深海采礦整體聯(lián)動風(fēng)險分析及應(yīng)急撤離策略研究

謝夢琪 , 楊高勝 , 陳丹東 余 倩 , 楊 光 , 施 威

(1. 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心, 湖北 武漢 430064; 2. 武漢船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖北 武漢 430064)

隨著多年來陸地資源的過度開發(fā), 內(nèi)陸的礦產(chǎn)資源已日漸枯竭, 世界各國將焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了還有待更多探索與認(rèn)知的大洋深處, 深海中的礦產(chǎn)資源儲量豐富, 深海礦產(chǎn)資源開發(fā)具有重要戰(zhàn)略意義和國家公共利益屬性[1]。早在20世紀(jì)70年代, 美國已經(jīng)多次完成5 000 m級深海采礦工程試驗(yàn), 日本、韓國、印度等國家也相繼在深海采礦領(lǐng)域開展了研究與實(shí)踐[2]。

中國從“八五”開始深海采礦方面的技術(shù)研究,通過“九五”、“十五”、“十一五”、“十二五”的時間, 已完成大量的深海采礦系統(tǒng)關(guān)鍵裝備的試驗(yàn)研究、樣機(jī)研制和湖試驗(yàn)證等工作, 為深海采礦系統(tǒng)的整體聯(lián)動提供了技術(shù)儲備[2-3]。但是, 中國并沒有真正意義上地開展過深海采礦全系統(tǒng)的聯(lián)動試驗(yàn), 各階段在過程中可能存在的風(fēng)險不明確, 國際上關(guān)于深海采礦系統(tǒng)的研究也很少有對整體系統(tǒng)的聯(lián)動特性進(jìn)行分析。

本文根據(jù)深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動模型與海洋油氣工程平臺作業(yè)模型的對比總結(jié)了兩者區(qū)別所在,以采礦作業(yè)特點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行了重點(diǎn)風(fēng)險點(diǎn)分析, 以提升硬管為重點(diǎn)風(fēng)險部件進(jìn)行了懸掛模式及力學(xué)模型分析, 提出了深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動模型應(yīng)急撤離時可根據(jù)實(shí)際情況選擇的策略方案, 為深海采礦系統(tǒng)的研制和試驗(yàn)的聯(lián)動控制提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動模型

深海采礦作業(yè)需要將分散于海底表面上的多金屬礦物等不斷地進(jìn)行采集, 然后將采集到的礦物傳送至水面方便后續(xù)處理。國內(nèi)外先后提出過托斗式、連續(xù)繩斗式、連續(xù)鏈斗式、穿梭艇式、管道提升式等多種深海采礦系統(tǒng)技術(shù)方案, 相對其他方案的較高效費(fèi)比及技術(shù)可行性, 管道提升式深海采礦系統(tǒng)是目前國際上使用最多的系統(tǒng)模型[4], 如圖1所示。

圖1 水力管道提升式采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動模型Fig. 1 Integrated linkage model of the hydraulic pipeline lifting mining system

根據(jù)深海采礦的特點(diǎn)和功能要求, 管道提升式深海采礦系統(tǒng)采用了“提升硬管＋提升泵＋水下中繼站＋軟管”為一體的“海底履帶自行水利集礦機(jī)采集-水力管道礦漿泵提升-試驗(yàn)?zāi)复毕到y(tǒng)。該系統(tǒng)核心技術(shù)主要包括礦物采集、礦物提升輸送及水面支持三大版塊。

比照海洋油氣工程開發(fā)領(lǐng)域中已廣泛運(yùn)用的技術(shù)設(shè)備, 深海采礦可借鑒與使用的成熟產(chǎn)品較多,但也存在不同, 圖2為海洋油氣模型與深海采礦模型的對比狀態(tài)。

圖2 海洋油氣模型與深海采礦模型對比Fig. 2 Comparison of marine oil and gas models and deepsea mining models

1) 開采對象

海洋油氣工程主要是針對海底深處的石油天然氣等氣液賦存狀態(tài)的資源; 深海采礦系統(tǒng)則側(cè)重海底表層的多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物等固體資源。

2) 作業(yè)窗口

海洋油氣開發(fā)過程中, 深水隔水管的狀態(tài)可分為三個階段: 下放/回收作業(yè)窗口、鉆井作業(yè)窗口、完井作業(yè)窗口、懸掛作業(yè)窗口; 深海采礦系統(tǒng)中, 提升硬管的狀態(tài)僅有下放/回收作業(yè)窗口、懸掛窗口。

3) 作業(yè)狀態(tài)

海洋油氣開發(fā), 前期的勘探工作會明確區(qū)域中最適合的開發(fā)點(diǎn)并開展精準(zhǔn)鉆探深度挖掘, 屬定點(diǎn)作業(yè); 深海采礦系統(tǒng), 根據(jù)環(huán)境勘探指定區(qū)域進(jìn)行海底表面的區(qū)塊化采集, 根據(jù)海底礦床分布采礦系統(tǒng)或需整體怠速礦點(diǎn)轉(zhuǎn)移, 屬于非定點(diǎn)作業(yè)。

2 整體聯(lián)動風(fēng)險分析

目前各國開展的深海采礦領(lǐng)域單體試驗(yàn)、整體聯(lián)動試驗(yàn)工程, 其完整性、可靠性和系統(tǒng)性還未得到全面的驗(yàn)證及固化, 一切都還在摸索中前進(jìn), 對比海洋油氣領(lǐng)域大批量商業(yè)開采和半個多世紀(jì)的升級換代, 其技術(shù)狀態(tài)和規(guī)模依然有很大的差距。中國深海采礦系統(tǒng)性海試工程深度暫定在1 000 m級的南海海域, 后續(xù)還會開展更大深度的開采試驗(yàn)計(jì)劃。

2.1 管道搖擺幅度超出設(shè)計(jì)范圍

采礦模型的下部分為無約束的自由端, 數(shù)千米的提升硬管下放入海后, 由于海洋風(fēng)浪流的作用必定會發(fā)生動態(tài)實(shí)時偏移, 采礦試驗(yàn)?zāi)复矔殡S著產(chǎn)生縱橫搖。在母船與水下系統(tǒng)整體移動過大或突然遭遇非預(yù)期惡劣海況下, 采礦試驗(yàn)?zāi)复c提升硬管兩者疊加的偏移角度可能會超過硬管與母船的連接點(diǎn)所能承受的最大設(shè)計(jì)角度或結(jié)構(gòu)件最大承載能力, 這將導(dǎo)致水面承載結(jié)構(gòu)件失效破壞、觸碰月池開口導(dǎo)致硬管折斷、船體結(jié)構(gòu)損壞等嚴(yán)重后果, 影響試驗(yàn)?zāi)复陌踩?/p>

2.2 平臺升沉行程超出伸縮沖程范圍

海洋環(huán)境變化莫測, 伴隨著風(fēng)、浪、流等不確定因素的影響、海水的接觸面積、承載浮力的區(qū)別, 試驗(yàn)?zāi)复?、提升硬管等部件的升沉幅度存在一定差?可能出現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)复c提升硬管的升沉行程不匹配的情況。對于配置升沉補(bǔ)償?shù)牟傻V系統(tǒng), 若提升硬管的瞬時浮力沖擊過大, 導(dǎo)致伸縮裝置被突然沖擊壓潰、承受過量的沖擊載荷, 升沉補(bǔ)償失去工作性能, 也可能使伸縮裝置超出沖程[5], 沖破伸縮外筒并將如此大的沖擊力直接傳遞到試驗(yàn)?zāi)复?底座平臺), 威脅試驗(yàn)?zāi)复⒉挤旁O(shè)備及作業(yè)人員的安全。對于沒有配置升沉補(bǔ)償?shù)牟傻V系統(tǒng), 平臺升沉搖擺運(yùn)動直接傳遞到硬管, 在惡劣環(huán)境條件下可能導(dǎo)致硬管存在動態(tài)壓縮, 整體聯(lián)動過程中存在失效破壞的風(fēng)險。

3 提升硬管模型分析

3.1 提升硬管懸掛模式

根據(jù)懸掛管道上部分約束條件的區(qū)別, 可將管道懸掛模式分為兩種(如圖3): 硬懸掛和軟懸掛[6]。

圖3 硬懸掛與軟懸掛模型示意圖Fig. 3 Schematic diagram of hard suspension and soft suspension models

硬懸掛模式為提升硬管與底座平臺剛性連接,平臺伴隨著試驗(yàn)?zāi)复倪\(yùn)動直接傳遞給提升硬管。

軟懸掛模式為提升硬管通過輔助短接連接至伸縮裝置懸掛, 提升硬管的重量由伸縮裝置與升沉補(bǔ)償裝置共同承擔(dān)。試驗(yàn)?zāi)复纳舷赂涌赏ㄟ^升沉補(bǔ)償裝置傳遞給伸縮裝置的外筒, 以減輕傳遞給提升硬管的軸向受力。

提升硬管下放時, 提升硬管處于硬懸掛模式,此時底座平臺的升沉運(yùn)動直接作用在硬管; 提升硬管布放完成后, 轉(zhuǎn)入海底礦物采集階段, 提升硬管與母船底座平臺轉(zhuǎn)為軟懸掛模式, 伸縮裝置與升沉補(bǔ)償裝置共同作用可緩解部分軸向力, 減小母船運(yùn)動和海洋環(huán)境附帶載荷對采礦作業(yè)的影響, 保證采礦作業(yè)的安全性與可靠性。

3.2 提升硬管力學(xué)模型分析

由圖4可知, 采礦作業(yè)時提升硬管上部連接有可旋轉(zhuǎn)擺動的撓性接頭, 下部輸送軟管綁扎浮力塊后處于零重力懸浮狀態(tài)。

圖4 提升硬管布放完成后采礦作業(yè)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the mining operation after the lifting of the hard pipe is completed

3.2.1 軸向力分析

參照某固定壁厚尺寸隔水管在一般液體環(huán)境下的情況進(jìn)行提升硬管的軸向力分析。下圖5為隔水管從a-a截面斷開處截斷管體受力分析圖。根據(jù)壓力面積法基本原理[7-8], 截斷管體重力Ws的計(jì)算公式如下:

圖5 隔水管截體受力分析圖Fig. 5 Diagram of the force analysis of the riser section

作用于截斷管體下底面的液體壓力

根據(jù)管體平衡受力關(guān)系, 得出截斷管體軸向力

對上式整理可得

在“常規(guī)施肥”區(qū)處理：常規(guī)施肥（N1P1K1）、常規(guī)施肥無氮（N0P1K1）、常規(guī)施肥無磷（N1P0K1）、常規(guī)施肥無鉀（N1P1K0）。

式中, ΔL為截斷面距硬管下底面的距離, m;L為硬管整體長度, m;La為截斷面距硬管上底面的距離, m;ρs為硬管材料密度, N/m3;ρa(bǔ)為硬管內(nèi)外液體密度,N/m3;A為截面管體橫截面積, m2;Ws為截斷管體重力, N;F1為硬管軸向力, N;F2為作用于截斷硬管底面上的液壓力,為目前管路計(jì)算中廣泛使用的浮力系數(shù)表達(dá)式,KWs為截斷管體除去浮力后真正的有效軸向力;Laρa(bǔ)A為計(jì)算位移與目標(biāo)位移對應(yīng)的無限微小廣義力, 不影響截斷管體的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)和承力極限, 可忽略。

由于采礦系統(tǒng)的管道狀態(tài)特殊性, 提升硬管的真實(shí)軸向力對下方連接的水下中繼站存在拉力, 保證水下中繼站在水中的高度狀態(tài), 但此軸向力并不能決定提升硬管的穩(wěn)定, 真正決定提升硬管的強(qiáng)度和穩(wěn)性、判斷硬管屈曲變形的是提升硬管的有效軸向力。

3.2.2 橫向力分析

采礦作業(yè)模式下提升硬管完全下放, 其長度遠(yuǎn)大于直徑, 在海流和海浪的聯(lián)合影響下容易發(fā)生局部彎曲偏移, 導(dǎo)致提升硬管橫向變形。因此可將“提升硬管＋提升泵＋水下中繼站”看作一垂直的懸臂梁, 研究其在海水中受橫向載荷的撓度情況。

根據(jù)海洋環(huán)境監(jiān)測匯總, 海水的洋流內(nèi)波隨著深度的增加而減弱, 因此“懸臂梁”模型可以簡化為如下圖6模型。

圖6 “懸臂梁”模型受力簡化圖Fig. 6 Simplified diagram of the “cantilever” model stress

垂直平面內(nèi)的提升硬管在橫向載荷作用下的變形微分方程如下[9]。

式中,z為提升硬管軸向方向, m;x、y為水平面方向,m;E為提升硬管彈性模量, Pa;I為提升硬管截面慣性矩, m4;P為提升硬管張力, N;W為提升硬管單位長度重量分布, N/m;F為作用于單元提升硬管上海波和海流的聯(lián)合作用力, N。

式中,fc為單位長度海流力, N;fw為單位長度海浪流體載荷, N;CD為海水阻力系數(shù);ρ為海水密度, kg/m3;D為提升硬管外徑, m;u為波浪與海流結(jié)合產(chǎn)生的水質(zhì)點(diǎn)速度, m/s;CM為慣性力系數(shù);uw為波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)速度, m/s。

采礦作業(yè)時, 提升硬管下端水下中繼站與輸送軟管連接, 輸送軟管上綁扎的浮力塊能有有效保證軟管構(gòu)型及水中的懸浮狀態(tài), 可簡化為提升硬管下端無有效約束, 但其上端與試驗(yàn)?zāi)复蠐闲匝b置相連接, 提升硬管隨升沉動作上下運(yùn)動。若忽略升沉運(yùn)動對其的影響, 有如下方程模型[10]。

式中,S為試驗(yàn)?zāi)复谒椒较蛏系奈灰? m;L為提升硬管上端撓性裝置的高度, m。

當(dāng)撓性裝置轉(zhuǎn)動工作時, 變形微分方程如下。

式中,Kr為撓性接頭轉(zhuǎn)動剛度;ω為提升硬管上端旋轉(zhuǎn)角度。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

以前期備選的X65硬管材料(屈服強(qiáng)度448.5 MPa)為例, 其提升硬管參數(shù)配置如表1所示。

表1 采礦硬管系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)(1 700 海試深度)Tab. 1 Main technical parameters of the lifting hard pipe system (1 700 sea test depth)

硬管單根D= 244.48 mm, 壁厚t= 13.8 mm, 截面積A= 10 023 mm2, 當(dāng), 結(jié)合安全系數(shù)1.5倍系數(shù),管道最大許用應(yīng)力為299 MPa, 能承受的等效最大軸向載荷約300 t。

當(dāng)采用提升硬管進(jìn)行1 600 m布放回收作業(yè)時,考慮0.2g動載系數(shù)(船舶耐波性計(jì)算升沉運(yùn)動最大值), 硬管系統(tǒng)在水中的最大軸向載荷就已將近247 t。根據(jù)等效最大軸向載荷計(jì)算可知, 硬管在最大軸向載荷247 t條件下能承受的最大彎矩僅為M = 30.1 kN·m, 幾乎不能承受任何附加彎矩影響。

再對硬管系統(tǒng)在最大軸向載荷下能偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行計(jì)算, 結(jié)果見表2。

表2 提升硬管偏角與彎矩Tab. 2 Deflection angle and bending moment of rigid pipe

由表2可知, 在0.5°的偏轉(zhuǎn)角度下(剛度固定狀態(tài)下), 硬管的彎矩和應(yīng)力均超過許用值。采用X65作為硬管主管體, 在下放至將近1 600 m時, 最上幾節(jié)單根硬管承受巨大的軸向載荷(已接近最大承受軸向載荷85%), 幾乎不允許出現(xiàn)任何彎矩載荷。而提升硬管作為一海洋動態(tài)管道, 工作時不受任何彎矩影響是不可能的。因此, X65型號硬管用在深海多金屬結(jié)核采礦試驗(yàn)工程項(xiàng)目不太合適, 需要考慮其他型號硬管再次進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)算分析結(jié)果是否匹配試驗(yàn)要求。

4 應(yīng)急撤離策略研究

巴西石油公司動力定位鉆井平臺對于隔水管緊急脫離進(jìn)行過全面分析[11]。在圖7所示的各種原因中, 環(huán)境因素影響次數(shù)最多。深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動, 中國在此方面開展的研究工作處于剛起步的狀態(tài), 一方面嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)史無前例, 另一方面復(fù)雜的海況環(huán)境更提高了聯(lián)動風(fēng)險, 其中影響最大的當(dāng)屬臺風(fēng)。臺風(fēng)臨近前期, 采礦系統(tǒng)提升系統(tǒng)需要提前開始回收, 如果遭遇突發(fā)狀況, 提升系統(tǒng)沒有足夠的時間回收只能進(jìn)行懸掛撤離, 更惡劣可能直接棄管逃離[12]。

圖7 隔水管緊急脫離原因Fig. 7 Reasons for emergency disconnection of the riser

4.1 懸掛撤離

深海采礦工程中提升硬管及其他布放設(shè)備整體回收拆卸、再次連接布放的過程非常復(fù)雜, 所費(fèi)時間較長, 并且加大了部分精密設(shè)備的穩(wěn)定性風(fēng)險。同時, 布放回收都需要在較好的海洋環(huán)境下才能順利完成[13]。為了減少不必要的重復(fù)工序, 在不太惡劣的海況下, 可將提升硬管懸掛在底座平臺上一起撤離作業(yè)區(qū)域, 如圖8所示。

圖8 采礦系統(tǒng)懸掛隔離受力示意圖Fig. 8 Schematic diagram of the mining isolation suspension stress

若試驗(yàn)?zāi)复冯x航行方向?yàn)閤軸正方向, 海流與試驗(yàn)?zāi)复较蛑g的夾角為α,α夾角比較小時試驗(yàn)?zāi)复瑸轫樍骱叫?α夾角變大時試驗(yàn)?zāi)复瑸槟媪骱叫? 如圖9所示。

圖9 采礦系統(tǒng)承受海流載荷示意圖Fig. 9 Schematic diagram of the mining system bearing ocean current load

懸掛提升硬管撤離過程中, 主要限制因素有撓性接頭轉(zhuǎn)角、月池開口尺寸以及提升硬管最大屈服強(qiáng)度等。提升硬管在海流作用下偏轉(zhuǎn)角度過大可能會超出撓性接頭的轉(zhuǎn)角極限值, 嚴(yán)重時撓性接頭失效造成機(jī)械式破壞, 同時伴隨有碰撞月池內(nèi)壁的風(fēng)險, 采礦系統(tǒng)的安全性受到威脅。所以, 在深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動設(shè)計(jì)分析時, 需要慎重考慮其三者之間的關(guān)聯(lián)性。

在海洋油氣工程已成規(guī)模的鉆井平臺防臺懸掛撤離分析中, 已有研究表明: 平臺不能沿逆流方向撤離; 平臺順流航行時, 撓性接頭轉(zhuǎn)角以順流角度為基礎(chǔ)伴隨著航速增大而逐漸減小, 當(dāng)航速增大到一定值后, 撓性接頭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)槟媪鞑㈦S著航速增大而逐漸增大[14]。此結(jié)論可為深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動提供參考基礎(chǔ)。

4.2 應(yīng)急棄放

當(dāng)海洋環(huán)境超過了水面平臺母船動力定位系統(tǒng)(dynamic positioning, DP)定位能力(或DP失效), 水面平臺母船不能保證在指定區(qū)域可控范圍內(nèi), 采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動已無法順利進(jìn)行時, 為了設(shè)備和作業(yè)人員的安全, 試驗(yàn)?zāi)复杓皶r棄管、完全撤離。

深海采礦中選用的提升硬管抗彎曲能力很弱,伴隨著硬管下放的過程, 提升硬管下部水下中繼站的重量硬管布放姿態(tài)的影響慢慢變?nèi)? 提升硬管與管內(nèi)的礦漿重量逐漸增大, 采礦作業(yè)中儲存在提升硬管和上部伸縮裝置中的能量非常巨大。當(dāng)使用管道切割裝置將提升硬管切斷時, 沒有足夠的時間緩解釋放伸縮裝置部分的能量, 超出其安全控制范圍,可能會出現(xiàn)下部被丟棄的提升硬管及其他設(shè)備在軸向瞬時加速度過大, 出現(xiàn)反沖現(xiàn)象。

提升硬管應(yīng)急棄放后的反沖現(xiàn)象與試驗(yàn)?zāi)复\(yùn)動、張緊裝置能力、礦漿下泄、提升硬管在水中的載荷狀態(tài)都有相關(guān)聯(lián)性。反沖過程非常復(fù)雜, 目前國內(nèi)外還沒有給予試驗(yàn)人員可實(shí)際參考的具體分析程序和案例結(jié)果。通過多年的海洋油氣工程真實(shí)經(jīng)驗(yàn)和不斷探索, 目前已可以通過優(yōu)化后的反沖控制系統(tǒng)和合理的緊急脫離作業(yè)實(shí)現(xiàn)成功的緊急脫離[15]。但值得注意的是, 必須滿足如下標(biāo)準(zhǔn)[16]: 保證伸縮裝置和升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)沖程載荷留有充足余量; 水下中繼站應(yīng)及時提起或轉(zhuǎn)移過程中保證距離海底足夠的高度; 選用的提升硬管能滿足設(shè)計(jì)要求中極限條件下可能產(chǎn)生的局部壓縮或拉伸; 提前考慮可維持提升硬管在突發(fā)狀況下內(nèi)外壓差穩(wěn)定的有效措施。

5 結(jié)論

1) 提出了深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動模型, 并與海洋油氣工程中的平臺作業(yè)模型進(jìn)行對比, 總結(jié)深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動的不同特性;

2) 根據(jù)深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動模型采礦作業(yè)時的特性, 分析了管道搖擺幅度超出設(shè)計(jì)范圍、平臺升沉行程超出伸縮沖程范圍等兩大關(guān)鍵風(fēng)險點(diǎn);

3) 針對關(guān)鍵風(fēng)險點(diǎn)中重點(diǎn)關(guān)聯(lián)部件——提升硬管, 分別從其懸掛模式、力學(xué)模型兩方面開展了重點(diǎn)研究, 總結(jié)了深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動過程中的提升硬管受力分析方法;

4) 借鑒海洋油氣工程經(jīng)驗(yàn), 進(jìn)行了深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動時應(yīng)急撤離的策略探討, 提煉了深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)動模型應(yīng)急撤離時可根據(jù)實(shí)際情況選擇的撤離方案。