坐底式深海采礦系統(tǒng)力學(xué)分析①

宋環(huán)峰，吳毅賢，林 強(qiáng)，陳 墾

（1．中國船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海200011；2．上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海200011）

目前國際上主流的深海礦產(chǎn)資源采礦方式采用懸浮式中繼站采礦系統(tǒng)（見圖1（a））［1－2］，中繼站與海底不連接，采礦系統(tǒng)可以整體在水中緩慢移動，開采范圍大。但中繼站與采礦車需保持一定的相對距離，距離太近軟管會發(fā)生自扭，距離太遠(yuǎn)軟管會拉翻采礦車。當(dāng)?shù)V區(qū)環(huán)境條件較為惡劣時，采礦船動力定位系統(tǒng)無法保證采礦船的運(yùn)動范圍，且海流大小或方向突然發(fā)生變化時，中繼站與采礦車相對位置難以保證，系統(tǒng)容易發(fā)生危險，造成軟管和采礦車等設(shè)備損壞。

圖1 深海采礦系統(tǒng)示意

海底多金屬硫化物單個礦體尺寸大約為200 m×200 m×20 m［3］，可滿足單個采礦系統(tǒng)約一年的開采量。我國申請的國際海底多金屬硫化物合同礦區(qū)位于西南印度洋，該礦區(qū)水深3 000 m，常年平均為4～5級海況，且作業(yè)區(qū)域流速較大，采礦系統(tǒng)開發(fā)難度大。根據(jù)我國西南印度洋多金屬硫化物礦物分部特點(diǎn)和礦區(qū)環(huán)境條件，提出了一種坐底式采礦系統(tǒng)（見圖1（b）），該系統(tǒng)將中繼站固定在海底，單個礦點(diǎn)定點(diǎn)開采一年左右，開采完畢后，采礦系統(tǒng)整體移動到其他區(qū)域。與懸浮式采礦系統(tǒng)相比，坐底式采礦系統(tǒng)能有效消除中繼站運(yùn)動對軟管及采礦車的影響，能更好地適應(yīng)波浪和海流的突然變化，安全性更高。

本文針對該坐底式采礦系統(tǒng)，建立全系統(tǒng)耦合力學(xué)分析模型，對各工況下系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)狀態(tài)分析和校核，以驗(yàn)證坐底式深海采礦系統(tǒng)的可行性。

1 計算模型及參數(shù)

1．1 系統(tǒng)組成及工況

坐底式深海采礦系統(tǒng)由采礦船、張緊器、輸送管（硬管）、水下中繼站、輸送軟管、采礦車等設(shè)備組成，輸送管上端通過上部撓性接頭與采礦船連接，并配有張緊器與伸縮節(jié)，下端通過下部撓性接頭與中繼站連接，輸送軟管連接采礦車和中繼站。

輸送管由1根礦漿管和2根回水管組成，礦漿管用于輸送礦漿，采礦船礦漿脫水后的廢水回排至海底。撓性接頭允許輸送管與采礦船、中繼站有一定角度的相對偏移以減少彎曲應(yīng)力。張緊器與伸縮節(jié)的基本功能是補(bǔ)償采礦船與輸送管之間的相對垂直運(yùn)動。

根據(jù)坐底式深海采礦系統(tǒng)作業(yè)特點(diǎn)，劃分了3種設(shè)計工況：作業(yè)工況、最大作業(yè)工況以及連接不作業(yè)工況。最大作業(yè)工況是指采礦作業(yè)能正常進(jìn)行的最大工況；連接不作業(yè)工況是指采礦船與輸送管仍連接但作業(yè)停止的工況，此時礦漿停止輸送，回水管也停止回排尾水。

具體工況對應(yīng)的海況參數(shù)如表1～2所示。

表1 海流參數(shù)

表2 波浪參數(shù)

根據(jù)作業(yè)水深及礦物提升量要求，設(shè)計的水下輸送管主要參數(shù)見表3。

表3 輸送硬管主要參數(shù)

1．2 仿真模型

深海采礦系統(tǒng)為復(fù)雜的長管線多體系統(tǒng)，深海采礦系統(tǒng)在作業(yè)過程中處在海風(fēng)、海浪、海流復(fù)雜、隨機(jī)環(huán)境要素耦合作用下，其運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)性能復(fù)雜，其各工況下系統(tǒng)受力是否滿足要求，需在模擬仿真計算后確定。

利用有限元軟件Orcaflex建立坐底式深海采礦系統(tǒng)三維仿真模型，主要包含采礦船、張緊器、伸縮節(jié)、上部及下部撓性接頭、輸送管、中繼站等部分。將計算好的采礦船RAOs導(dǎo)入Vessel模型中，由于中繼站與海底固定，軟管和采礦車運(yùn)動對輸送管并無影響，建模時不考慮軟管和采礦車。由于2根回水管尺寸較大，建模時不能將其與礦漿管等效成1根管線，而是將礦漿管和回水管分別建模，管與管之間的連接采用line contact模型，具體見圖2和圖3。

圖2 張緊器、上部撓性接頭及輸送管模型

圖3 下部撓性接頭和水下中繼站模型

1．3 邊界條件設(shè)置

目前暫無專門針對深海采礦的設(shè)計校核的規(guī)范，因此參考海洋石油API RP 16Q—2017［4］等相關(guān)規(guī)范要求，輸送管許用應(yīng)力368 MPa，共有12個張緊器單元，單個張緊器單元可提供的張力為111．3 t。考慮一對張緊器單元失效的情況下，張緊器實(shí)際可提供張力（設(shè)計張力）為1 113 t，為避免輸送管上部或者輸送管與中繼站連接位置損壞，上部撓性接頭與下部撓性接頭最大轉(zhuǎn)角為9°。采礦系統(tǒng)作業(yè)時，輸送管運(yùn)動不能與月池壁發(fā)生碰撞。

2 計算結(jié)果及分析

2．1 作業(yè)工況

由于作業(yè)工況下海況環(huán)境條件較好，且采礦船具有動力定位系統(tǒng)，該工況下不考慮船的慢漂運(yùn)動。不同浪向下張緊器、輸送管的受力特性計算結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 張緊器最大張力

圖5 輸送管最大等效應(yīng)力

由圖4～5可知，隨著浪向角度增加，張緊器最大張力以及輸送管最大等效應(yīng)力均先增加后減小，最大值均發(fā)生在90°浪向，由于回水管剖面模數(shù)小于礦漿管，回水管等效應(yīng)力大于礦漿管。因此采礦作業(yè)時應(yīng)盡量保持頂浪，避免橫浪作業(yè)。此外作業(yè)工況下張緊器張力均小于張緊器設(shè)計值，輸送管等效應(yīng)力均滿足校核準(zhǔn)則。

2．2 最大作業(yè)工況及連接不作業(yè)工況

最大作業(yè)工況和連接不作業(yè)工況時，海況條件比較差，需考慮采礦船受動力定位系統(tǒng)（DP）作用，將動力定位系統(tǒng)簡化為X、Y向作用力和Z向彎矩，力的大小與采礦船初始位置距離成正比，彎矩大小與艏向角偏移角度成正比。計算結(jié)果見表4。

表4 最大作業(yè)工況及連接不作業(yè)工況計算結(jié)果

由表4可知，隨著浪向角增大，張緊器最大張力及輸送管等效應(yīng)力均減小，采礦船頂浪作業(yè)張緊器張力與輸送管等效應(yīng)力較小。最大作業(yè)工況下，浪向150°時，張緊器張力略大于設(shè)計張力值，但仍小于張緊器能提供的最大張力。最大作業(yè)工況時要避免150°浪向作業(yè)。

2．3 動力定位失效狀態(tài)

連接不作業(yè)工況時，海況較差，若此時采礦船DP系統(tǒng)突然失效，采礦船處于慢漂狀態(tài)，需考慮該工況下張緊器和輸送管受力以及撓性接頭轉(zhuǎn)角等參數(shù)隨時間變化情況，確定最先發(fā)生危險的設(shè)備。采礦船的運(yùn)動軌跡及輸送管受力等計算結(jié)果見圖6～9。其中浪向角180°、時間500 s。

圖6 張緊器張力時歷

由圖6可知，隨著時間推移，張緊器張力越來越大，在190 s時，張緊器張力達(dá)到設(shè)計值（1 113 t），298．8 s時，張緊器張力達(dá)到最大張力值，此時采礦船主要為X向偏移。

由圖7～8可見，礦漿管和回水管等效應(yīng)力隨時間推移逐漸增大，343．5 s時，回水管等效應(yīng)力超過許用應(yīng)力，礦漿管等效應(yīng)力一直小于許用應(yīng)力。上部撓性接頭角度隨時間推移呈振蕩變化，沒有明顯規(guī)律，下部撓性接頭隨時間推移逐漸變大。上部撓性接頭最大轉(zhuǎn)角4．8°，下部撓性接頭最大轉(zhuǎn)角4．1°。輸送管與月池未發(fā)生碰撞，最小距離2 m。

圖7 撓性接頭轉(zhuǎn)角

圖8 輸送管等效應(yīng)力時歷

由圖9可知，當(dāng)采礦船DP系統(tǒng)失效時，張緊器最先達(dá)到極限張力值，需在298．8 s前完成輸送管系統(tǒng)緊急脫離。

圖9 采礦船位移時歷

3 結(jié) 語

1）針對海底多金屬硫化物采礦，提出了一種坐底式采礦系統(tǒng)，該系統(tǒng)能很好地隔離中繼站與軟管的相對運(yùn)動，避免軟管和采礦車損壞。對各設(shè)計工況下張緊器張力、輸送管等效應(yīng)力以及撓性接頭轉(zhuǎn)角等參數(shù)進(jìn)行了計算分析，結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范要求，驗(yàn)證了坐底式采礦系統(tǒng)的可行性。

2）后續(xù)還應(yīng)考慮系統(tǒng)布放回收的受力分析、長期作業(yè)的設(shè)備疲勞分析以及應(yīng)急解脫時輸送管的反沖分析等，并根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)一步完善坐底式采礦系統(tǒng)的設(shè)計方案。