深海揚礦管系統海試安裝方案

周 紅，吳維武，錢建華，徐愛進

（上海利策科技股份有限公司，上海 200233）

1 引言

當前，隨著世界經濟的不斷發展，對礦產資源的需求也越來越大，大量的資源開發造成地球陸地礦產資源日益枯竭。大洋多金屬結核賦存于海底5 000-6 000 m，富含銅、鈷、錳等金屬，是人類重要的接替資源[1]。深海礦產資源對我國資源需求的保障具有重要意義。

我國自二十世紀八十年代以來，經過多年的研究，確定了水力提升自行式集礦機的深海采礦系統[2]，如圖1所示。它由集礦機、揚礦子系統、監控子系統、采礦船以及運輸支持子系統五部分組成。其中，揚礦子系統是采礦系統中的重要組成部分，它直接影響結核的輸送、采礦效率、提升能力、可靠性以及作業操作。揚礦子系統包括揚礦管、管接頭、提升泵、中間倉和軟管等部分。

基于“863”課題——深海多金屬結核和富鈷結殼采掘與輸運關鍵技術及裝備，擬對揚礦管-泵系統中的揚礦管進行海上安裝試驗。本文主要針對揚礦管海上安裝試驗方案，對系統中的揚礦管海上拖航安裝過程的動力特性進行了分析。

圖1 深海采礦系統

2 揚礦管海試安裝方案

海試方案中揚礦管總長為1 000 m，揚礦系統中提升離心泵的揚程為200 m，揚礦管采用U型管形式，由2根500 m的揚礦管加1根短節管在管子制造場地焊接成U型管，海試中在U型管開口端添加1根短節管，對結構進行加強、約束，然后在揚礦管兩端通過纜繩與拖船連接，揚礦管結構示意圖如圖2所示。

圖2 500 m揚礦管結構

揚礦管結構形式簡單，海試時使用拖船進行拖曳鋪設。揚礦管在岸上組裝制造，具有很好的焊接質量，并且一般拖船的價格相對廉價。為了有利于揚礦管的水面拖行，在揚礦管上安裝浮力塊，以克服揚礦管自身的重力。當拖船將揚礦管拖航至預定海試區域時，首先從管中間沿管兩端方向均勻拆除四分之一浮力塊，然后逐步繼續拆除四分之一浮力塊，直至浮力塊全部拆除，此時在連接尾部拖船揚礦管端添加總重量為10 t的配重塊，進行在位下放安裝。尾部拖船上的絞車逐漸下放纜繩，揚礦管隨纜繩的下降由水平位置逐漸下放至垂直位置，從而實現揚礦管的在位安裝。

另外，由于試驗海區的海況穩定，可以選擇較好的試驗天氣。但為了安全起見，還需對揚礦管安裝過程中的動力特性進行系統的分析。

3 揚礦管安裝分析

3.1 安裝分析輸入

揚礦管管體根圓外徑為216.333 mm，內徑為193.68 mm。管體與上、下接頭采用螺紋聯接，取揚礦硬管系統頂端的管體根圓截面為危險截面進行計算。

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礦管上，浮力塊提供355 N/m的凈浮力。

揚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控試驗過程的安全性，并且揚礦管在位后用來拆除浮力材料。

作業水深為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軟件對揚礦管進行安裝分析。采用規則波，通過最大波高和一系列相關的周期來描述，采用規則波計算時間明顯小于不規則波，并且規則波的計算結果相對保守。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°五個方向。

3.3 安裝分析步驟

揚礦管海上安裝的具體方法為：揚礦管在岸上焊接組裝成一個整體，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，當拖船將揚礦管拖航至預定海試區域時，逐漸拆除揚礦管上的浮力材料，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，從而實現揚礦管的在位安裝，具體安裝過程如下：

（1）拖船將揚礦管拖航到指定地點，此時揚礦管在位，如圖3 所示；

圖3 揚礦管在位

圖4 拆除四分之一浮力塊

（2）從揚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）繼續拆除四分之一浮力塊；

（4）繼續拆除四分之一浮力塊；

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

圖5 浮力塊全部拆除

圖6 揚礦管下放至端部距離海平面60 m

圖7 揚礦管下放至端部接近垂直

圖8 揚礦管垂直懸掛，完成安裝

（6）揚礦管下放至端部距離海平面60 m，如圖6所示；

（7）揚礦管下放至端部接近中水位置；

（8）揚礦管下放至端部接近垂直，如圖7所示；

（9）揚礦管垂直懸掛，完成安裝，如圖8所示。

3.4 安裝分析結果

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。

根據揚礦管拖航安裝過程中各階段的分析結果（因篇幅所限，略），可以看出：各種環境工況下，揚礦管在拖航安裝過程中的最大von Mises應力為196.60 MPa，不超過454.8 MPa（P110 API Spec 5CT管屈服應力的60%），此時揚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、浪、流作用拖船位置會發生偏移，選取安裝過程中的最危險工況進行偏移的敏感性分析，即揚礦管下放到接近垂直懸掛位置，此時波浪方向90°、波高1.85 m、周期7 s，假設尾部拖船往前后左右方向分別偏移進行敏感性分析。根據計算結果。可以看出：拖船位置的小波動，對揚礦管的最大von Mises應力和有效張力有所影響。揚礦管的最大von Mises應力值為210.44 MPa，不超過454.8 MPa（P110 API Spec 5CT管屈服應力的60%），此時尾部拖船向前進方向偏移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對揚礦管的最大von Mises應力和有效張力有所影響，但不影響揚礦管安裝的安全可行性。

4 結語

本文提出U型揚礦管海上安裝試驗方案，對系統中的揚礦管拖航安裝過程進行動態受力分析，得到以下結論：

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

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

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

（4）本文安裝分析結果可為深海揚礦管系統海上試驗方案的選取和確認提供參考。

[1]簡曲.中國大洋采礦技術發展評述[J].采礦技術, 2001, 1(2).

[2]徐妍, 馮雅麗, 張文明.深海采礦中試鉸接式揚礦系統的實驗設計.中國科技論文在線.

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