一種用于深海采礦的柔性軟管布放回收系統(tǒng)的計(jì)算分析

余倩，陳丹東1，楊高勝，謝夢(mèng)琪，李文豪

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064；2.武漢船舶設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430064)

“深海多金屬結(jié)核采礦試驗(yàn)工程”隸屬于國(guó)家十三五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，研制一套3 500 m的深海采礦試驗(yàn)系統(tǒng)并完成不小于1 000 m水深的海上整體聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)。

柔性軟管的布放回收是水面支持(布放回收)系統(tǒng)中難度較大、作業(yè)流程較為復(fù)雜、人工干預(yù)較多的一環(huán)。深海采礦試驗(yàn)工程中由于軟管長(zhǎng)度較大，軟管材質(zhì)特殊，軟管與采礦車(chē)、水下中繼站對(duì)接操作不便等，將嚴(yán)重影響布放回收作業(yè)的效率、可靠性和安全性。

目前國(guó)內(nèi)外深海采礦工程都基本處在探索和驗(yàn)證階段，尚無(wú)現(xiàn)成工程案例可參考。油氣領(lǐng)域軟管布放回收的技術(shù)模型和相關(guān)工程裝備可為深海采礦工程提供借鑒[1-2]，深海采礦與油氣開(kāi)采作業(yè)工況差異性較大，不能照搬用于深海采礦中。主要差異體現(xiàn)在：①油氣領(lǐng)域軟管長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米，布放回收時(shí)必須使用軟管張緊器保持軟管的恒張力狀態(tài)，而深海采礦試驗(yàn)工程中軟管長(zhǎng)度為400 m，無(wú)需張緊器保持恒張力；②油氣領(lǐng)域的軟管卷車(chē)多為橫臥式，出管方向和位置始終保持一致，而深海采礦試驗(yàn)工程中的軟管卷車(chē)為立式，出管方向和范圍大，不利于保持軟管的彎曲半徑；③油氣領(lǐng)域的軟管無(wú)需連接采礦車(chē)，而深海采礦試驗(yàn)工程中的軟管必須與采礦車(chē)連接安裝，布放回收時(shí)需考慮作業(yè)空間和與尾部的距離。本文提出適用于深海采礦試驗(yàn)工程的柔性軟管布放回收作業(yè)模式，并對(duì)該方案進(jìn)行力學(xué)狀態(tài)的分析和校核，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。

1 柔性軟管布放回收模式的分析

通過(guò)對(duì)月池、船艉和舷側(cè)三種主要布放回收模式的對(duì)比和分析，收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)工程領(lǐng)域的技術(shù)信息和成熟經(jīng)驗(yàn)[3-4]，并結(jié)合深海采礦試驗(yàn)工程的實(shí)際需求和作業(yè)流程進(jìn)行全面考慮。

1)月池布放回收。柔性軟管從月池布放主要有以下兩大弊端：①月池周?chē)贾玫南到y(tǒng)設(shè)備和輔助裝置既多且復(fù)雜，尤其是中繼站轉(zhuǎn)運(yùn)的月池臺(tái)車(chē)會(huì)沿著月池周?chē)能壍纴?lái)回行走，柔性軟管布放回收系統(tǒng)與其發(fā)生多處干涉；②月池上方安裝有大型底座，其覆蓋面積大大超過(guò)月池尺寸，即使借助船用吊機(jī)也很難將吊臂伸入底座下，這無(wú)疑給柔性軟管布放回收系統(tǒng)的吊運(yùn)和安裝造成了很大困難。

柔性軟管從月池布放主要優(yōu)點(diǎn)：可以充分借助月池臺(tái)車(chē)和底座下的電動(dòng)葫蘆等輔助設(shè)備，方便浮力塊的吊運(yùn)和綁扎、柔性軟管的夾持、與中繼站的對(duì)接安裝。

2)船艉布放回收。柔性軟管從船艉布放主要有以下弊端：①船艉甲板面布置有兩臺(tái)大型采礦車(chē)(一用一備)，且安裝有采礦車(chē)布放回收系統(tǒng)的大型門(mén)架、起升絞車(chē)、控制室等，占用了艉部甲板的絕大部分面積，柔性軟管布放回收系統(tǒng)缺乏在船艉甲板安裝的空間位置；②采礦車(chē)與柔性軟管同時(shí)從船艉布放，海面以下的海流情況復(fù)雜，采礦車(chē)鋼絲繩和柔性軟管的真實(shí)形態(tài)難以控制，采礦車(chē)鋼絲繩容易與柔性軟管發(fā)生扭曲纏繞，存在安全隱患；③在海流作用下柔性軟管有可能纏繞在螺旋槳上[5]，風(fēng)險(xiǎn)無(wú)法預(yù)計(jì)。

柔性軟管從船艉布放主要優(yōu)點(diǎn)：方便柔性軟管與采礦車(chē)的對(duì)接，可以借助船尾輔助吊機(jī)保持柔性軟管的彎曲半徑始終大于額定值。

3)舷側(cè)布放回收。柔性軟管從舷側(cè)布放主要弊端：柔性軟管從舷側(cè)布放回收可能與船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)距離太近，但在布放回收過(guò)程中動(dòng)力定位系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)，因此對(duì)安全作業(yè)的影響程度大大降低[6]。

柔性軟管從舷側(cè)布放主要優(yōu)點(diǎn)：①甲板面布置空間相對(duì)較大，可與其他子系統(tǒng)在物理和空間上完全分開(kāi)，不會(huì)互相影響或干涉；②布放回收過(guò)程中，柔性軟管不會(huì)與采礦車(chē)鋼絲繩相互纏繞，也不會(huì)與螺旋槳發(fā)生纏繞；③可充分借助船用吊機(jī)完成系統(tǒng)設(shè)備的吊運(yùn)和安裝，也方便浮力塊與柔性軟管的綁扎。

基于安全性、可靠性、工作流程銜接、作業(yè)效率等多方面的考慮，選擇柔性軟管舷側(cè)布放回收的模式，具體的布放回收位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)，減小動(dòng)力定位系統(tǒng)對(duì)柔性軟管形態(tài)的影響。

2 系統(tǒng)組成

柔性軟管布放回收系統(tǒng)由布放回收平臺(tái)、限位輥輪、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)吊機(jī)等組成。見(jiàn)圖1。

圖1 軟管布放回收系統(tǒng)的總體三維模型

作業(yè)平臺(tái)，用于在舷側(cè)提供限位輥輪、浮力塊綁扎、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)安裝、回轉(zhuǎn)吊機(jī)的安裝和運(yùn)行平臺(tái)，使柔性軟管限位、浮力塊轉(zhuǎn)運(yùn)、浮力塊綁扎、軟管下水布放等程序集中完成。

限位輥輪，主要用于控制柔性軟管布放或回收的方向及角度，避免柔性軟管因風(fēng)浪流的作用偏離既定軌跡而發(fā)生崩起或彈出，由多個(gè)輥輪及框架結(jié)構(gòu)組成，既能起到限制柔性軟管狀態(tài)的作用，又能給柔性軟管留有足夠的布放回收空間。

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，主要用于軟管牽引、導(dǎo)向至舷側(cè)外上。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由滑槽和底部支撐架組成，滑槽的扇形結(jié)構(gòu)的半徑大于柔性軟管的最小彎曲半徑，防止軟管彎折損壞，弧板半徑大于浮力塊的半徑。

回轉(zhuǎn)吊機(jī)，將浮力塊從儲(chǔ)存區(qū)吊運(yùn)至舷側(cè)，便于操作工人完成浮力塊與軟管的綁扎，回轉(zhuǎn)吊機(jī)額定負(fù)載為20 kN，回轉(zhuǎn)半徑為3 m。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

軟管布放回收系統(tǒng)中平臺(tái)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)受力情況較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)承載能力是否能滿(mǎn)足使用要求，需進(jìn)行模擬仿真計(jì)算后確定。以solidworks三維模擬軟件建立軟管布放回收系統(tǒng)的三維仿真模型，再將平臺(tái)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的模型分別提取出來(lái)，導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行有限元計(jì)算，并得出強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，作為軟管布放回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3.1 材料

主結(jié)構(gòu)材料：低合金鋼Q345B,

彈性模量E=210 GPa,

泊松比μ=0.3。

板單元許用等效應(yīng)力取σ=0.75,σS=258.75 MPa；

板單元許用剪切應(yīng)力取σ=0.41,σS=141.45 MPa。

3.2 有限元模型

在笛卡爾坐標(biāo)系中建立平臺(tái)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的有限元計(jì)算模型。平臺(tái)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)均以solid實(shí)體建立模型。以船長(zhǎng)方向?yàn)閄軸，正方向由船艉指向船艏；船寬方向?yàn)閅軸，正方向由右舷指向左舷；船體型深方向?yàn)閆軸，正方向由基線(xiàn)指向甲板。

平臺(tái)模型包含平臺(tái)平面、支柱、橫向、縱向和豎向支撐等，劃分網(wǎng)格，單元總數(shù)為23 304個(gè)，節(jié)點(diǎn)45 925個(gè)。該平臺(tái)三維有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖2，劃分網(wǎng)格后單元見(jiàn)圖3。

圖2 平臺(tái)有限元計(jì)算模型

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包含滑槽、基座、縱橫支撐等結(jié)構(gòu)，劃分網(wǎng)格，共有單元17 897個(gè)，節(jié)點(diǎn)36 275個(gè)，該導(dǎo)向輪三維有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖4，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖5。

圖4 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)有限元計(jì)算模型

3.3 邊界條件和施加載荷

平臺(tái)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的邊界條件及施加載荷情況見(jiàn)表1和表2，模型邊界條件及載荷見(jiàn)圖6、7。

圖6 平臺(tái)邊界條件和載荷施加

圖7 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)邊界條件和載荷施加

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

3.4.1 平臺(tái)

由圖8可見(jiàn)，平臺(tái)在表1和表2的邊界條件及載荷作用下，最大應(yīng)力為127.14 MPa，最大相當(dāng)線(xiàn)彈性應(yīng)變?yōu)?×10-4mm，最大剪切應(yīng)力為44.8 MPa，最大相當(dāng)應(yīng)力產(chǎn)生在平臺(tái)平面的導(dǎo)向輪底部處及支柱和支撐結(jié)構(gòu)上。其最大相當(dāng)應(yīng)力、最大剪切應(yīng)力及應(yīng)變等均滿(mǎn)足要求。

表1 邊界條件

3.4.2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果與分析

由圖9可見(jiàn)，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在表1和表2的邊界條件及載荷作用下，最大相當(dāng)應(yīng)力為48.75 MPa，最大相當(dāng)線(xiàn)彈性應(yīng)變?yōu)?×10-4mm，最大剪切應(yīng)力8.53 MPa，最大相當(dāng)應(yīng)力產(chǎn)生在滑槽垂向弧板及其支撐結(jié)構(gòu)上。其最大相當(dāng)應(yīng)力、最大剪切應(yīng)力及應(yīng)變等均滿(mǎn)足要求。

表2 施加載荷情況

圖8 平臺(tái)的計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力云圖

圖9 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)柔性軟管布放回收模式的分析和論證，月池旁或船艉布放回收均存在較大安全隱患，而舷側(cè)布放回收相對(duì)來(lái)說(shuō)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小，作業(yè)面積大，因此舷側(cè)布放回收的作業(yè)模式較優(yōu)。

2)通過(guò)對(duì)柔性軟管布放回收系統(tǒng)的作業(yè)平臺(tái)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的計(jì)算與分析，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，可實(shí)現(xiàn)柔性軟管的布放與回收。

3)深海采礦試驗(yàn)工程中，除了論證柔性軟管布放回收模式和分析其是否能實(shí)現(xiàn)布放回收功能外，后續(xù)還應(yīng)梳理和深入研究布放回收作業(yè)流程，充分利用船舶甲板上的輔助設(shè)施設(shè)備，提出對(duì)人工操作要求。