深海采礦水下輸送系統(tǒng)提升硬管選型及水動(dòng)力校核研究①

張 明， 鄭 皓， 李滿紅， 李小艷， 宋環(huán)峰

（1.長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011）

深海賦存著巨量的多金屬結(jié)核、多金屬硫化物、富鈷結(jié)殼和富稀土沉積物等多種高品位深海礦產(chǎn)資源，這些礦產(chǎn)資源中富含鎳、鈷、錳、銅等金屬，是我國(guó)十分短缺的戰(zhàn)略性金屬資源，也是新能源汽車(chē)、芯片、特種合金等新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心元素[1-2］。 據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)估算，海底多金屬結(jié)核總量達(dá)210 億噸，其中鎳含量是陸地鎳總儲(chǔ)量的3.5 倍、鈷含量是陸地鈷總儲(chǔ)量的5.5倍[3］。 深海礦產(chǎn)資源主要存在于水深300～6000 m 的海底[4］，深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)就是將海底礦產(chǎn)安全高效地輸送至水面。 目前已成功應(yīng)用的開(kāi)采方式主要有管道提升式采礦、穿梭艇式采礦、連續(xù)繩斗式采礦以及拖斗式采礦等[5-6］。 國(guó)際上對(duì)海底履帶式行走、水力／機(jī)械采集和管道水力／氣力提升為主的深海采礦方案研究較為深入。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海多金屬結(jié)核采礦試驗(yàn)工程”項(xiàng)目，采用的是管道水力提升方式。 水下輸送系統(tǒng)提升硬管作為深海采礦多金屬結(jié)核的提升通道，同時(shí)作為整個(gè)水下輸送系統(tǒng)的承載體，提升硬管的選型設(shè)計(jì)及校核至關(guān)重要。 本文開(kāi)展深海多金屬結(jié)核采礦試驗(yàn)工程水下輸送系統(tǒng)提升硬管選型設(shè)計(jì)研究，以輸送指標(biāo)為設(shè)計(jì)輸入，開(kāi)展水動(dòng)力分析校核，確定提升硬管選型設(shè)計(jì)的可靠性。

1 提升硬管選型設(shè)計(jì)

深海多金屬結(jié)核采礦試驗(yàn)工程水下輸送系統(tǒng)如圖1 所示，設(shè)計(jì)作業(yè)水深1400 m，提升硬管總長(zhǎng)度約1300 m，中繼站距海底高度100 m，提升電泵位于水深500 m 處。 采礦車(chē)采集的多金屬結(jié)核通過(guò)輸送軟管輸送至中繼站，再通過(guò)提升硬管輸送至水面船舶。

圖1 深海采礦水下輸送系統(tǒng)示意圖

1.1 提升硬管選型設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1.1 設(shè)計(jì)輸入

水下輸送系統(tǒng)提升硬管需滿足：輸送濕結(jié)核43 t／h，輸送流量不小于420 m3／h，多金屬結(jié)核粒徑不大于20 mm，輸送體積濃度不小于5%。

1.1.2 校核方式

提升硬管作為水下輸送系統(tǒng)唯一的通道和承載體，在滿足輸送指標(biāo)的前提下，保證提升硬管在復(fù)雜海洋環(huán)境下，能夠達(dá)到API RP 2RD[7］規(guī)范要求的安全系數(shù)（材料屈服強(qiáng)度／最大等效應(yīng)力），作業(yè)工況安全系數(shù)大于1.5，極端工況（布放回收工況）安全系數(shù)大于1.25。

1.2 提升硬管規(guī)格

1.2.1 提升硬管內(nèi)徑

根據(jù)輸送速度、多金屬結(jié)核礦漿輸送濃度確定提升硬管內(nèi)徑。 由固液兩相流理論中的Govier 理論[8］可知，提升速度應(yīng)大于礦石顆粒沉降速度的3 ～5 倍，才能保證礦石顆粒在管道中垂直向上輸送。 不規(guī)則形狀錳結(jié)核顆粒的沉降速度可按式（1）計(jì)算：

式中Sf為形狀系數(shù)，天然錳結(jié)核形狀系數(shù)取0.8；ρs為濕結(jié)核密度，為2000 kg／m3；ρsw為海水密度，為1037 kg／m3；g 為重力加速度；d為結(jié)核粒徑，為20 mm。 代入式（1），多金屬錳結(jié)核顆粒沉降速度Wt＝0.54 m／s，按5 倍沉降速度計(jì)算，提升速度Vm＝2.70 m／s。

輸送產(chǎn)能Qs與輸送流量Qv關(guān)系如下：

式中Qv為體積流量，m3／h；Qs為礦漿質(zhì)量流量，為43 t／h；Cv為體積濃度，取5%～6%，計(jì)算得Qv＝360～430 m3／h。

提升硬管內(nèi)徑計(jì)算公式為：

將Qv＝360～430 m3／h、Vm＝2.70 m／s，代入式（3），計(jì)算得輸送管內(nèi)徑Din＝216～236 mm。 考慮到結(jié)核粒徑可能大于20 mm，應(yīng)適當(dāng)提高流速，提升硬管內(nèi)徑應(yīng)小于216 mm。

1.2.2 提升硬管材料鋼級(jí)及管道壁厚

管道材料鋼級(jí)越高，管道屈服強(qiáng)度越大，抗力越強(qiáng)，同時(shí)管道硬度和脆性也會(huì)加大。 表1 為海洋工程立管常用鋼級(jí)性能參數(shù)表，綜合考慮鋼級(jí)屈服強(qiáng)度和硬度，提升硬管選擇P110 鋼級(jí)材料。

表1 鋼級(jí)性能參數(shù)表

目前海洋工程立管采用法蘭連接和螺紋連接均較為成熟，考慮水下輸送系統(tǒng)提升硬管需要快速對(duì)接，提升硬管選用抗疲勞螺紋連接管。 提升硬管連接方式如圖2 所示，該螺牙扣型抗疲勞應(yīng)力集中系數(shù)SAF≤2.0。

根據(jù)《API SPEC 5CT 套管和油管規(guī)范》[9］，內(nèi)徑216 mm 相近的標(biāo)準(zhǔn)套管，應(yīng)選取外徑244.48 mm 的套管，選擇該規(guī)格下最大壁厚20.24 mm，其管道內(nèi)徑為204 mm。 當(dāng)體積流量Qv＝420 m2／h，管道內(nèi)徑為Din＝204 mm，通過(guò)式（3）得到輸送流速為3.75 m／s，大于最小提升速度，滿足輸送要求。

2 水下輸送系統(tǒng)水動(dòng)力計(jì)算模型

2.1 水動(dòng)力計(jì)算基本原理

在Orcaflex 軟件中建立完整的水下輸送系統(tǒng)總體水動(dòng)力模型，包括采礦車(chē)、輸送軟管、中繼站、提升硬管及水面船舶，考慮風(fēng)浪流環(huán)境條件，運(yùn)用三維勢(shì)流理論，使用時(shí)域法進(jìn)行耦合分析[10］。 在復(fù)雜海洋環(huán)境中，水下輸送系統(tǒng)提升硬管主要受到兩種載荷作用；一種是船舶傳遞的管道波浪力，一種是長(zhǎng)距離管道海流力。

采用莫里森（Morison）方程[11］計(jì)算細(xì)長(zhǎng)立管波浪力。 莫里森方程是根據(jù)繞流理論建立的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式：

式中f為立管單位長(zhǎng)度波浪力，kN／m；ρw為海水密度，kg／m3；D為立管直徑，m；u為海流速度，m／s；CD為立管阻力系數(shù)；CM為立管慣性力系數(shù)。

海流作用在管道上產(chǎn)生的阻力大小與海流速度和管道外徑直接相關(guān)。 立管上的總海流力可用下式表示：

式中Fc為立管總海流作用力，kN；S為立管總長(zhǎng)度，m。

提升硬管波浪力和海流力主要影響因素為阻力系數(shù)CD及海流速度u。 其中海流速度根據(jù)試驗(yàn)海域監(jiān)測(cè)的流速按高度方向設(shè)置剖面流速，阻力系數(shù)根據(jù)硬管在水池中拖曳試驗(yàn)獲取。

2.2 提升硬管阻力系數(shù)拖曳試驗(yàn)

按1 ∶1搭建長(zhǎng)度1 m 的提升硬管模型，采用普通鋼材料制作提升硬管，采用鎧裝鋼絲纜模擬綁扎在提升硬管上的臍帶纜，如圖3 所示。 將模型與三分力天平連接的圓管固定在拖曳水池的拖車(chē)上，三分力天平安裝在揚(yáng)礦管的中間位置，用于測(cè)量硬管的受力情況。由于水下輸送系統(tǒng)提升電泵上端硬管綁扎兩根臍帶纜（提升泵臍帶纜和中繼站臍帶纜），提升電泵下端硬管綁扎一根電纜（中繼站臍帶纜），圓管附著非對(duì)稱的電纜，不同的來(lái)流方向繞流結(jié)果不一樣，整體的阻力大小也不一樣，因此按不同來(lái)流方位角度分別測(cè)量。

圖3 提升硬管阻力系數(shù)試驗(yàn)平臺(tái)

用拖車(chē)速度來(lái)模擬來(lái)流速度，速度0.1 ～1.8 m／s，間隔0.1 m／s。 根據(jù)式（5）按單位長(zhǎng)度計(jì)算阻力系數(shù)，圖4 為提升電泵上端硬管、提升電泵下端硬管在不同來(lái)流方向、不同流速下的阻力系數(shù)。

圖4 提升硬管阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)海域環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，高度方向剖面流速0.2～1.6 m／s，由圖4 可知，流速0.2 ～1.6 m／s 時(shí)，硬管整體阻力系數(shù)為0.4～1.5，低流速時(shí)阻力系數(shù)大，流速大于1.4 m／s 后發(fā)生轉(zhuǎn)捩。 保守計(jì)算，在水動(dòng)力計(jì)算模型中，提升電泵上端硬管阻力系數(shù)取1.4、提升電泵下端硬管阻力系數(shù)取1.3。

2.3 水動(dòng)力模型管道參數(shù)設(shè)置

對(duì)水下輸送系統(tǒng)在Orcaflex 軟件中搭建水動(dòng)力計(jì)算模型，采礦試驗(yàn)?zāi)复秃５撞傻V車(chē)采用Vessel 船舶單元；提升硬管、輸送軟管、提升電泵采用Lines 管線單元；中繼站采用6D buoys 六自由度浮筒單元；升沉補(bǔ)償器采用Links 線彈性單元。 鑒于篇幅有限，文中只列出輸送管道參數(shù)。

2.3.1 提升硬管參數(shù)設(shè)置

計(jì)算模型中立管尺寸、長(zhǎng)度、質(zhì)量按照1400 m 作業(yè)水深設(shè)置，具體參數(shù)見(jiàn)表2，水下輸送系統(tǒng)硬管連接方案如圖5 所示。

表2 提升硬管參數(shù)

圖5 硬管連接方案

標(biāo)準(zhǔn)管提升硬管質(zhì)量112.5 kg／m，計(jì)算模型中將提升電泵臍帶纜質(zhì)量5.25 kg／m、中繼站臍帶纜質(zhì)量3.7 kg／m均布到硬管中。 標(biāo)準(zhǔn)管提升硬管長(zhǎng)度9 m／根，海試前2 根預(yù)接成18 m。 1400 m 水下輸送系統(tǒng)，提升硬管連接總長(zhǎng)度約1300 m，中繼站上端、提升電泵下端、提升電泵上端、硬管頂端都采用螺紋式法蘭短管連接，長(zhǎng)度分別為6 m、4 m、6 m、9 m。

2.3.2 輸送軟管參數(shù)設(shè)置

輸送軟管一端連接中繼站下端，一端連接采礦車(chē)，輸送軟管中間位置每隔5 m 綁扎一個(gè)浮力塊，共綁扎14 個(gè)浮力塊，單個(gè)浮力塊凈浮力330 kg（浮力塊采用float 單元，設(shè)置凈浮力／質(zhì)量與實(shí)際一致），使輸送軟管在采礦作業(yè)時(shí)保持N 構(gòu)型，計(jì)算模型中輸送軟管參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 輸送軟管參數(shù)

2.4 計(jì)算工況

對(duì)水下輸送系統(tǒng)按作業(yè)工況和布放工況分別開(kāi)展計(jì)算校核。 圖6 為水下輸送系統(tǒng)布放工況和作業(yè)工況水動(dòng)力計(jì)算模型。

圖6 輸送系統(tǒng)水動(dòng)力計(jì)算模型

作業(yè)工況：水下輸送系統(tǒng)全部管道和設(shè)備布放到位，硬管頂端連接升沉補(bǔ)償器（硬管頂端可擺動(dòng)角度8°），水下輸送系統(tǒng)開(kāi)始輸送多金屬結(jié)核。 布放工況：水下輸送系統(tǒng)布放時(shí)，采礦車(chē)從船尾A 架布放，提升硬管系統(tǒng)從月池中間布放。 提升硬管每次布放1 根，采礦車(chē)同步下放，單根下放到位時(shí)，硬管頂端采用動(dòng)力卡瓦鎖死，開(kāi)始對(duì)接下一根硬管。 硬管頂端固支，在海流作用下，硬管頂端彎矩載荷非常大，因此每布放1 根（18 m）硬管，都搭建水動(dòng)力計(jì)算模型，校核提升硬管頂端安全系數(shù)。

2.5 海洋環(huán)境條件

2.5.1 海浪參數(shù)

采用Morison 方程計(jì)算波浪力的關(guān)鍵在于選定一種適宜的波浪理論。 選用Jonswap 譜計(jì)算模型中不規(guī)則波浪譜，譜形參數(shù)γ＝3.3。 作業(yè)工況采用4 級(jí)海況，有義波高2.5 m；布放工況采用3 級(jí)海況，有義波高1.5 m。

2.5.2 海流參數(shù)

項(xiàng)目單位2018 年6 月至2019 年5 月在試驗(yàn)海域不同水深分別放置海流監(jiān)測(cè)儀，每0.5 h 記錄一次，篩選試驗(yàn)海域全年監(jiān)測(cè)最大流速作為海流參數(shù)，流速剖面見(jiàn)圖7。

圖7 流速剖面

3 提升硬管強(qiáng)度校核

3.1 布放工況提升硬管強(qiáng)度校核

布放工況設(shè)置3 級(jí)海況，舶艏迎浪角度30°，每布放1 根18 m 硬管，計(jì)算1 次，共計(jì)算73 組，分別提取提升硬管頂端張力、彎矩、綜合應(yīng)力及對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，圖8 為布放工況下提升硬管頂端載荷大小。

圖8 布放工況硬管頂端載荷大小

由圖8 可知，隨著接管長(zhǎng)度增長(zhǎng)，質(zhì)量增加，硬管頂端所承受的張力越來(lái)越大，頂端張力與長(zhǎng)度呈線性關(guān)系。 綜合應(yīng)力與接管長(zhǎng)度非線性變化。 綜合應(yīng)力同時(shí)受到張力和彎矩共同作用，綜合應(yīng)力變化趨勢(shì)與彎矩變化趨勢(shì)一致，說(shuō)明綜合應(yīng)力受彎矩影響更大，而彎矩主要受流速影響。 整個(gè)布放過(guò)程中，硬管頂端最小安全系數(shù)為1.29，滿足API RP 2RD 規(guī)范要求的“極端工況安全系數(shù)大于1.25”，布放工況下，提升硬管的選型滿足設(shè)計(jì)需求。 為了保證海試安全，水下輸送系統(tǒng)布放回收時(shí)，應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)海況和流速，當(dāng)海況大于3 級(jí)、表面流速大于1.6 m／s 時(shí)，應(yīng)停止布放，硬管頂端連接升沉補(bǔ)償器，待海況好轉(zhuǎn)時(shí)再繼續(xù)布放。 同時(shí)在水下輸送系統(tǒng)布放回收時(shí)，船舶開(kāi)啟動(dòng)力定位，控制船艏迎浪角在30°以內(nèi)。

3.2 作業(yè)工況提升硬管強(qiáng)度校核

作業(yè)工況設(shè)置4 級(jí)海況，船舶迎浪角度分別按0°、30°、45°、60°計(jì)算，表4 為作業(yè)工況下硬管頂端載荷大小及底端偏移距離。

表4 作業(yè)工況硬管載荷參數(shù)

作業(yè)工況下，安全系數(shù)達(dá)到了3.5 以上，滿足API RP 2RD 規(guī)范要求。 硬管頂端連接升沉補(bǔ)償器，硬管頂端綜合應(yīng)力主要由張力產(chǎn)生，此時(shí)彎矩非常??；船舶迎浪角越大，船舶幅值響應(yīng)越大，穩(wěn)定性變差，作業(yè)工況下控制船舶迎浪角度在60°以內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

以“深海多金屬結(jié)核采礦試驗(yàn)工程”項(xiàng)目水下輸送系統(tǒng)為研究對(duì)象，開(kāi)展水下輸送系統(tǒng)提升硬管選型設(shè)計(jì)及水動(dòng)力校核分析，得出結(jié)論如下：

1） 根據(jù)多金屬結(jié)核最小提升速度，確定輸送管徑范圍，選擇P110 鋼級(jí)抗疲勞螺紋連接套管，外徑244.48 mm、內(nèi)徑204 mm，滿足輸送指標(biāo)要求。

2） 水下輸送系統(tǒng)布放回收時(shí)，選擇3 級(jí)及以下海況布放、監(jiān)測(cè)表面流速小于1.6 m／s、控制船舶迎浪角在30°以內(nèi)，提升硬管安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3） 水下輸送系統(tǒng)采礦作業(yè)時(shí)，硬管頂端連接升沉補(bǔ)償器，可以在4 級(jí)海況、船舶迎浪角度60°以內(nèi)條件下安全作業(yè)。

4） 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海多金屬結(jié)核采礦試驗(yàn)工程”項(xiàng)目于2021 年6 月在中國(guó)南海完成我國(guó)首次1000 級(jí)深海采礦整體聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，最大作業(yè)水深1306 m。在海試過(guò)程中提升硬管各接口間連接可靠，保障了水下輸送系統(tǒng)能夠安全高效的輸送。 海試結(jié)果驗(yàn)證了本文提升硬管選型設(shè)計(jì)及校核方式的可行性。