深海采礦系統(tǒng)模型水池試驗(yàn)方案

徐 劍, 黃 宏, 劉 俊

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200090)

0 引 言

目前，深海采礦系統(tǒng)模型試驗(yàn)大多在淺水池和地面上進(jìn)行單獨(dú)的功能試驗(yàn)。2000年荷蘭海事研究所(Maritime Research Institute Netherlands，MARIN)建成具有代表性的海洋深水試驗(yàn)水池，主體尺寸為45.0 m×36.0 m×10.5 m，在水池中設(shè)置直徑為5.0 m的深井，最大試驗(yàn)水深為30.0 m；上海交通大學(xué)海底礦石采集裝備研發(fā)測試平臺長為15.0 m、寬為1.2 m、高為1.2 m，其海洋深水池為目前世界上設(shè)施較為先進(jìn)的海洋深水試驗(yàn)池之一，主體尺寸為50.0 m×40.0 m×10.0 m，最大測試深度為10.0 m[1]。

深海采礦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常由水面母船、海底采礦車、中繼艙、揚(yáng)礦泵(若采用氣力輸送則無)和礦石輸送管道(包括垂直硬管、軟管)組成，管道可長達(dá)數(shù)千米，立管受到海流影響出現(xiàn)明顯的柔性效應(yīng)[2-3]。立管在深海中不僅受到海洋環(huán)境影響，而且與水面母船相互影響，其動(dòng)力響應(yīng)影響采礦系統(tǒng)的安全穩(wěn)定[4]。立管在水中運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致管道內(nèi)的礦石運(yùn)動(dòng)特性受到一定影響。水面母船在海洋中受到波浪和立管運(yùn)動(dòng)的影響。

深海沉積物作為采礦車的承載基礎(chǔ)，其土工力學(xué)特征限制采礦車的質(zhì)量和設(shè)計(jì)方向。李力等[5]、魏定邦等[6]、馮偉強(qiáng)等[7]、孫華強(qiáng)等[8]和谷忠德等[9]均為深海沉積物的物理強(qiáng)度特性提供參考，對于模擬沉積物強(qiáng)度值的確定具有借鑒意義。采礦車作為集礦機(jī)和采礦頭等的承載平臺，不僅應(yīng)具備較快的行駛速度，而且應(yīng)具備適應(yīng)深海沉積物的承載特性，可大范圍運(yùn)動(dòng)以滿足采集率要求。履帶式采礦車通過調(diào)整履帶寬度調(diào)整與地面的接觸面積，控制接地比壓，可在稀軟深海底質(zhì)實(shí)現(xiàn)較大的承載負(fù)荷。目前，國內(nèi)外對采礦車的研究以履帶式采礦車為主，研究開發(fā)的深海多金屬結(jié)核開采海底采礦車均采用履帶自行方式[10-11]。

提出深海采礦系統(tǒng)模型水池試驗(yàn)方案，在綜合考慮系統(tǒng)動(dòng)力性能影響因素和試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量要求的基礎(chǔ)上，對深海采礦系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定簡化，包括水面母船及垂蕩補(bǔ)償系統(tǒng)、立管、揚(yáng)礦泵、中繼艙(料艙容器)、軟管及浮力材料和力學(xué)概念模型采礦車。

1 深海采礦系統(tǒng)模型水池試驗(yàn)平臺

1.1 深海采礦系統(tǒng)模型總體水動(dòng)力試驗(yàn)平臺

深海采礦系統(tǒng)模型總體水動(dòng)力試驗(yàn)在直徑為30.0 m、主體水深為10.0 m、中央深井水深為50.0 m的水池中進(jìn)行。深海采礦系統(tǒng)模型總體水動(dòng)力試驗(yàn)平臺包括水面母船、波浪補(bǔ)償器、6分量力傳感器、立管、揚(yáng)礦泵、關(guān)鍵位置加速度傳感器、單向力傳感器、中繼艙、水下相機(jī)、回料管和固定纜繩，如圖1所示。

圖1 深海采礦系統(tǒng)模型總體水動(dòng)力試驗(yàn)平臺

以實(shí)際水面母船為標(biāo)準(zhǔn)，通過比例尺縮小進(jìn)行水面母船模型的設(shè)計(jì)制作。試驗(yàn)中的模型船尺寸較大，需要滿足波浪補(bǔ)償器的安裝空間。模型船的縱蕩和橫蕩可通過固定纜繩系泊解決；垂蕩運(yùn)動(dòng)是在深海采礦石時(shí)受到的影響因素，需要通過波浪補(bǔ)償器解決；模型船的縱搖與橫搖的周期與振幅需要監(jiān)測，以判斷縱搖與橫搖的程度[12-13]。通過在艏部和艉部的中心線上安裝的姿態(tài)傳感器測量其傾角，該傳感器需要集成高精度的陀螺儀、加速度計(jì)和磁場傳感器及內(nèi)部處理芯片，可測量空間x軸、y軸和z軸上的角度、加速度和角速度。

以50.0 m的管道長度為計(jì)算依據(jù)，礦石的輸送體積分?jǐn)?shù)為10%、顆粒輸送粒徑為5～20 mm，揚(yáng)礦泵的流量為170 m3/h、揚(yáng)程為35.0 m、功率為30 kW。中繼艙為管道提供礦石原料，內(nèi)部設(shè)計(jì)為漏斗狀，漏斗斜坡角度大于顆粒的休止角，可保證顆粒滾動(dòng)至漏斗底部。試驗(yàn)應(yīng)保證穩(wěn)定的礦石輸送?；亓瞎芑厥盏V石并進(jìn)行循環(huán)輸送，采用回料管可減小礦石用量和中繼艙尺寸。6分量力傳感器、關(guān)鍵位置加速度傳感器和單向力傳感器測量輸送系統(tǒng)在風(fēng)浪流和礦石輸送時(shí)的受力情況。水下相機(jī)用于觀測礦石在中繼艙內(nèi)和管道入口處的運(yùn)動(dòng)情況。

管道內(nèi)部流動(dòng)傳感器包括水下壓力傳感器、管道斷面體積分?jǐn)?shù)計(jì)和電磁流量計(jì)。水下壓力傳感器安裝于立管頂部、揚(yáng)礦泵進(jìn)出口和吸口附近；管道斷面體積分?jǐn)?shù)計(jì)安裝于距離頂部1.0 m的位置；電磁流量計(jì)的安裝位置與管道斷面體積分?jǐn)?shù)計(jì)接近。管道內(nèi)部流動(dòng)傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2 管道內(nèi)部流動(dòng)傳感器安裝位置示例

1.2 采礦車運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)平臺

1.2.1 沉積物載體構(gòu)建

研究發(fā)現(xiàn)：海底表層(0～10 cm)處于固液兩相流動(dòng)狀態(tài)，不能作為受力層；沉積層(15～20 cm)具有穩(wěn)定的抗剪和承載能力[14]。選用沉積層物理特性參數(shù)作為試驗(yàn)參考值具有實(shí)際意義。試驗(yàn)采用相似原則，但滿足所有特性參數(shù)相似難以實(shí)現(xiàn)，根據(jù)車輛與土質(zhì)的相互作用給出物理特性相似的優(yōu)先級，依次為剪切強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、含水率、密度和土粒相對密度。沉積物載體構(gòu)建流程如下：

(1)確定沉積層與結(jié)核基巖物理特性參數(shù)參考值。若進(jìn)行特定區(qū)域模擬試驗(yàn)，則可通過現(xiàn)場原位測試或取樣實(shí)驗(yàn)室測定的方式確定該區(qū)域沉積物的物理特性參數(shù)；若進(jìn)行機(jī)理性試驗(yàn)研究，則可借鑒文獻(xiàn)[14]的研究成果。海底沉積層沉積物的物理特性參數(shù)如表1所示。

表1 海底沉積層沉積物的物理特性參數(shù)

(2)制作可調(diào)角度的地形坡度模擬裝置，如圖3所示。放入制備的模擬土樣，可實(shí)現(xiàn)不同坡度深海沉積物地形的模擬。

圖3 可調(diào)角度的地形坡度模擬裝置

1.2.2 采礦車運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

采礦車試驗(yàn)平臺如圖4所示。采礦車采用液壓驅(qū)動(dòng)，核心參數(shù)包括履帶長度、履帶寬度、履齒高度、幾何外形尺寸和重力分布特性等。采礦車配備液壓壓力傳感器、速度傳感器和水阻力測量傳感器，每個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)輪均安裝角度傳感器。將采礦車置于水池，連接軟管，在連接處安裝單向力傳感器，在軟管上安裝管道斷面體積分?jǐn)?shù)計(jì)和電磁流量計(jì)。

圖4 采礦車運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)平臺

2 深海采礦系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性分析

2.1 深海采礦系統(tǒng)總體運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性分析

(1)慣性力

慣性力包括管道自身重力、管內(nèi)流體重力、水面母船帶給管道頂端的慣性力和管道水中浮力。

(2)風(fēng)浪流載荷

風(fēng)對船體進(jìn)行作用，導(dǎo)致船體晃動(dòng)。海浪導(dǎo)致船體出現(xiàn)上下起伏，并間接作用于輸送管道，對輸送系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生一定影響。海流作用于立管、中繼艙和揚(yáng)礦泵，導(dǎo)致管道出現(xiàn)柔性效應(yīng)；海流的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樗椒较?，其速度隨水深的增加而減小，在海水深度超過2 000.0 m時(shí)海流速度較為穩(wěn)定。

(3)水面母船的影響

水面母船在海面上出現(xiàn)六自由度運(yùn)動(dòng)，包括縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖。縱蕩和橫蕩可通過船舶定位系統(tǒng)進(jìn)行解決，在垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖中對采礦系統(tǒng)影響較大的為垂蕩運(yùn)動(dòng)。

(4)礦石輸送的影響

在采礦系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，管道內(nèi)外的流動(dòng)同時(shí)對管道進(jìn)行作用，管道對外的作用力(即對海洋的影響)可忽略，而管道柔性效應(yīng)與礦石對管道的作用力會(huì)相互影響，對輸送安全性造成一定影響。

2.2 采礦車運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性分析

(1)采礦車與深海沉積物相互作用力學(xué)特性

在采礦車與稀軟深海底質(zhì)相互作用且存在相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，底質(zhì)會(huì)受到來自采礦車傳遞的壓應(yīng)力而產(chǎn)生沉陷，并因相對運(yùn)動(dòng)受到剪應(yīng)力而產(chǎn)生沉陷和剪切變形。通常采用Bekker模型[15]描述深海底質(zhì)的壓陷本構(gòu)方程關(guān)系，如式(1)所示。

(1)

式中：P為接地比壓；kc為內(nèi)聚變形模量；b為履帶寬度；kφ為摩擦變形模量；φ為內(nèi)摩擦角；z為沉陷量；n為深海底質(zhì)變形系數(shù)。

通常采用Janosi-Hanamoto模型[15]描述深海底質(zhì)的剪切本構(gòu)方程關(guān)系，如式(2)所示。

τ=(c+Ptanφ)[1-exp(-j/k)]

(2)

式中：τ為剪應(yīng)力；c為內(nèi)聚系數(shù)；j為剪切位移；k為剪切模量。

(2)采礦車運(yùn)動(dòng)過程力學(xué)特性

采礦車行駛過程受力如圖5所示，其中：G為采礦車重力；N為地面對采礦車的支持力；Rw為海水阻力，Rw=ρCDAfv2/2，ρ為海水密度，CD為海水阻力系數(shù)，Af為受力面積，v為采礦車行進(jìn)速度；R為地面對履帶的阻力，R=τbl，l為履帶長度；Fmax為履帶驅(qū)動(dòng)力；T為軟管對采礦車的拖曳力，Tx和Ty為兩個(gè)方向的分量。

圖5 采礦車行駛過程受力

Fmax的計(jì)算如式(3)所示。

(3)

3 深海采礦系統(tǒng)模型全流程水池試驗(yàn)方案

3.1 深海采礦系統(tǒng)模型總體水動(dòng)力試驗(yàn)方案

深海采礦系統(tǒng)模型總體水動(dòng)力試驗(yàn)由3個(gè)試驗(yàn)部分組成：①水面母船水動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)，包括無任何負(fù)載且與管道無連接時(shí)的靜水衰減試驗(yàn)和雜深海環(huán)境(不同風(fēng)浪流組合)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)；②水面母船與輸送系統(tǒng)的力學(xué)特性試驗(yàn)，即在深海環(huán)境下監(jiān)測水面母船的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況、立管頂部運(yùn)動(dòng)特征及其載荷、立管水中狀態(tài)和中繼艙水中狀態(tài)；③礦石輸送時(shí)的水面母船與輸送系統(tǒng)力學(xué)特性試驗(yàn)，包括水面母船與管道連接且進(jìn)行礦石輸送時(shí)的水面母船運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、管道頂部位置運(yùn)動(dòng)情況、管道頂部載荷、立管水中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、立管內(nèi)的礦石輸送特性(流動(dòng)狀態(tài)、臨界流速和摩擦阻力等)和中繼艙水中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。深海采礦系統(tǒng)模型總體水動(dòng)力試驗(yàn)如圖6所示。

圖6 深海采礦系統(tǒng)模型總體水動(dòng)力試驗(yàn)示例

3.2 采礦車運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)方案

采礦車運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)由2個(gè)試驗(yàn)部分組成：①稀軟深海底質(zhì)采礦車牽引力-滑轉(zhuǎn)率試驗(yàn)，在采礦車與軟管無牽連時(shí)測定不同履帶形式的采礦車在稀軟深海底質(zhì)不同行駛速度下的驅(qū)動(dòng)力、水阻力系數(shù)和履帶驅(qū)動(dòng)輪角速度，得到試驗(yàn)條件下的牽引力-滑轉(zhuǎn)率關(guān)系曲線；②軟管對采礦車的拖曳力試驗(yàn)，綜合考慮軟管形態(tài)、軟管直徑、軟管長度、泥漿輸送體積分?jǐn)?shù)、泥漿流速和采礦車行駛速度等多種因素的影響，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，測量在不同參數(shù)組合下軟管對采礦車的拖曳力，確定影響拖曳力的關(guān)鍵參數(shù)。

4 結(jié) 語

采用物理模型試驗(yàn)方法，在水深達(dá)50.0 m的海洋工程水池中進(jìn)行深海采礦系統(tǒng)模型總體水動(dòng)力試驗(yàn)和采礦車運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。通過水池試驗(yàn)，研究在復(fù)雜海況條件下管道的振動(dòng)特性與力學(xué)特性、水面母船姿態(tài)和管道內(nèi)的礦石運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析采礦系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能，為后續(xù)深海采礦長距離礦石輸送系統(tǒng)的研制提供水池試驗(yàn)技術(shù)支撐。