深海采礦系統雙拱軟管粗顆粒再起動試驗研究

2021-06-24 06:31:42張國帥夏建新

海洋技術學報 2021年2期

張國帥，符瑜，夏建新

（中央民族大學生命與環境科學學院，北京 100081）

深海蘊藏豐富的礦產資源，是滿足人類未來對金屬資源需求的重要保障，已成為世界各國關注的重點領域。深海資源是21世紀最具商業開采價值的礦產資源之一[1-2]。目前最有商業開采前景的深海采礦工藝是固液兩相流管道提升式，該系統由集礦子系統、揚礦子系統、監控子系統、海面采礦船及運輸支持子系統5部分組成[3]，如圖1所示。該系統利用海底集礦機將大面積海底沉積物中的錳結核采集起來，經過脫泥、破碎后，由軟管輸送到水下中間平臺上的中繼倉里，然后通過給料機將結核輸送到提升主管道，由泥漿泵將結核輸送到海面采礦船上。此開采方式具有環保高效、成本低廉和適合深海采礦運輸等特點。

為適應采礦車回采路線和海底地形變化，在海底采礦車與揚礦主管道之間須有一段軟管連接，軟管一般呈現不同的空間形態懸浮于海水中，其輸送粗顆粒時可能存在堵塞風險。雙拱軟管空間構型是深海采礦系統中輸送軟管可能的空間形態之一。在該軟管構型下，集礦機安全行駛范圍較大，而且軟管的受力狀態較好，缺點是輸送軟管在漿體輸送期間的安全性能較差。主要原因是內流漿體輸送過程中揚礦泵發生突發事故停止工作后，雙拱軟管中間的拱底位置容易沉積大量結核，導致軟管堵塞，嚴重影響漿體的安全輸送。目前，國內外已有學者針對錳結核的漿體和顆粒物料的水力輸送等特性開展了大量研究[4-7]，研究不同顆粒粒徑、體積濃度、輸送速度等輸送條件下參數的變化規律。其中，有學者通過理論分析和物理模型試驗相結合的方法，根據不同學者關于粗顆粒在垂直管道和水平管道中的安全輸送速度計算公式，結合實際試驗情況，得到了單拱軟管空間形態中顆粒粒徑、體積濃度、軟管空間形態與漿體安全輸送速度之間的定量關系[8]。

圖1 深海采礦提升系統示意圖

針對深海采礦雙拱軟管漿體的安全輸送條件的研究鮮有報道，探究雙拱形態下軟管拱底位置發生堵塞后所需的再起動速度大小，是保證軟管內流漿體安全輸送的重要條件。因此，本文以深海采礦軟管輸送模擬試驗系統為基礎，針對雙拱軟管突發停泵后拱底沉積顆粒再起動速度的變化規律，研究軟管空間形態、拱底角度、沉積顆粒堆積形態、內流漿體濃度等對軟管安全輸送條件的影響，以期為深海采礦軟管的安全輸送條件提供參考依據。

1 粗顆粒在管道中的運動劃分

在泥沙運動力學中，床面顆粒從靜止至起動時的臨界水流特性稱為起動條件。根據不同顆粒的起動概率，克雷默將顆粒的起動運動形式分為個別起動、少量起動、大量起動3種[9]。在漿體輸送過程中，水體對顆粒的拖曳力超過起動拖曳力時，即滿足顆粒起動的力學條件。根據起動顆粒的受力情況，顆粒的運動形式可劃分為推移運動、懸移運動和中性懸浮運動[5]。近幾年，有學者通過圓管試驗發現：持續增大水流量，顆粒依次產生4種運動狀態：揚動、間歇式推移、連續式推移和懸移[10-11]，如圖2所示。

圖2 管道中粗顆粒運動狀態的劃分

（1）揚動狀態

隨著水流速度逐漸增大，固體顆粒受到的水流拖曳力FD增大，固體顆粒由靜止開始向前滾動，進入揚動起動狀態的條件為：

式中：FD表示水流拖曳力；FL表示上舉力；W’表示顆粒的水中有效重量；f表示靜摩擦系數。

式中：CD和CL分別為阻力系數和上舉力系數；ρ為液相密度；u0為作用在固體顆粒上的流速；d為固體顆粒粒徑。將式（2）、式（3）和式（4）代入式（1）中，公式整理后可得：

固體顆粒的起動條件為：

當滿足式（6）的起動條件時，部分顆粒開始起動并達到揚動狀態，顆粒運動速度遠遠小于水流速度，且運動不穩定，停滯與滾動現象交替出現，如圖2(a)所示。

（2）間歇式推移狀態

當液相流體速度逐漸加大，水流拖曳力FD隨之增大，當FD滿足式（7）和式（8）時，同一管道斷面上的顆粒同時發生滾動和滑移兩種運動，顆粒運動受過水斷面影響，運動呈現周期性變化，如圖2(b)所示。

（3）連續式推移狀態

內流速度持續增加，流體的拖曳力逐漸占據主導作用。顆粒整體表現出滑動推移現象，相鄰顆粒的相對運動趨勢減弱。

連續式推移狀態中，相鄰顆粒層之間的運動狀態相對穩定，運動速度自上而下依次遞減，而且底層顆粒的運動始終與床表面接觸。連續式顆粒推移運動狀態在管道輸送過程中能夠實現有效輸送且能耗相對較低，是較為安全、穩定的輸送狀態，如圖2(c)所示。

（4）懸移狀態

水流速度增大到一定值時，水流紊動強烈，顆粒的上舉力大于有效重力使其進入懸移態，并且懸移顆粒的運動速度基本與水流速度相同，如圖2(d)所示。

定義水流的湍流脈動升力效應為Ft，顆粒在水中的有效重力為W’,則懸移態下顆粒滿足的受力條件為：

據夏建新等[12]關于湍流脈動升力效應的研究，水流的平均湍流脈動升力的表達式為：

式中：ξ為綜合系數；tf為湍流脈動的特征時間，表達公式為為流動尺度；Rew為水流雷諾數；v為運動粘滯系數；ts為顆粒弛豫時間，表達公式為分別為顆粒數密度和單個顆粒質量，其中，為顆粒垂直方向脈動分速度。

綜上所述，揚動狀態、連續推移狀態依次對應臨界起動條件、最優輸送條件。兩者的影響因素為：顆粒粒徑和密度、水流速度以及床面坡度等。本文主要研究在雙拱軟管形態下拱底位置顆粒沉積顆粒在揚動狀態和連續推移狀態下的再起動速度大小。

2 試驗系統與試驗方法

2.1 試驗系統

為深入研究礦物質結核在復雜軟管空間形態中的安全輸送條件，在實際深海采礦管道提升輸送工藝的基礎上，根據相似理論和試驗現有條件，設計了深海采礦軟管輸送模擬試驗系統。如圖3所示，該系統主要由管道輸送子系統、動力子系統、洋流系統、測量系統和給料系統5個部分組成。

圖3 試驗系統示意圖

其中，管道輸送子系統主要由輸送軟管、輸送硬管、彎曲硬管和模擬集礦機等組成。輸送軟管材料選用PVC鋼絲透明軟管，管徑和壁厚分別為50 mm和3 mm，試驗過程中可通過透明軟管觀測管內顆粒的運動狀態。輸送硬管采用內徑為50 mm的鋼管。整個輸送環管長約26 m，高4.7 m，其中，軟管段總長約10 m，軟管測量段長度約5 m。軟管測量段中部為一段彎曲硬管，彎曲硬管上裝有拉壓傳感器和可水平移動的定滑輪，可通過定滑輪改變其水平位置及垂直高度。

動力子系統主要由提升泵、清水泵、潛水泵、集礦機電機和變頻調速器組成。提升泵安裝于軟管段出口處，清水泵安裝于大水箱與3個小水箱之間，潛水泵安裝于模擬集礦機內，集礦機電機安裝在大水槽上方，控制模擬集礦機的移動。本文中所有的泵及電機均使用變頻調速器進行無級調速，確保滿足集礦機的勻速行駛以及內外流體的輸送速度的要求。

洋流系統包括一個8 m長、1.5 m寬、2 m高的大水槽和3個1.5 m長、1.5 m寬、0.7 m高的小水箱相連接組成，水槽和小水箱之間由清水泵連接，使清水在水槽與小水箱之間勻速循環流動，模擬深海采礦系統工作過程中海底的洋流環境，模擬洋流速度約為0.01 m/s。其中，水槽一側采用有機玻璃制作，可清晰觀測在不同工況下輸送軟管的空間形態變化、集礦機運動概況以及軟管內流顆粒運動狀態。

測量系統主要包括拉壓傳感器、網格墻、電磁流量計、標定裝置和數據采集系統等。電磁流量計安裝于輸送硬管段，測量管道內流流速。拉壓傳感器分別安裝于軟管測量段的彎曲硬管上和模擬集礦機中，安裝于軟管測量段的拉壓傳感器主要測量軟管在輸送過程中維持較好空間構型需要的浮力配置大小[13]。

給料系統由梯形水箱和料倉組成，通過向料倉中均勻加入顆粒物料，使顆粒物料與液相介質實現完全混合，并在管道輸送系統中均勻、穩定地進行顆粒輸送。

2.2 試驗條件及方法

本試驗采用石英砂作為固相顆粒（圖4），顆粒密度為2 650 kg/m3，用密度為1 000 kg/m3的清水作為液相介質。試驗所用顆粒平均粒徑為3 mm。當進行軟管漿體輸送時，分別對5%、10%和15% 3種顆粒體積濃度進行試驗。

圖4 試驗材料—石英砂顆粒

本文試驗基于深海采礦軟管輸送模擬試驗系統，研究不同內流漿體體積濃度和集礦機水平位置下，雙拱軟管形態中突發停泵后軟管空間形態和拱底沉積顆粒再起動運動狀態的變化特征，并提出沉積顆粒進入不同起動運動狀態的最小再起動速度。

在測量軟管段的1/3和2/3處設置彎曲硬管，模擬雙拱形軟管的兩個浮力配置，使輸送軟管在水槽中呈現雙拱空間形態。試驗開始時，分別將5%,10%, 15% 3種不同體積濃度顆粒物料加入管道輸送系統中，使其在管道中實現均勻輸送，停泵后部分固體顆粒將沉積至雙拱軟管拱底位置，甚至發生堵塞現象。同時，在不同體積濃度工況下，控制模擬集礦機，使集礦機與軟管出口處的水平距離為3.5 m, 3.75 m, 4 m, 4.25 m, 4.5 m的5個不同位置處，研究突發停泵后雙拱軟管的空間形態以及拱底沉積顆粒的再起動運動狀態及條件。具體試驗參數設計見表1。

表1 具體試驗參數設計

根據顆粒在不同內流流速條件下的運動狀態，判定顆粒在揚動狀態和連續推移狀態的運動狀態，記錄的軟管空間形態得到拱底段軟管的彎曲程度。分析不同軟管彎曲程度、不同沉積顆粒數量以及不同沉積顆粒的堆積形態下顆粒揚動和連續推移的再起動速度大小變化規律和內在機理。

3 試驗結果分析

3.1 突發停泵后雙拱軟管空間形態變化規律

基于深海采礦軟管輸送模擬試驗系統，固定軟管浮力配置大小，使得輸送軟管能夠在水中維持較好的空間形態且對集礦機的力學作用較小，研究突發停泵后不同集礦機水平位置和內流漿體體積濃度下雙拱軟管空間形態的變化規律。其中內流漿體的體積濃度是指停泵之前軟管中漿體輸送的體積濃度。

根據肖芳其等[14-15]的研究可知，在雙拱軟管空間形態下，集礦機水平位置是影響軟管空間形態的重要影響因素之一。同時，內流漿體的體積濃度大小對軟管拱底位置的形態變化也較為明顯，如圖5所示。

圖5 不同體積濃度下停泵后輸送軟管空間形態變化

如圖5所示，在不同集礦機水平位置工況下，隨著內流漿體體積濃度逐漸增大，突發停泵后輸送軟管拱底高度明顯下降。主要原因是停泵后拱底位置沉積顆粒的重力效應的增大，使得拱底高度隨之下降。

由于拱底位置高度的下降，拱頂高度的變化不明顯，拱底位置與兩個拱頂之間的夾角β不斷減小，拱底夾角β是表征拱底位置輸送軟管彎曲程度的重要參數。同時，集礦機與中間倉之間的水平距離也是不可或缺的因素。因此，當浮力配置大小和位置固定不變，內流漿體體積濃度、集礦機水平位置是停泵后雙拱軟管空間形態的重要影響因素。

在不同內流漿體體積濃度的工況下，隨著集礦機水平位置的變化，拱底夾角大小變化趨勢如圖6所示。

圖6 集礦機水平位置和拱底夾角的關系

由圖6可知，當內流漿體體積濃度為10%時，集礦機水平位置由3.5 m行駛至4.5 m，拱底角度由94.7°增至120.3°。可以得知，隨著集礦機與中間倉之間水平距離逐漸增大，輸送軟管的空間形態在力的平衡下發生變化，拱底夾角逐漸增大，拱底位置軟管形態趨于平緩。其中，在沉積顆粒重力效應的影響下，拱底夾角β隨著體積濃度的增大而減小。隨著拱底位置夾角的減小，使得拱底位置軟管的彎曲度增大，容易發生堵塞現象，增大了拱底沉積顆粒進入再起動運動狀態的難度。若內流速度過小，沉積顆粒無法進入再起動運動狀態，將會導致輸送軟管嚴重堵塞，影響軟管漿體輸送的效率與安全。

3.2 拱底角度對顆粒再起動速度的影響

以集礦機水平位置為橫坐標，以軟管內流液相平均流速為縱坐標，在不同內流漿體體積濃度條件下，突發停泵后集礦機水平位置與拱底沉積顆粒（d=3 mm）再起動速度之間的關系，如圖7所示。

圖7 集礦機水平位置與軟管拱底顆粒再起動速度的關系

從圖7可以看出，沉積顆粒在揚動和連續推移下的再起動速度均隨著集礦機水平位置的增大而減小，雙拱形態軟管中拱底沉積顆粒的再起動速度與內流漿體體積濃度、集礦機水平位置及軟管空間形態等因素有關。根據前文輸送軟管拱底角度與集礦機水平位置的關系，以拱底角β為橫坐標，管道內流平均流速為縱坐標，在不同內流漿體體積濃度條件下，突發停泵后拱底角度與拱底沉積顆粒再起動速度之間的關系，如圖8所示。

圖8 拱底角度與軟管拱底顆粒再起動速度的關系

無論是在揚動狀態或連續推移狀態下，兩者沉積顆粒的再起動速度在不同集礦機水平位置和內流漿體體積濃度下具有相似的變化規律。當體積濃度相同時，隨著集礦機與中間倉之間的水平距離增大，拱底角度增大，拱底段軟管逐漸趨向平緩，沉積顆粒再起動速度均不斷減小；對于相同集礦機水平位置下，隨著內流漿體體積濃度的增大，拱底位置沉積顆粒的數量及重量均增大，拱底角度整體呈減小的趨勢，沉積顆粒的再起動速度均逐漸增大。由此可見，沉積顆粒進入再起動運動狀態所需的速度大小與輸送軟管拱底角度呈反比關系。

3.3 拱底沉積顆粒堆積形態對顆粒再起動速度的影響

在深海采礦過程中，突發停泵后拱底位置沉積顆粒再起動速度大小的影響因素除了內流漿體體積濃度、集礦機水平位置、拱底段軟管彎曲度等以外，還有拱底位置沉積顆粒的堆積形態對顆粒再起動速度的影響。沉積顆粒的堆積形態主要受內流漿體體積濃度、集礦機水平位置、拱底角度等參數影響，拱底位置堆積顆粒在斷面上所占的比例n'是表征拱底位置沉積顆粒堆積形態的重要參數。因此，在不同內流漿體體積濃度的條件下，隨著集礦機水平位置的變化，拱底堆積顆粒在斷面上所占比例n'的變化趨勢如圖9所示。

圖9 集礦機水平位置和堆積顆粒斷面所占比例的關系

由圖9可知，在同一內流漿體體積濃度下，拱底堆積顆粒數量相同，隨著集礦機水平位置的逐漸增大，拱底角度隨之增大，拱底段軟管趨于平緩，沉積顆粒在拱底的堆積形態發生變化，使得顆粒在斷面上的占比減小，軟管拱底的堵塞強度降低。集礦機水平位置固定，隨著內流漿體體積濃度增大，停泵后拱底沉積顆粒數量增大，顆粒堆積高度增加，且拱底軟管形態發生變化，拱底角減小，軟管彎曲程度增大，使得沉積顆粒在軟管斷面上的占比增大。

隨著拱底堆積顆粒在斷面上所占比例的變化，軟管拱底段的堵塞情況隨之改變，對沉積顆粒進入再起動運動狀態所需的內流流速大小產生影響。因此，以拱底堆積顆粒在斷面上所占比例n'為橫坐標，管道內流平均流速為縱坐標，在不同內流漿體體積濃度條件下，研究了突發停泵后拱底顆粒斷面占比與顆粒再起動速度之間的關系，如圖10所示。

圖10 拱底堆積顆粒斷面占比與顆粒再起動速度的關系

漿體體積濃度為10%時，軟管拱底段顆粒的斷面占比從33.6%增加至60.5%，在揚動狀態和連續推移狀態下沉積顆粒的再起動速度分別增加了0.04 m/s、0.02 m/s。因此，無論是在揚動狀態或連續推移狀態，兩者沉積顆粒的再起動速度變化趨勢具有相似的規律：在同一體積濃度下，隨著拱底堆積顆粒的斷面占比逐漸增大，軟管拱底段的顆粒堵塞強度增大，沉積顆粒進入起動狀態所需的內流速度均不斷增大；當內流漿體體積濃度增大，停泵后拱底顆粒堆積高度增高，拱底顆粒斷面占比增大，沉積顆粒再起動速度增大。由此可見，拱底沉積顆粒在管道斷面上所占的比例、內流漿體體積濃度和沉積顆粒進入再起動運動狀態所需的速度大小均呈正比關系。