深海揚(yáng)礦管系統(tǒng)海試安裝方案

周 紅，吳維武，錢建華，徐愛進(jìn)

（上海利策科技股份有限公司，上海 200233）

1 引言

當(dāng)前，隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)礦產(chǎn)資源的需求也越來越大，大量的資源開發(fā)造成地球陸地礦產(chǎn)資源日益枯竭。大洋多金屬結(jié)核賦存于海底5 000-6 000 m，富含銅、鈷、錳等金屬，是人類重要的接替資源[1]。深海礦產(chǎn)資源對(duì)我國(guó)資源需求的保障具有重要意義。

我國(guó)自二十世紀(jì)八十年代以來，經(jīng)過多年的研究，確定了水力提升自行式集礦機(jī)的深海采礦系統(tǒng)[2]，如圖1所示。它由集礦機(jī)、揚(yáng)礦子系統(tǒng)、監(jiān)控子系統(tǒng)、采礦船以及運(yùn)輸支持子系統(tǒng)五部分組成。其中，揚(yáng)礦子系統(tǒng)是采礦系統(tǒng)中的重要組成部分，它直接影響結(jié)核的輸送、采礦效率、提升能力、可靠性以及作業(yè)操作。揚(yáng)礦子系統(tǒng)包括揚(yáng)礦管、管接頭、提升泵、中間倉(cāng)和軟管等部分。

基于“863”課題——深海多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼采掘與輸運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)及裝備，擬對(duì)揚(yáng)礦管-泵系統(tǒng)中的揚(yáng)礦管進(jìn)行海上安裝試驗(yàn)。本文主要針對(duì)揚(yáng)礦管海上安裝試驗(yàn)方案，對(duì)系統(tǒng)中的揚(yáng)礦管海上拖航安裝過程的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析。

圖1 深海采礦系統(tǒng)

2 揚(yáng)礦管海試安裝方案

海試方案中揚(yáng)礦管總長(zhǎng)為1 000 m，揚(yáng)礦系統(tǒng)中提升離心泵的揚(yáng)程為200 m，揚(yáng)礦管采用U型管形式，由2根500 m的揚(yáng)礦管加1根短節(jié)管在管子制造場(chǎng)地焊接成U型管，海試中在U型管開口端添加1根短節(jié)管，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)、約束，然后在揚(yáng)礦管兩端通過纜繩與拖船連接，揚(yáng)礦管結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 500 m揚(yáng)礦管結(jié)構(gòu)

揚(yáng)礦管結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，海試時(shí)使用拖船進(jìn)行拖曳鋪設(shè)。揚(yáng)礦管在岸上組裝制造，具有很好的焊接質(zhì)量，并且一般拖船的價(jià)格相對(duì)廉價(jià)。為了有利于揚(yáng)礦管的水面拖行，在揚(yáng)礦管上安裝浮力塊，以克服揚(yáng)礦管自身的重力。當(dāng)拖船將揚(yáng)礦管拖航至預(yù)定海試區(qū)域時(shí)，首先從管中間沿管兩端方向均勻拆除四分之一浮力塊，然后逐步繼續(xù)拆除四分之一浮力塊，直至浮力塊全部拆除，此時(shí)在連接尾部拖船揚(yáng)礦管端添加總重量為10 t的配重塊，進(jìn)行在位下放安裝。尾部拖船上的絞車逐漸下放纜繩，揚(yáng)礦管隨纜繩的下降由水平位置逐漸下放至垂直位置，從而實(shí)現(xiàn)揚(yáng)礦管的在位安裝。

另外，由于試驗(yàn)海區(qū)的海況穩(wěn)定，可以選擇較好的試驗(yàn)天氣。但為了安全起見，還需對(duì)揚(yáng)礦管安裝過程中的動(dòng)力特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

3 揚(yáng)礦管安裝分析

3.1 安裝分析輸入

揚(yáng)礦管管體根圓外徑為216.333 mm，內(nèi)徑為193.68 mm。管體與上、下接頭采用螺紋聯(lián)接，取揚(yáng)礦硬管系統(tǒng)頂端的管體根圓截面為危險(xiǎn)截面進(jìn)行計(jì)算。

在模擬分析中，浮力塊采用均勻分布載荷的形式等效施加到揚(yáng)礦管上，浮力塊提供355 N/m的凈浮力。

揚(yáng)礦管前后端分別通過纜繩與牽引拖船和尾部拖船連接，拖航過程中牽引拖船的速度為2.68 m/s。海試過程中還需要第三艘拖船監(jiān)控試驗(yàn)過程的安全性，并且揚(yáng)礦管在位后用來拆除浮力材料。

作業(yè)水深為700 m，海水密度為1 025 kg/m3。波浪方向選取0°、75°、90°、105°和180°五個(gè)方向，波浪周期為6 s～15 s，有義波高為1 m。

3.2 分析方法

本文使用Orcaflex軟件對(duì)揚(yáng)礦管進(jìn)行安裝分析。采用規(guī)則波，通過最大波高和一系列相關(guān)的周期來描述，采用規(guī)則波計(jì)算時(shí)間明顯小于不規(guī)則波，并且規(guī)則波的計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守。采用的最大波高為1.85 m，周期為6～15 s，波浪方向取 0°、75°、90°、105°和180°五個(gè)方向。

3.3 安裝分析步驟

揚(yáng)礦管海上安裝的具體方法為：揚(yáng)礦管在岸上焊接組裝成一個(gè)整體，管線端部通過纜繩與拖船相連，管線上裝有泡沫塊浮力材料，當(dāng)拖船將揚(yáng)礦管拖航至預(yù)定海試區(qū)域時(shí)，逐漸拆除揚(yáng)礦管上的浮力材料，尾部牽制拖船上的絞車逐漸下放纜繩，揚(yáng)礦管隨纜繩的下降由水平位置逐漸下放至垂直位置，從而實(shí)現(xiàn)揚(yáng)礦管的在位安裝，具體安裝過程如下：

（1）拖船將揚(yáng)礦管拖航到指定地點(diǎn)，此時(shí)揚(yáng)礦管在位，如圖3 所示；

圖3 揚(yáng)礦管在位

圖4 拆除四分之一浮力塊

（2）從揚(yáng)礦管中間位置開始沿管兩端方向拆除四分之一浮力塊，如圖4所示；

（3）繼續(xù)拆除四分之一浮力塊；

（4）繼續(xù)拆除四分之一浮力塊；

（5）將剩余四分之一浮力塊全部拆除，在連接尾部拖船揚(yáng)礦管端添加總重量為10 t的配重塊，準(zhǔn)備下放，如圖5所示；

圖5 浮力塊全部拆除

圖6 揚(yáng)礦管下放至端部距離海平面60 m

圖7 揚(yáng)礦管下放至端部接近垂直

圖8 揚(yáng)礦管垂直懸掛，完成安裝

（6）揚(yáng)礦管下放至端部距離海平面60 m，如圖6所示；

（7）揚(yáng)礦管下放至端部接近中水位置；

（8）揚(yáng)礦管下放至端部接近垂直，如圖7所示；

（9）揚(yáng)礦管垂直懸掛，完成安裝，如圖8所示。

3.4 安裝分析結(jié)果

定義與牽引拖船連接的纜繩為牽引纜繩，與尾部拖船連接的纜繩為尾部纜繩。

根據(jù)揚(yáng)礦管拖航安裝過程中各階段的分析結(jié)果（因篇幅所限，略），可以看出：各種環(huán)境工況下，揚(yáng)礦管在拖航安裝過程中的最大von Mises應(yīng)力為196.60 MPa，不超過454.8 MPa（P110 API Spec 5CT管屈服應(yīng)力的60%），此時(shí)揚(yáng)礦管下放至端部接近垂直位置；纜繩的最大張力為52.63 t，最小有效張力為8.86 t；揚(yáng)礦管的最大有效張力為25.68 t，最小有效張力為0.008 t。

考慮到由于風(fēng)、浪、流作用拖船位置會(huì)發(fā)生偏移，選取安裝過程中的最危險(xiǎn)工況進(jìn)行偏移的敏感性分析，即揚(yáng)礦管下放到接近垂直懸掛位置，此時(shí)波浪方向90°、波高1.85 m、周期7 s，假設(shè)尾部拖船往前后左右方向分別偏移進(jìn)行敏感性分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果。可以看出：拖船位置的小波動(dòng)，對(duì)揚(yáng)礦管的最大von Mises應(yīng)力和有效張力有所影響。揚(yáng)礦管的最大von Mises應(yīng)力值為210.44 MPa，不超過454.8 MPa（P110 API Spec 5CT管屈服應(yīng)力的60%），此時(shí)尾部拖船向前進(jìn)方向偏移50 m；纜繩的最大張力為34.88 t，最小有效張力為10.79 t。揚(yáng)礦管的最大有效張力為17.23 t，最小有效張力為2.27 t。由此可知，尾部拖船位置的小波動(dòng)對(duì)揚(yáng)礦管的最大von Mises應(yīng)力和有效張力有所影響，但不影響揚(yáng)礦管安裝的安全可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出U型揚(yáng)礦管海上安裝試驗(yàn)方案，對(duì)系統(tǒng)中的揚(yáng)礦管拖航安裝過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)受力分析，得到以下結(jié)論：

（1）U型管海上安裝試驗(yàn)方案，采用水面拖行方法實(shí)現(xiàn)揚(yáng)礦管的拖航安裝。揚(yáng)礦管拖航至指定海試地點(diǎn)后，從揚(yáng)礦管中間分別向兩端均勻拆除浮力塊，這樣操作方便，且可以避免揚(yáng)礦管出現(xiàn)較大變形；

（2）揚(yáng)礦管下放安裝過程中，揚(yáng)礦管端部添加配重塊，可以增加揚(yáng)礦管端部重力，減小揚(yáng)礦管在安裝過程中的變形和應(yīng)力，利于揚(yáng)礦管的下放安裝；

（3）由拖航和安裝的動(dòng)力特性分析可知，揚(yáng)礦管的最大Von Mises應(yīng)力和有效張力均滿足規(guī)范要求，說明揚(yáng)礦管的整個(gè)拖航安裝過程是安全可行的；

（4）本文安裝分析結(jié)果可為深海揚(yáng)礦管系統(tǒng)海上試驗(yàn)方案的選取和確認(rèn)提供參考。

[1]簡(jiǎn)曲.中國(guó)大洋采礦技術(shù)發(fā)展評(píng)述[J].采礦技術(shù), 2001, 1(2).

[2]徐妍, 馮雅麗, 張文明.深海采礦中試鉸接式揚(yáng)礦系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).中國(guó)科技論文在線.

[3]王立軍, 余志峰, 王鵬.海底管道施工方法研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2010, (3).