深海采礦管道橫向擺動(dòng)抑制方案*

夏岳旺，徐海良，楊放瓊

1. 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長沙 410083

2. 中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410083

人類社會(huì)的發(fā)展，離不開對各種資源的開發(fā)和利用。在陸地資源逐漸枯竭的今天，人們把目光投向了深海大洋。海底世界除了大家耳熟能詳?shù)腻i結(jié)核、深海油氣，還有熱液礦床，以及當(dāng)前最炙手可熱的天然氣水合物［1］。天然氣水合物的儲量極為巨大。據(jù)估算，在全世界的邊緣海、深海槽區(qū)及大洋盆地中，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的水深3 000 m 以內(nèi)沉積物中天然氣水合物中的甲烷資源量為2.1萬億立方米（尚不包括天然氣水合物層之下的游離氣體），可滿足人類1 000年的需求［2］。

海洋中廣袤的資源可以說是人類新世紀(jì)的福音，近年來學(xué)術(shù)界不斷提出開采海洋中礦物資源的各種方案。其中，水力提升采礦系統(tǒng)的研究最為系統(tǒng)深入，被認(rèn)為是最具商業(yè)開采價(jià)值的開采技術(shù)之一［3］。其先在海底對礦層進(jìn)行破碎，再利用水力提升管道將破碎后的礦物顆粒提升至海面，實(shí)現(xiàn)對礦物的開采。

典型的水力提升采礦系統(tǒng)如圖1所示［4］。系統(tǒng)中浮體材料的安置方式參考王耀峰等的研究結(jié)果［5］，浮體材料長度約為軟管長度的1/4，安置在軟管中下部，其上端位于軟管中點(diǎn)附近。浮體材料所受到的浮力能促使軟管形成一個(gè)有利于水力輸送的拱形［6］；以圖1 所示的方式安置浮體材料，能使軟管在承受海流沖擊時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力及變形更小。

圖1 深海水力提升采礦系統(tǒng)Fig.1 Deep sea hydraulic lifting mining system diagram

該系統(tǒng)的工作過程為：當(dāng)勘探到海底某區(qū)域有礦層時(shí)，采礦船行進(jìn)至礦層上方，由安裝在采礦車上的鉸刀對海底礦層進(jìn)行破碎，破碎后的礦物顆粒在泵的抽吸作用下與海水混合，形成礦物漿體。漿體先是在采礦車內(nèi)泵體的推動(dòng)下順著軟管運(yùn)送至礦石中繼倉，中繼倉中的礦漿在砂泵的推動(dòng)下順著硬管運(yùn)送至海面采礦船收集。采礦系統(tǒng)選用硬管作為揚(yáng)礦管是因?yàn)橛补芄饣?，豎直性好，壓力損失?。贿x用軟管與采礦車相連接是為了讓采礦車具有一定移動(dòng)空間，可以對一片區(qū)域內(nèi)的礦層進(jìn)行開采。因此，深海采礦系統(tǒng)通常硬軟管聯(lián)用。

然而，在復(fù)雜的海洋動(dòng)力環(huán)境下，長達(dá)幾千米的采礦管道，會(huì)受到波流聯(lián)合作用力，產(chǎn)生橫向擺動(dòng)，擺幅可達(dá)數(shù)十米［7］。管道的橫向擺動(dòng)對水力提升的負(fù)面影響很大，輕則增加管道輸送過程中的壓力損失，加劇漿體與管道的摩擦磨損，縮短管道使用壽命；重則造成管道內(nèi)固相組分向管壁聚集，引起顆?；亓?，堵管，甚至出現(xiàn)爆管的現(xiàn)象，因此應(yīng)該嚴(yán)格控制管道的擺動(dòng)幅度［8］。為了抑制管道橫向擺動(dòng)，減小其所帶來的危害及安全隱患，本文提出了一套深海采礦管道橫向擺動(dòng)抑制方案。

1 執(zhí)行部件在采礦系統(tǒng)中的安置

該方案執(zhí)行部件在采礦系統(tǒng)中的安置方式如圖2所示。

圖2 橫向擺動(dòng)抑制裝置總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of lateral swing suppression device

在管道發(fā)生橫向擺動(dòng)時(shí)，尼龍拉繩將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)促使管道回復(fù)到平衡位置的拉力。從圖中可以看出，無論是硬管還是軟管，管道橫向擺動(dòng)幅度最大的地方都位于距離管道固定端最遠(yuǎn)的地方。因此，將拉繩作用位置選在靠近硬管與中繼倉的接口處，這樣可以有效減少管道橫向擺動(dòng)的幅度。

定滑輪組件能調(diào)整拉繩對管道的作用力，使之更有利于抑制管道橫向擺動(dòng)。液壓換能組件的作用是將管道橫向擺動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，與尼龍拉繩相配合，一方面能減少管道橫向擺動(dòng)擺幅，另一方面迅速消耗擺動(dòng)能量，使管道擺動(dòng)迅速衰減。

2 拉繩工作原理

拉繩工作原理如圖3所示，拉繩擺動(dòng)的軌跡與管道擺動(dòng)的軌跡不同，當(dāng)管道從平衡位置往某一方向擺動(dòng)時(shí)，反方向的拉繩就會(huì)有要被拉長的趨勢，這樣一來拉繩就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)抑制管道擺動(dòng)的拉力。這里為了便于表達(dá)拉繩的工作原理，省略了定滑輪。加入定滑輪是為了調(diào)整拉繩對管道的作用力，不會(huì)改變拉繩工作原理。

圖3 拉繩工作原理Fig.3 Schematic diagram of rope pulling

3 液壓換能組件

圖4 為液壓換能組件的各個(gè)組成部分［7］。其中，拉繩下接管道上連活塞，活塞又與復(fù)位彈簧相連。當(dāng)管道處于平衡位置時(shí)，彈簧也近乎在平衡位置；當(dāng)管道往某個(gè)方向發(fā)生橫向擺動(dòng)時(shí)，會(huì)拉動(dòng)反方向上的拉繩，拉繩帶動(dòng)活塞往外運(yùn)動(dòng)，活塞的運(yùn)動(dòng)會(huì)使彈簧伸長，這樣彈簧的收縮力就通過拉繩作用到管道上，從而產(chǎn)生一個(gè)抑制管道橫向擺動(dòng)拉力。

圖4 液壓換能組件Fig.4 Hydraulic energy exchange component

由于彈簧的拉力與偏離平衡位置的位移成正比，因此拉繩抑制管道橫向擺動(dòng)的拉力將會(huì)是隨位移變化的柔性力，且拉力方向始終與管道偏移方向相反，可以避免管道受到剛性沖擊，這也是選擇用拉繩來抑制管道橫向擺動(dòng)而不是選擇直接將管道固定住的原因。

液壓管道、液壓馬達(dá)及單向閥等圍繞液壓缸呈中心對稱分布。活塞在拉繩和復(fù)位彈簧共同作用下將會(huì)來回?cái)[動(dòng)，上下兩個(gè)液壓馬達(dá)將會(huì)在液流的沖擊下轉(zhuǎn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)將在液壓馬達(dá)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，將活塞來回?cái)[動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能。復(fù)位彈簧能使活塞在來回?cái)[動(dòng)結(jié)束后回到平衡位置上。當(dāng)系統(tǒng)液壓油不足時(shí)，可通過注油孔補(bǔ)充液壓油［9］。

管道的擺動(dòng)引起活塞的擺動(dòng)，活塞的擺動(dòng)促使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電，即整個(gè)深海采礦管橫向擺動(dòng)抑制裝置通過拉繩和活塞，間接將管道橫向擺動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，變害為寶。同時(shí)，液壓馬達(dá)對動(dòng)能的消耗將使管道橫向擺動(dòng)迅速衰減，有效抑制管道橫向擺動(dòng)。

4 定滑輪組件

4.1 定滑輪作用

圖5 和6 分別為有、無定滑輪時(shí)拉繩給管道的力（系）圖。從圖中可以看出，在管道因擺動(dòng)發(fā)生偏移時(shí)，位于反方向拉繩確有被拉長的趨勢。這里需要強(qiáng)調(diào)的是：為有效區(qū)分管道平衡位置與偏移位置，將偏移位置管道用細(xì)線畫，其余用粗線畫。

圖5 有定滑輪時(shí)拉繩對管道的平面力系Fig. 5 Plane force system of pulling rope to pipeline with fixed pulley

設(shè)拉繩固定端與管道固定端的橫向距離為L1，管道橫向擺動(dòng)偏移量為L2。從圖6 可以看出，由于L1與L2的和始終大于L2，因此即使沒有安裝定滑輪，拉繩拉力橫向分量F1對管道固定端的力矩M1始終大于豎直分量F2對管道固定端的力矩M2，即拉繩抑制管道偏移的力矩M1始終大于加劇管道偏移的力矩M2；以管道長度2 000 m、拉繩固定端與管道固定端距離為100 m、管道橫向擺動(dòng)幅度為20 m 為例，M1約為M2的6 倍。說明未安裝定滑輪時(shí)，該方案依舊能有效抑制管道橫向擺動(dòng)，從理論上證明了該方案的可行性。

圖6 無定滑輪時(shí)拉繩對管道的單點(diǎn)力Fig. 6 Single point force of pulling rope to pipeline without fixed pulley

對比圖5 和6 可以看出定滑輪的作用。在沒有定滑輪時(shí)，隨著管道擺幅增加以及擺角增大，繩子拉力與管道偏移方向的夾角會(huì)越來越大，這會(huì)使得繩子拉力對管道橫向擺動(dòng)的抑制效果越來越差；當(dāng)管道擺角較大時(shí)，繩子會(huì)和管道在局部相交，甚至?xí)觿」艿赖木植科?。這是因?yàn)樵跊]有定滑輪時(shí)，繩子拉力方向不能很好地順應(yīng)管道偏移方向的改變。

在加入定滑輪后，繩子拉力就能順著管道偏移方向的改變而恰當(dāng)?shù)馗淖兎较?。即使在管道擺角較大時(shí)，繩子拉力與管道偏移方向的夾角基本不變，依舊能有效抑制管道橫向擺動(dòng)。即定滑輪組件能調(diào)整拉繩對管道的作用力，使之更有利于抑制管道橫向擺動(dòng)。

4.2 定滑輪組件安置

本方案的定滑輪組件體型較小，安裝比較自由。對此，本文給出了一種可供參考的安置方式，將定滑輪組件安置在中繼倉上，具體如圖7-10所示。

圖7 定滑輪組件安置主視圖Fig.7 Main view of fixed pulley assembly installation

定滑輪支座可以焊接在中繼倉上，中間留一個(gè)較大的中心孔供管道穿過（支座形狀可以根據(jù)中繼倉形狀做調(diào)整，本文只是借助這個(gè)例子介紹一種可供參考的安置方式），安裝定滑輪支座是便于安裝定滑輪支架。如果中繼倉本身形狀就適合于定滑輪支架的安裝，支座也可以不要。

圖8 定滑輪組件安置三維圖Fig.8 Three dimensional diagram of fixed pulley assembly

圖9 定滑輪組件安置俯視圖Fig.9 Top view of fixed pulley assembly

支架對稱安置在支座兩側(cè)。支架與支座之間開了螺釘槽，可供螺釘穿過，將支架與支座連接起來。在螺釘釘緊之前，支架可順著槽擺動(dòng)一定角度以調(diào)整位置。此外，定滑輪底端有一個(gè)供拉繩穿過的小孔，如圖10 所示。三個(gè)方向的定滑輪可供3個(gè)方向的拉繩穿過，這樣無論管道往哪個(gè)方向擺動(dòng)，三根拉繩產(chǎn)生的合力都能有效抑制管道橫向擺動(dòng)。

圖10 小孔特寫Fig.10 Small hole close-up

5 原理實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所提出的這套方案原理可行，本文開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖11 所示。用兩根橡皮筋代替彈簧，用木塊代替活塞，用圖釘代替定滑輪，用尺子代替管道，用小型吹風(fēng)機(jī)吹出的風(fēng)代替液流沖擊。

圖11 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.11 Experimental device

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，尺子處于平衡位置，尺子可繞其固定端圖釘擺動(dòng)，圖釘和尺子及尺子和木板間存在一定的摩擦；將吹風(fēng)機(jī)出風(fēng)口置于與尺子自由端水平距離約為5 cm 的位置，出風(fēng)口軸線盡可能與位于平衡位置的尺子軸線垂直；用該吹風(fēng)機(jī)1檔的風(fēng)力對尺子自由端送風(fēng)。當(dāng)未安置擺動(dòng)抑制裝置時(shí)，尺子的擺角約在25°～30°；安置擺動(dòng)抑制裝置后，尺子擺角不超過5°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置確實(shí)能有效抑制尺子在受到?jīng)_擊時(shí)的橫向擺動(dòng)，說明本文所提出的這套方案的工作原理可行。

6 結(jié) 論

為減少深海采礦管道的橫向擺動(dòng)所帶來的危害及安全隱患，本文提出了一套深海采礦管道橫向擺動(dòng)抑制方案。該方案的執(zhí)行部件主要由液壓換能組件、尼龍拉繩及定滑輪組件組成。拉繩能夠提供抑制橫向擺動(dòng)的拉力，減小橫向擺動(dòng)擺幅；液壓換能組件能夠消耗橫向擺動(dòng)的動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)化為電能；定滑輪組件能調(diào)整拉繩對管道的作用力，使之更有利于抑制管道橫向擺動(dòng)。該方案有以下優(yōu)點(diǎn)：有效抑制深海采礦管的橫向擺動(dòng)，減少橫向擺動(dòng)帶來的風(fēng)險(xiǎn)和危害；在抑制管道橫向擺動(dòng)的同時(shí)避免管道受到剛性沖擊；將管道橫向擺動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，變害為寶；部件安置靈活方便，可靠性高。