010B
Application number: CN201910961172.8A
Authority: CN
Inventors: 刘照朗
Original assignee: Guangdong Anyuan Mining Technology Service Co ltd
Current assignee: Guangdong Anyuan Mining Technology Service Co ltd
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: CN110683010A

Abstract

这种快装巢囊式海上采矿平台由多个独立平台单元相互组合形成，可拼装组合成各种形状和大小的采矿平台布局；独立平台单元的框架笼如蜂巢形状，每个方框都形成上下贯通的巢道，每条巢道中定距离挂设悬吊气囊，工作时期，能够方便地对框架笼的悬吊气囊进行检修和更换；由于这种采矿平台拥有数量庞大的浮力微元子——悬吊气囊，即使多个浮力微元子破损，仍不致影响平台承载能力的大局，因此，这种巢囊式采矿平台抗破损能力强，安全性更高，且方便维护修复；另外，这种巢囊式采矿平台较之船舶式整体平台更能缓冲和抵御风浪作用，在海洋气候环境下作业稳定性更好；且能适应内陆水体的浮桥、平台等工程使用。

Description

一种快装巢囊式海上采矿平台的建造方法

技术领域：

本申请属海洋采矿技术领域。

技术背景：

非油气海上采矿平台在较深海域一般适用漂浮式，使采矿平台能够随海底采场推进而方便移动；目前，这种采矿平台仍以船舶式为主，大而笨重，需要在工厂整体建造；本申请提出一种快装巢囊式、海上漂浮的采矿平台，建造方法是：在工厂预制平台部件，运输到现场组装成平台，平台可大可小，可分离可合并，方便采矿作业；发明内容如下。

发明内容：

这种快装巢囊式海上采矿平台由多个独立平台单元相互组合形成；独立平台单元可拼装组合成分区采矿平台，分区采矿平台又可以合并成大区采矿平台，根据采矿需要随时拼装组合或者拆分解体，可形成各种形状和大小的采矿平台布局；独立平台单元的组成构造见附图1，它包括四个主要部分，分别是：框架笼1、悬吊气囊2、平台桁架3和平台铺板4。

框架笼1是用型钢或其他适用材料组构的一个立方形体框架，其结构如蜂巢形状；框架笼平面的每个方框都形成上下贯通的巢道，每条巢道中定距离挂设N个悬吊气囊2；框架笼的高度即是巢道长度，也是独立平台单元的最大吃水深度；本例中：框架笼的平面尺寸为10m×10m，高度25m，巢道断面1m×1m，按5m间距，每条巢道挂设5个悬吊气囊；为定位布置悬吊气囊，在框架笼每条巢道的四角，各设置一幅挂环构件(图中未画出)；组成框架笼的横撑竖撑宜选用轻型材料，以减轻框架笼自重；本例：框架笼全部选用50mm×50mm中空方钢；每节方钢内腔充填泡沫塑料，端部充填密封性可靠的树脂或塑胶，这样可避免海水浸入造成的内腐蚀，焊接成型后，构件外部再涂刷防腐漆。

挂环构件的组成如附图2所示：开缝套管5贯通巢道，用固定片12焊接固定在角点的横撑上，内接杆7穿插在开缝套管中；开缝套管和内接杆顶部分别留有限位孔，用限位销6实现定位；内接杆上固定有挂环板10，挂环板上留有挂环孔11，挂环孔用于栓系悬吊气囊2的悬吊绳，挂环板的间距适应悬吊气囊间距；挂环板伸出开缝套管的贯通开缝，使内接杆和挂环板能够沿开缝套管上下移动；内接杆是分节连接的，分节长度适应悬吊气囊；连接块8焊接在内接杆的每分节端部，用螺钉9实现内接杆的连接；悬吊气囊安装时，内接杆分节连接，送入开缝套管中，携带悬吊气囊下降到设计位置；检修时，内接杆提起并分节拆卸，将悬吊气囊带到上部，进行更换或修理；挂环构件的组成结构，使采矿平台在工作时期，能够方便地对框架笼每条巢道的悬吊气囊进行检修和更换。

为独立平台单元提供承载能力的浮力微元子是悬吊气囊2；悬吊气囊用柔性材料制作，充气后膨胀成压气罐形状，放气后能恢复柔性，便于折叠收回；悬吊气囊带有四条悬吊绳(图中未画出)，四条悬吊绳分别栓系在巢道四角挂环构件的挂环孔中，产生上向拉力；悬吊气囊上部安装有一条柔性通气管(图中未画出)，通气管连接巢道上口的配气阀块；悬吊气囊上部还安装有排气安全阀(图中未画出)，当气囊内外压力差大于设定值时，安全阀排气泄压以保护气囊；悬吊气囊的膨胀直径与巢道适应，悬吊气囊的膨胀长度适应其挂设间距；工作时期悬吊气囊处于不同的吃水深度，控制的充气压力为最大吃水深度的对应压力+膨胀超压；这样的设定，使得各悬吊气囊虽然吃水深度不同，但内外压差基本相同，悬吊气囊承载的压力负荷基本一致，可以选用同等材质；由于采矿平台拥有数量庞大的浮力微元子——悬吊气囊，即使多个浮力微元子破损，仍不致影响平台承载能力的大局，因此，这种巢囊式采矿平台抗破损能力强，安全性更高，且方便维护修复。

平台桁架3是用型钢(或其他材料)组构建造的刚性支架，用连接件固定在框架笼上部，使独立平台单元形成一个刚性整体；平台桁架上部铺设平台铺板，作为采矿作业平台；平台铺板高出框架笼顶面适当距离，形成平台下一层隐蔽空间，该空间用于框架笼悬吊气囊等构件的检修维护，以及安装辅助设备和仓储；平台桁架的平面尺寸略大于框架笼，因此，框架笼之间形成缝隙，该缝隙宜设置防撞连接机制，如施加弹性钢板(钢圈)、橡胶垫板和钢丝绳等；框架笼之间设置缝隙的主要作用是缓冲风浪冲击。

图中未画出的辅助部件还有：配气阀块、移动式充气盘、压气管道和压气设备；框架笼每个巢道的上口均安装有一个配气阀块，配气阀块带有N个配气阀，分别与N个悬吊气囊的通气管连接，每个配气阀上带有低压报警灯，当悬吊气囊的内压低于设定值时报警灯显示；移动式充气盘带有与N个悬吊气囊对应的N个充气控制阀，不论压气管道供应的压力多高，每个充气控制阀向对应悬吊气囊输送的气压都是设定值；每副框架笼上部都设置有压气管道接口，可随时用移动式充气盘对各条巢道的悬吊气囊充压和放气；压气设备一般采用空压机，也可采用其他气源(如干冰)，多个独立平台单元或者一个分区平台公用一部压气设备即可。

说明书附图说明：

图1是独立平台单元的结构示意图，图中标注符号的意义是：

1——框架笼， 2——悬吊气囊， 3——平台桁架，

4——平台铺板；

图2是挂环构件的组装结构示意图，图中标注符号的意义是：

5——开缝套管， 6——限位销钉， 7——内接杆，

8——连接块， 9——螺钉， 10——挂环板，

11——挂环孔， 12——固定片。

具体实施方法：

框架笼、悬吊气囊、平台桁架和平台铺板应工厂预制；悬吊气囊预安装到框架笼中，框架笼和平台桁架完成对接，再运输到现场组装；组装时，先对框架笼的水面下第一层悬吊气囊充气，重心作用使独立平台单元直立漂浮在水面上，并采用漂浮体杠杆增强其稳定性；利用充放气调节独立平台单元的水面高程，多副平台桁架对接后，再铺设平台铺板，即形成分区采矿平台；各分区采矿平台的生产功能和承载负荷不同，控制的高程相应调节；各分区采矿平台之间宜采用半柔性连接机制，通过吊桥或者搭接铺板使分区平台相互连通；应注意：各分区采矿平台的平面尺寸要大于框架笼吃水深度2倍以上，以确保整体稳定，预防侧翻。

悬吊气囊材质的破断强度是涉及采矿平台安全和工作可靠性的重要课题；本例：悬吊气囊间距为5.0m，设定膨胀超压20KPa，则在框架笼全深吃水工况下，水面下第一层悬吊气囊的充气压力(相对压力)应为70KPa(7m水头压力)，以下悬吊气囊的充气压力依次为120KPa、170KPa、220KPa和270KPa，此时各深度气囊的最大内外压差均为70KPa；但是，若采矿平台因负荷减轻而上浮时，原水面下第一层气囊离水后的最大内外压差仍保持不变(因大气压不变)，但以下各层气囊的内外压差将因水压降低而上升，相应的以下各层气囊的破断负荷也会增大；因此，设计时既要预留气囊的许用破断强度安全系数，又要采取措施控制采矿平台的最大允许升浮高度；仍以本例计算：当设计允许采矿平台最大升浮高度为3.0m时，第二层及以下各层气囊的最大内外压差将达到100KPa，设各层气囊的充气膨胀直径为1.0m，计算气囊材质的许用破断力应为50kN/m；当前技术条件下，织造土工布的标称抗拉强度能够达到这个指标；为防止悬吊气囊超负荷破坏，采矿平台在工作时期，要严格控制升浮高程；采取的办法是：当预计到采矿平台将卸荷时，对某一层位的悬吊气囊提前泄压放气。

承载能力测算：本例单幅框架笼自重(含充塑)约100t，浮重量约60t，单幅平台桁架+平台铺板的重约40t，则独立平台单元的吃水有效重量为100t；单条浮力微元子——悬吊气囊的浮力为(π/4)×0.95²×4.8≈3.4(t)，独立平台单元悬吊的气囊数为500条，总浮力约为1700t；独立平台单元的表面积约10.6²≈112㎡，单位承载能力为(1700-100)/112≈14.3t，预留安全系数20％，则许用承载能力为14.3×(1-20％)≈11.4t/㎡；这样的承载能力能够满足矿石堆场、工业厂房和辅助设施的建设需求；若遇到长期承载量较小的工况，可以减小框架笼高度，或者减少悬吊气囊的层数，或者将某一层气囊放空。

这种巢囊式采矿平台的另一个重要特点是：独立平台单元采用拼接组合方式使框架笼之间保持缝隙，框架笼各组成构件之间也保持有缝隙；这种组构方式能够极大地缓冲风浪作用的机理分析如下：海水作为流体具有黏度特性，当海水与物体之间产生相对运动时，黏度特性使得海水与物体的界面层产生摩擦阻力，摩擦阻力的大小不仅与相对速度正相关，还与相互间的接触面积(即界面层面积)正相关；船舶式采矿平台外围是密不透风的整体结构，那么它与海水接触界面的面积仅是外表面积，当采矿平台受到风浪冲击发生摇摆晃动时，受到的摩擦阻力很有限；这种巢囊式的平台构造，使得采矿平台吃水部分的所有构件都与海水接触，界面面积扩大几十倍甚至上百倍，采矿平台在受到风浪冲击发生摇晃摆动时，摩擦阻力会极大削弱这种摇摆和晃动；因此，巢囊式采矿平台较之船舶式整体平台更能缓冲和抵御风浪作用，在海洋气候环境下作业稳定性更好。

这种巢囊式采矿平台的框架笼和平台桁架也能制作成分体式；如框架笼可制成多节，现场对接合并；平台桁架也能预制成多个部件，现场组装并与框架笼扣接、合并；这种巢囊式采矿平台的布局和建造方式也能适应内陆水体的浮桥、平台等工程使用。

Claims

1.一种快装巢囊式海上采矿平台的建造方法，其特征在于：

该巢囊式海上采矿平台由多个独立平台单元相互组合形成，独立平台单元包括框架笼、悬吊气囊、平台桁架和平台铺板四个主要部分；独立平台单元可拼装组合成分区采矿平台，分区采矿平台又可以合并成大区采矿平台，根据采矿需要随时拼装组合或者拆分解体，可形成各种形状和大小的采矿平台布局；

独立平台单元的框架笼是一个立方体框架，其结构为蜂巢形状；框架笼平面的每个方框都形成上下贯通的巢道，每条巢道中定距离挂设多个悬吊气囊；框架笼的高度即是巢道长度，也是独立平台单元的最大吃水深度；为定位布置悬吊气囊，在框架笼每条巢道的四角，各设置一幅挂环构件；挂环构件的组成为：开缝套管5贯通巢道，开缝套管5通过固定片12焊接固定在角点的横撑上，内接杆7穿插在开缝套管中；开缝套管和内接杆顶部分别留有限位孔，用限位销6实现定位；内接杆上固定有挂环板10，挂环板上留有挂环孔11，挂环孔用于栓系悬吊气囊的悬吊绳，挂环板的间距适应悬吊气囊间距；挂环板伸出开缝套管的贯通开缝，使内接杆和挂环板能够沿开缝套管上下移动；内接杆是分节连接的，分节长度适应悬吊气囊；连接块8焊接在内接杆的每分节端部，用螺钉9实现内接杆的连接；悬吊气囊安装时，内接杆分节连接，送入开缝套管中，携带悬吊气囊下降到设计位置；检修时，内接杆提起并分节拆卸，将悬吊气囊带到上部，进行更换或修理；挂环构件的组成结构，使巢囊式海上采矿平台在工作时期，能够方便地对框架笼每条巢道的悬吊气囊进行检修和更换；

巢囊式海上采矿平台拥有数量庞大的悬吊气囊，即使多个悬吊气囊破损，仍不致影响平台整体的承载能力；巢囊式海上采矿平台的配气机构能实现对每层悬吊气囊的放气和充气，调节巢囊式海上采矿平台适应不同的承载工况；

巢囊式海上采矿平台的框架笼之间留有缝隙，缝隙设置有防撞连接机制；框架笼本体也包含大量微缝隙；与常规船舶式平台相比较，巢囊式海上采矿平台的水下缝隙使得其与海水的接触界面扩大几十倍，巢囊式海上采矿平台在受到风浪冲击发生摇晃摆动时，海水粘滞作用形成的摩擦阻力会极大削弱摇摆和晃动；

该巢囊式海上采矿平台的布局和建造方式也能适应内陆水体的浮桥、平台使用。