Рисунок 1 - Схема установки.
C.R. Deepak, M. A. Shajahan, M. A. Atmanand, K. Annamalai, R. Jeyamani, M. Ravindran, National Institute of Ocean Technology, Chennai, India (http://www.niot.ernet.in)
E. Schulte, R. Handschuh, J.Panthel, H. Grebe, W.Schwarz. Institut fur Konstruktions - und Fordertechnik, Universitat Siegen, Siegen, Germany (http://www.uni-siegen.de)
Автор перевода: Кукиб С.В.Подводная система разработки и добычи полезных ископаемых с гусеничными машинами и гибким трубопроводом была предложена для добычи марганцевых конкреций. Гибкий трубопровод с одним поршневым насосом установлен на горной машине и отличается от машин семидесятых с жестким трубопроводом, когда несколько насосов установлены на разных глубинах. Система была испытана для добычи полезных ископаемых на глубине 410 метров. Четыре испытания системы были проведены в Индийском океане. Обсуждается концепция гибкого трубопровода, подробная информация о проведенных испытаниях и полученные результаты. Приведены специфические детали насосного подъема и результаты тестов маневренности. Исходя из результатов испытаний, предложены усовершенствования для будущей системы глубоководной морской добычи.
Системы добычи песка, подводный аппарат добычи, машина на гусеничном ходу, гибкий трубопровод.
Глубоководная добыча полезных ископаемых, таких как марганцевых конкреций была одна из самых сложных задач, стоящих перед морской техникой. Конкреции находятся на дне океана на глубинах от 5000 до 6000 метров. Горная машина/транспортное средство должно двигаться на дне океана с очень низкой несущей способностью порядка 50 г/см2, обходить препятствия, и выборочно собирать конкреции с минимальным воздействии на окружающую среду. Вся система должна быть способна к легкому развертыванию и быть надежной, так как подводные техническое обслуживание и ремонт будут почти невозможны. Большинство из существующих концепций глубоководной добычи базируются на основе испытаний, проведенных различными консорциумами, действовавшими в семидесятые годы (Chung, Whitney and Loden 1980; Brink and Chung, 1981; Chung, 1996). Системы сбора конкреций были либо самоходные (Chung 1996) или буксируемые (Гейне и Сен, 1978), которые собирают и перекачивают конкреции с морского дна к системе подъема либо непосредственно, либо через промежуточное устройство временного хранения. Система подъема была насосной либо эрлифтной. Системы насосного подъема имели многоступенчатые центробежные насосы, установленные на трех различных глубинах (Kuntz, 1978; Chung and Tsurusaki, 1994). В случае пневматических систем, сжатый воздух был введен на средних глубинах и твердое поднималось в трехфазной смеси. Системы гидравлического подъема имели проблемы из-за износа колес. Обслуживание этих систем было сложным. Производительность эрлифтной системы была намного ниже ожидаемых уровней. Развертывание и извлечение тяжелых трубопроводов было очень сложным и трудоемким. Использование этих систем были весьма дорогостоящими. Органом Международной комиссии по морскому дну Индии был выделен рудник в центральном бассейне Индийского океана (CIOB) для разработки технологии подъема марганцевых конкреций. В рамках совместных программ сотрудничества с участием Национального института океанских технологий, (NIOT) Индия и Института fur Konstruktion (ИКС) из Университета Зиген, Германия была начата разработка глубоководных систем добычи с гусеничным добывающим органом и гибким трубопроводом. На первом этапе чрезвычайно важно, чтобы система оказалась работоспособна на мелководье до испытаний той же концепции в условиях глубокого моря. Таким образом, система с гибким трубопроводом была разработана и опробована в Индийском море на глубине 410 метров. Были проведены четыре испытания системы.
Система с гибким трубопроводом (Grebe, 1997) является одной из систем глубоководной морской добычи разработанных после Соглашения о Морском дне (UNCLOS-III), вступившем в силу с 1994 года. Схема системы с гибким трубопроводом показана на рисунке 1. Основными подсистемами системы с гибким трубопроводом являются: подводная машина добычи/транспортное средство, гибкий трубопровод, системы запуска и подъема и базовой станции. Машина на гусеничном ходу собирает конкреции и движется по морскому дну. Подводная добычная машина выполнена самоходной с дистанционным управлением. Специальное подбирающее и просеивающее устройство собирает конкреции размером 20-100 мм, отсеивает осадок и передает конкреции на винтовую дробилку через установленный под большим углом ленточный конвейер. Конкреции измельчаются до размера менее чем 30 мм, и подаются к поршневому насосу. К одной базовой станции могут быть подключены 3-4 добывающие машины. От базовой станции конкреции транспортируются на баржи или рудовозы. Наличие множества горных машин, гибкий трубопровод взамен жесткого и один поршневой насос вместо нескольких центробежных насосов основные отличия этой системы по сравнению с предыдущими системами. Вся система была подробно рассмотрена в Handschuh (2001).
Систему с гибким трубопроводом было предложено реализовать в три этапа:
Первый этап проверки концепции системы с гибким трубопроводом был проведен в Индийском океане. Подробная информация о системе представлена в Ravindran и др. (1999) и Deepak. (1999). Схема системы показана на рисунке 2. Подводный аппарат добычи был разработан для работы на мягком дне. Гусеничная машина имела специальные траки с эвольвентным зубьями для сжатия дна во время движения (Rehorn, 1994). Гусеничная машина была оснащена манипулятором с резаком для размытия дна и добычи песка и нагнетательным поршневым насосом, для доставки песчаного раствора на базовое судно через гибкий шланг. Главный привод гусеничной машины является гидравлическими. Гусеничная машина имеет датчики для измерения скорости, скорости барабана, курса, концентрации песка и управления с обратной связью по скорости, курсу и передвижению (Atmanand, 2000). Составной кабель с внешним кожухом из стали удерживает гусеничное транспортное средство во время запуска и извлечения. Кабель имеет медные жилы и оптические волокна для подвода электричества и передачи данных соответственно. В начале спуска в соответствующих местах размещаются поплавки для того, чтобы придать гибкому трубопроводу S-образный профиль, как показано на рисунке 2. Кабеля и шланги соединены через равные промежутки для того, чтобы они вели себя как единое целое. По достижении морского дна добыча может быть начата после получения S-образного профиля шлангом.
Испытания подводной системы добычи с гибким трубопроводом проводились вблизи побережья Гоа в океане научно-исследовательским судном Sagar Kanya. На настоящий момент было проведено четыре испытания системы. Система была разработана для проведения спуска и извлечения с обычных судов, не имеющих динамических систем позиционирования.
Из-за плохих погодных условий были отмечены трудности в запуске, а также поисковых операций в течение первых двух испытаний. На основе опыта было решено включить динамическую систему позиционирования и запуска платформы для будущих систем добычи конкреций. Чтобы изменить положение судна для последующих испытаний было принято решение использовать два буксира.
Третье испытание было проведено на побережье Тутикорин на глубине 410 метров. Подводная машина была спущена на дно океана. Требуемый S-образный профиль был получен путем намотки дополнительного кабеля длиной 80 метров. Морское дно в зоне испытаний илистое. После проведения проверки системы безопасности были запущены устройства размыва и грунтонасос. Насосные операции проводились в диапазоне объемных подач 10-45 м3/ч. Так как насосная система имеет поршневой насос, то измерения объемного расхода воды было сделано с использованием мерного бака. Максимальная плотность перекачиваемого раствора, измеряемая плотномером, составляла 1170 кг/м3, а средняя плотность составляла 1135 кг/м3. Максимальная концентрация перекачиваемого раствора 22%. Рисунок 4 показывает подробную информацию о производительности. Регулирование подачи производилось с помощью поршневого насоса, обладающего высокой объемной эффективностью. Испытания подъемных устройств производились на протяжении 40 минут.
Использование для гидравлического подъема поршневого насоса, установленного на добывающей машине, подтвердил, что этот насос может быть эффективно использован для глубоководной добычи. Ранее поршневые насосы использовались только для наземного применения.
Морское дно в месте, где были проведены испытания, составлено почвами с очень низкой несущей способностью. Гусеницы подводного аппарата погружались в дно почти на 750 мм. Испытания системы на маневренность не были проведены из-за очень большого погружения гусениц. Проверка подвижности горной машины с петлей обратной связи для перемещения и скорости является жизненно важным для добычи полезных ископаемых. Поэтому было решено провести испытания маневренности машины добычи при меньших глубинах, где морское дно было песчаным с большей несущей способностью. Четвертое испытание было проведено на 33 метровой глубине у побережья Тутикорин, где материалом дна был песок с адекватной конструкции несущей способностью. Операции спуска проводились следуя методам, принятым для третьего испытания.
После проведения проверки системы безопасности были запущены устройства размыва и грунтонасос. Насосные операции проводились в диапазоне подач 10-30 м3/ч. Максимальная плотность перекачиваемого раствора составляла 1150 кг/м3, а средняя плотность составляла 1130 кг/м3. Максимальная концентрация перекачиваемого раствора составляла 18,5% по весу. Рисунок 6 показывает подробную информацию о работе насоса. Испытания на маневренность проводились на подводной горной системе под открытым и замкнутым циклом управления. При открытом контуре управление транспортным средством осуществляется независимо ручкой управления для левого и правого приводов гусениц. В управлении с обратной связью гусеничная машина переходит на определенной скорости и при определенном направления движения. Транспортное средство движется к контрольной точке. На рисунке 7 показана скорость движения левой и правой гусениц, полученные за период времени. Рисунок 7 показывает установленное и фактическое перемещение. Видно, что перемещение достаточно точно соответствует заданному. Для того, чтобы избежать скольжения траков гусениц и последующего проваливания транспортного средства в грунт также включена система автоматического контроля скольжения. Это было проверено в ходе испытаний.
На основе опыта, накопленного в ходе испытаний системы с гибким трубопроводом в будущем, будут иметь место следующие усовершенствования.
Спуск и подъем подводной системы добычи будет осуществляться с судов/платформ, имеющих систему динамического позиционирования. Гибкий трубопровод должен принять весь вес машины в случае выхода из строя электромеханических кабелей. Материалы типа арамидных волокон будет использоваться в производстве шлангов и брони кабеля, что позволит решить проблему их повышенной прочности в связи с увеличением глубины. Дизайн и разработка компонентов для подсистем будет основываться на материалах, имеющих высокую прочность на единицу веса, а также наименее разрушаемых потоками гидросмеси. Математическая модель, разработанная с использованием метода конечных элементов (Grebe, 1997) будет использоваться для разработки трубопровода.
В ходе второго этапа будут заменены устройства сбора и просеивания конкреций. Дробилка, устанавливаемая на горной машине, должна обеспечивать дробление конкреций до размеров, обеспечивающих их надежную транспортировку по трубопроводу. Испытания системы предлагаются на глубинах до 500 метров со сбором искусственно уложенных конкреций. Основываясь на собирающих и измельчающих системах необходимо создать интегрированную систему для разработки месторождений конкреций в центральной части Индийского океана.
Подводная добычная система с одним поршневым насосом и гибким трубопроводом была успешно опробована на мелководье. Транспортирование добываемого твердого полезного ископаемого достигнуто с глубины 410 метров, также успешно выполнены испытания на маневренность. Эта система, скорее всего, должна обеспечить экономически эффективную и надежную глубоководную добычу марганцевых конкреций. Однако, необходимы многие исследования, прежде чем эта концепция может быть успешно использована.
Общая длина - 3160 мм
Общая ширина - 2950 мм
Вес в воздухе - 10 тонн
Вес в воде - 8,5 тонн
Глубина работы -500 м
Рабочая скорость - 0,5 м / с
Максимальная скорость -0,75 м / с
Максимальный угол подъема - 8,5
Расход жидкости - 45 м3 / ч
Концентрация (макс.) - 30%
Объем добычи (макс.)-12т / ч
Размер частиц (макс.) - 8 мм
Диаметр шланга - 75 мм
Длина секции шланга - 100 м
Интервал соединения шланга с кабелем – 6 м
Система намотки шланга - Лебедка мощностью 500 кг и макс. окружной скоростью 0,5 м / с
Напряжение питания, управления и контрольно-измерительной системы
Кабель - Электромеханический многожильный кабель.
Прочность на разрыв: 400 кН
Напряжение питания - 3000 V
Мощность - 120 кВт
Система сбора данных - PC с шиной области
Преобразователи - скорость, курс, тангаж, крен, видение т.д.
Лебедка для намотки кабеля - 1,6 м в диаметре, 1,4 м длины;
Скорость: 0,5 м / с
Atmanand, MA, Shajahan,MA, Deepak CR, Jeyamani, R, Ravindran, M, Schulte, E, Panthel, J, Grebe, H and Schwarz, W (2000). Instrumentation for underwater crawler for mining in shallow waters, Proc. International symposium of Autonomous Robots and Agents, Singapore, May 26, 2000
Brink, AW and Chung JS (1981). "Automatic Position Control of 300000 tons ship during ocean mining operations" Proc. Offshore Tech. Conf. Houston, Texas, OTC 4081, pp. 205-224.
Chung JS, Whitney AK and Loden WA (1980). "Non linear transient motion of deep ocean mining pipe", Proc. Offshore Tech. Conf, Houston, Texas, OTC 3832 pp. 341-352.
Chung, JS and Tsurusaki, K (1994). "Advances in Deep-Ocean Mining Research", Proc. 4th Int. Offshore and Polar Eng. Conf., Vol.1, ISOPE, Osaka pp. 18-31. Chung, JS and Olagnon, M (1996). "New Research Directions in Deep-Ocean Technology Developments for Underwater Vehicles and Resources", Int J Offshore and Polar Eng, ISOPE Vol.6 No.4, pp.241-243.
Chung, JS (1996). "Deep Ocean Mining: Technologies for Manganese Nodules and Crusts", Int J Offshore and Polar Eng, ISOPE Vol. 6 No. 4, pp. 244-254. Deepak, CR, Pugazhaandi, M, Paul, S, Shajahan, MA, Janakiraman, G, Atmanand, MA, Annamalai, K, Jeyamani, R, Ravindran, M, Schulte, E, Panthel, J, Grebe, H, Schwarz, W (1999). Underwater sand mining for shallow waters, Proc. 3rd Ocean Mining Symposium of Int. Soc. of Offshore and Polar Engineers, Goa, November 8-10, 1999
CR, Ravindran, M (2001). Innovative Deep Ocean Mining Concept based on Flexible riser and Self Propelled Mining Machines, Proc. 4th Ocean Mining Symposium of Int. Soc. of Offshore and Polar Engineers, Szczecin, Poland, September 23-27,2001
Heine, OR and Suh, SL (1978)0. "An experimental nodule collection vehicle design and testing", Proc. Offshore Tech. Conf, Houston, Texas, OTC 3138, pp. 741-749.
Kuntz, G (1979). The Technical Advantages of Submersible Motor Pumps in Deep Sea Technology and the Delivery of Manganese Nodules, Proc. Offshore Tech. Conf., Houston, Texas, OTC 3367, pp 85-93
Ravindran, M, Schwarz, W, Jeyamani, R and Grebe, H (1999). Shallow-water Sand Mining Operation, Proc. Offshore Tech. Conf. Houston, Texas, OTC 10730. Rehorn, I (1994). "Development of a Deep-sea Full-track Vehicle (Caterpillar vehicle) and Testing its Internal Tractional Resistance". Ph.D. Thesis, IKS, University of Siegen, Germany.