深海采礦水下中繼站結(jié)構強度分析和校核

曹陽，杜新光，宋環(huán)峰，林強，楊蓓

(1.中國船舶科學研究中心 上海分部，上海 200011；2.上海市東方海事工程技術有限公司，上海 200011)

深海采礦系統(tǒng)的基本功能是采集海底的礦產(chǎn)資源，將其提升輸送到海面并臨時存儲，一般由集礦子系統(tǒng)、水下輸送子系統(tǒng)、測控及動力子系統(tǒng)和水面支持子系統(tǒng)組成。水下輸送子系統(tǒng)是聯(lián)接海底集礦子系統(tǒng)與水面支持子系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，是將切削收集后的礦物從海底輸送到水面支持船舶的通道[1-3]。水下中繼站是水下輸送子系統(tǒng)的重要組成部分，其上端通過提升硬管與水面船連接，下端通過軟管與集礦機連接。目前國內(nèi)在深海采礦水下中繼系統(tǒng)尚處在方案設計階段，尚無現(xiàn)成工程實例可參考，在制造水下中繼站本體樣機前，需要對水下中繼站關鍵結(jié)構進行強度分析計算，為其結(jié)構參數(shù)選取提供參考依據(jù)[4-5]。本文在提出一種深海采礦水下中繼站設計方案的基礎上，根據(jù)結(jié)構特點及受載情況對其進行有限元分析計算，對水下中繼站關鍵結(jié)構進行加強，提高系統(tǒng)的安全性。

1 深海采礦水下中繼站設計方法

通過對國內(nèi)外深海采礦研究和設備發(fā)展的調(diào)研，結(jié)合水下中繼站在深海采礦系統(tǒng)中所需實現(xiàn)的功能要求，確定中繼站的結(jié)構形式，利用三維建模軟件建立方案模型，其具體設計思路如下。

1)設計出所需搭載的采礦設備及合理的布置方案；根據(jù)中繼站在深海采礦系統(tǒng)中的特點，以滿足中繼站對整個采礦系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能要求為目標，對所需搭載的內(nèi)部設備進行選型；考慮礦物在中繼站內(nèi)部輸送過程、中繼站重量及重心配平、方便維護及美觀等，在中繼站內(nèi)部設計安裝平臺，分層模塊化布置內(nèi)部設備。

2)設計出合理的擺動連接裝置，既要保障中繼站與硬管末端處的連接有足夠的強度，使礦料平穩(wěn)順利的從提升軟管輸送到提升硬管中，又要保障中繼站本體繞硬管連接處有一定的擺動范圍，從而改善采礦系統(tǒng)的受力狀況。

3)設計出合理的中繼站外框架，為軟管泵、給料機、液壓站、電子艙、配電箱、料倉等內(nèi)部設備提供安裝平臺，框架有足夠的強度對內(nèi)部設備起到保護作用、在保證內(nèi)部設備安裝合理的情況下盡可能減小外框架的外圍尺寸、為降低加工成本框架結(jié)構盡量不形成耐壓結(jié)構、考慮運輸和便于拆裝等問題。

2 深海采礦水下中繼站設計關鍵要素

2.1 結(jié)構形式特點

水下中繼站采用懸浮形式，外部為開放的框架式結(jié)構，上端通過十字鉸式擺動連接裝置與硬管連接，可以實現(xiàn)中繼站本體繞硬管端部兩個自由度的擺動，底層中心位置通過法蘭與軟管連接；從海底采集的礦物通過軟管泵輸送到中繼站的料倉中，再由給料機排送到硬管，由上端提升泵抽吸至水面設備，礦石的流動輸送示意圖見圖1。水下中繼站保證輸送系統(tǒng)在設計的參數(shù)下穩(wěn)定提升運輸海底礦物，減少揚礦管橫向偏移和縱向偏移的振幅，提高采礦系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為水下采礦設備提供安裝平臺，其結(jié)構示意圖見圖2。

圖1 礦石流動輸送示意

圖2 水下中繼站整體結(jié)構示意

在深海采礦系統(tǒng)布放回收過程中，水下中繼站及連接在中繼站外框架上的軟管在采礦船月池依靠擺動連接裝置連接硬管進行收放；在深海采礦系統(tǒng)工作過程中，水下中繼站及其上搭載的設備依靠擺動連接裝置與系統(tǒng)上部結(jié)構保持連接，同時中繼站依靠擺動連接裝置實現(xiàn)擺動、外框架不僅保護內(nèi)部設備，也是輸送軟管等深海采礦系統(tǒng)其他末端設備與采礦船聯(lián)系的接口。擺動連接裝置或框架結(jié)構發(fā)生失效，會導致水下中繼站及其他采礦系統(tǒng)末端設備丟失，直接導致整個采礦系統(tǒng)失效。因此,擺動連接裝置及整個中繼站框架式結(jié)構的強度對采礦系統(tǒng)避免關鍵設備丟失、保證采礦系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)尤為重要。

2.2 初步結(jié)構設計參數(shù)

針對研究任務設計指標，對水下中繼站內(nèi)部搭載的設備尺寸參數(shù)及安裝要求、礦石最大臨時儲存量及整體重心位置等條件的綜合考量，通過設計選型計算及合理的設備布置方案，得出初步主要參數(shù)如下：水下中繼站最大直徑4.35 m、高度7.6 m、立柱直徑200 mm、主框架選用20號槽鋼；擺動連接裝置最大外徑0.8 m、高0.7 m、銷軸直徑80 mm、允許最大擺動角度8°；最大臨時存儲量6 m3；最大重量(含礦石)30 t。

3 結(jié)構強度分析

3.1 有限元模型

運用有限元建模軟件在笛卡爾坐標系中建立擺動連接裝置及整個水下中繼站框架的有限元計算模型，擺動連接裝置和框架結(jié)構均以solid實體建立模型。以擺動連接裝置上吊耳轉(zhuǎn)軸方向為X軸，正方向由軟管泵尾部指向頭部；以擺動連接裝置下吊耳轉(zhuǎn)軸方向為Y軸，正方向由軟管泵指向給料機；中繼站中心軸為Z軸，正方向由中繼站底部指向頂部。劃分網(wǎng)格，整個結(jié)構的單元總數(shù)27 304個，節(jié)點總數(shù)57 295個。劃分網(wǎng)格后單元見圖3。

圖3 中繼站網(wǎng)格單元劃分

3.2 材料

擺動連接裝置材料：船舶及海洋工程用高強度結(jié)構鋼AH550，屈服強度550 MPa，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。

外框架材料：低合金鋼Q345B，屈服強度345 MPa，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。

3.3 邊界條件和施加載荷

擺動連接裝置的頂部硬管截面施加邊界條件，位移和轉(zhuǎn)動均為0，擺動連接裝置與外框架采用bond連接。施加載荷情況見表1，模型的邊界條件及施加載荷見圖4。

表1 施加載荷情況 N

圖4 中繼站邊界條件和載荷施加

3.4 計算結(jié)果分析

根據(jù)機械設計規(guī)范并參考CCS《起重設備規(guī)范》，擺動連接裝置參考動索結(jié)構，強度安全系數(shù)取4，外框架參考起重機結(jié)構件，強度安全系數(shù)取1.5。擺動連接裝置許用應力：σs=137.5 MPa，外部框架結(jié)構許用應力：σs=230 MPa。根據(jù)計算結(jié)果應力云圖顯示，擺動連接裝置最大等效應力128.7 MPa，最大等效應力值點出現(xiàn)在鉸鏈底座的耳板與底面連接處，見圖5。水下中繼站外框架結(jié)構最大等效應力值215.4 MPa，最大等效應力值點出現(xiàn)在艙頂槽鋼與鋼管的連接處，見圖6。

圖5 擺動連接裝置等效應力分布

圖6 水下中繼站整體框架等效應力分布

水下中繼站結(jié)構的應力分布比較均勻，其關鍵結(jié)構的等效應力值符合許用要求；但是在艙頂主梁、艙頂立柱等連接部位的應力值相對較高。分析原因除了自身結(jié)構特點導致連接部位等效應力值偏大外，在進行水下中繼站結(jié)構整體有限元分析時，由于連接部位網(wǎng)格質(zhì)量較低，可能引起計算結(jié)果的誤差，見圖7。而且這些連接區(qū)域沒有肋板等加強結(jié)構。結(jié)構參數(shù)、網(wǎng)格質(zhì)量和是否有加強結(jié)構這些因素都是影響部分位置等效應力值較大的原因。

圖7 艙頂連接部位網(wǎng)格示意

3.5 加強措施和效果

參考有限元強度仿真計算結(jié)果對水下中繼站擺動連接裝置和外框架進行結(jié)構加強，見圖8、9。對于有限元計算中等效應力較大的結(jié)構進行局部有限元分析，細化網(wǎng)格；對等效應力集中偏大的結(jié)構增加壁厚和調(diào)整型材型號等調(diào)整結(jié)構參數(shù)措施；并采用添加肋板、加強筋等手段來減小集中應力，使整體結(jié)構應力分布更為均勻，提高結(jié)構安全性。

圖8 結(jié)構加強后擺動連接裝置等效應力分布

圖9 結(jié)構加強后水下中繼站整體框架等效應力分布

結(jié)構加強后，中繼站各部分關鍵結(jié)構最大等效應力見表2。由表2可見，等效應力值比加強前降低，整體結(jié)構應力分布更為均勻，結(jié)構加強效果明顯。結(jié)構加強后應力集中的部位出現(xiàn)在連接處，這些關鍵節(jié)點的焊接屬于特殊區(qū)域，焊接必須采用全溶焊，檢測等級采用一類等級[6]。

表2 中繼站結(jié)構等效應力對比

4 結(jié)論

1)設計的新型水下中繼站搭載國內(nèi)自研設備，即將在國內(nèi)深海采礦海試中首次應用，能夠在深海采礦系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，該水下中繼站系統(tǒng)的結(jié)構形式在硫化物、金屬結(jié)核等多種礦區(qū)均可適用，更能適應未來深海采礦全球化和深海化的發(fā)展趨勢。

2)新型水下中繼站系統(tǒng)在最大載荷工況下的整體強度分析中，等效應力分布比較均勻，局部高應力集中區(qū)域出現(xiàn)在艙頂結(jié)構連接處，通過調(diào)整結(jié)構參數(shù)、添加加強措施等手段對相關部位進行結(jié)構加強，通過有限元計算結(jié)果的對比驗證了加強后的結(jié)構最大等效應力值降低，應力分布更均勻，強度更可靠，結(jié)構更加合理。

3)水下中繼站內(nèi)部設備布置方案滿足設計思想，整體強度滿足各項指標和要求，能適應海況下1 000 m深的工作環(huán)境，可為方案下一步論證提供基礎。后續(xù)工作應考慮不同海況中長期開采的工況下，對關鍵節(jié)點進行疲勞分析、以及針對不同海況下水下中繼站布放過程中出現(xiàn)極端外力對水下中繼站結(jié)構強度的影響及相應的解決措施，從而使水下中繼站的總體方案具有更為廣泛的適用性。