深海采礦管道橫向擺動抑制方案*

夏岳旺，徐海良，楊放瓊

1. 中南大學機電工程學院，湖南長沙 410083

2. 中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙 410083

人類社會的發展，離不開對各種資源的開發和利用。在陸地資源逐漸枯竭的今天，人們把目光投向了深海大洋。海底世界除了大家耳熟能詳的錳結核、深海油氣，還有熱液礦床，以及當前最炙手可熱的天然氣水合物［1］。天然氣水合物的儲量極為巨大。據估算，在全世界的邊緣海、深海槽區及大洋盆地中，現已發現的水深3 000 m 以內沉積物中天然氣水合物中的甲烷資源量為2.1萬億立方米（尚不包括天然氣水合物層之下的游離氣體），可滿足人類1 000年的需求［2］。

海洋中廣袤的資源可以說是人類新世紀的福音，近年來學術界不斷提出開采海洋中礦物資源的各種方案。其中，水力提升采礦系統的研究最為系統深入，被認為是最具商業開采價值的開采技術之一［3］。其先在海底對礦層進行破碎，再利用水力提升管道將破碎后的礦物顆粒提升至海面，實現對礦物的開采。

典型的水力提升采礦系統如圖1所示［4］。系統中浮體材料的安置方式參考王耀峰等的研究結果［5］，浮體材料長度約為軟管長度的1/4，安置在軟管中下部，其上端位于軟管中點附近。浮體材料所受到的浮力能促使軟管形成一個有利于水力輸送的拱形［6］；以圖1 所示的方式安置浮體材料，能使軟管在承受海流沖擊時，產生的應力及變形更小。

圖1 深海水力提升采礦系統Fig.1 Deep sea hydraulic lifting mining system diagram

該系統的工作過程為：當勘探到海底某區域有礦層時，采礦船行進至礦層上方，由安裝在采礦車上的鉸刀對海底礦層進行破碎，破碎后的礦物顆粒在泵的抽吸作用下與海水混合，形成礦物漿體。漿體先是在采礦車內泵體的推動下順著軟管運送至礦石中繼倉，中繼倉中的礦漿在砂泵的推動下順著硬管運送至海面采礦船收集。采礦系統選用硬管作為揚礦管是因為硬管光滑，豎直性好，壓力損失小；選用軟管與采礦車相連接是為了讓采礦車具有一定移動空間，可以對一片區域內的礦層進行開采。因此，深海采礦系統通常硬軟管聯用。

然而，在復雜的海洋動力環境下，長達幾千米的采礦管道，會受到波流聯合作用力，產生橫向擺動，擺幅可達數十米［7］。管道的橫向擺動對水力提升的負面影響很大，輕則增加管道輸送過程中的壓力損失，加劇漿體與管道的摩擦磨損，縮短管道使用壽命；重則造成管道內固相組分向管壁聚集，引起顆粒回流，堵管，甚至出現爆管的現象，因此應該嚴格控制管道的擺動幅度［8］。為了抑制管道橫向擺動，減小其所帶來的危害及安全隱患，本文提出了一套深海采礦管道橫向擺動抑制方案。

1 執行部件在采礦系統中的安置

該方案執行部件在采礦系統中的安置方式如圖2所示。

圖2 橫向擺動抑制裝置總體結構Fig.2 Overall structure of lateral swing suppression device

在管道發生橫向擺動時，尼龍拉繩將會產生一個促使管道回復到平衡位置的拉力。從圖中可以看出，無論是硬管還是軟管，管道橫向擺動幅度最大的地方都位于距離管道固定端最遠的地方。因此，將拉繩作用位置選在靠近硬管與中繼倉的接口處，這樣可以有效減少管道橫向擺動的幅度。

定滑輪組件能調整拉繩對管道的作用力，使之更有利于抑制管道橫向擺動。液壓換能組件的作用是將管道橫向擺動的動能轉化為電能，與尼龍拉繩相配合，一方面能減少管道橫向擺動擺幅，另一方面迅速消耗擺動能量，使管道擺動迅速衰減。

2 拉繩工作原理

拉繩工作原理如圖3所示，拉繩擺動的軌跡與管道擺動的軌跡不同，當管道從平衡位置往某一方向擺動時，反方向的拉繩就會有要被拉長的趨勢，這樣一來拉繩就會產生一個抑制管道擺動的拉力。這里為了便于表達拉繩的工作原理，省略了定滑輪。加入定滑輪是為了調整拉繩對管道的作用力，不會改變拉繩工作原理。

圖3 拉繩工作原理Fig.3 Schematic diagram of rope pulling

3 液壓換能組件

圖4 為液壓換能組件的各個組成部分［7］。其中，拉繩下接管道上連活塞，活塞又與復位彈簧相連。當管道處于平衡位置時，彈簧也近乎在平衡位置；當管道往某個方向發生橫向擺動時，會拉動反方向上的拉繩，拉繩帶動活塞往外運動，活塞的運動會使彈簧伸長，這樣彈簧的收縮力就通過拉繩作用到管道上，從而產生一個抑制管道橫向擺動拉力。

圖4 液壓換能組件Fig.4 Hydraulic energy exchange component

由于彈簧的拉力與偏離平衡位置的位移成正比，因此拉繩抑制管道橫向擺動的拉力將會是隨位移變化的柔性力，且拉力方向始終與管道偏移方向相反，可以避免管道受到剛性沖擊，這也是選擇用拉繩來抑制管道橫向擺動而不是選擇直接將管道固定住的原因。

液壓管道、液壓馬達及單向閥等圍繞液壓缸呈中心對稱分布。活塞在拉繩和復位彈簧共同作用下將會來回擺動，上下兩個液壓馬達將會在液流的沖擊下轉動；旋轉發電機將在液壓馬達的帶動下轉動發電，將活塞來回擺動的動能轉化成電能。復位彈簧能使活塞在來回擺動結束后回到平衡位置上。當系統液壓油不足時，可通過注油孔補充液壓油［9］。

管道的擺動引起活塞的擺動，活塞的擺動促使發電機旋轉發電，即整個深海采礦管橫向擺動抑制裝置通過拉繩和活塞，間接將管道橫向擺動的動能轉化為電能，變害為寶。同時，液壓馬達對動能的消耗將使管道橫向擺動迅速衰減，有效抑制管道橫向擺動。

4 定滑輪組件

4.1 定滑輪作用

圖5 和6 分別為有、無定滑輪時拉繩給管道的力（系）圖。從圖中可以看出，在管道因擺動發生偏移時，位于反方向拉繩確有被拉長的趨勢。這里需要強調的是：為有效區分管道平衡位置與偏移位置，將偏移位置管道用細線畫，其余用粗線畫。

圖5 有定滑輪時拉繩對管道的平面力系Fig. 5 Plane force system of pulling rope to pipeline with fixed pulley

設拉繩固定端與管道固定端的橫向距離為L1，管道橫向擺動偏移量為L2。從圖6 可以看出，由于L1與L2的和始終大于L2，因此即使沒有安裝定滑輪，拉繩拉力橫向分量F1對管道固定端的力矩M1始終大于豎直分量F2對管道固定端的力矩M2，即拉繩抑制管道偏移的力矩M1始終大于加劇管道偏移的力矩M2；以管道長度2 000 m、拉繩固定端與管道固定端距離為100 m、管道橫向擺動幅度為20 m 為例，M1約為M2的6 倍。說明未安裝定滑輪時，該方案依舊能有效抑制管道橫向擺動，從理論上證明了該方案的可行性。

圖6 無定滑輪時拉繩對管道的單點力Fig. 6 Single point force of pulling rope to pipeline without fixed pulley

對比圖5 和6 可以看出定滑輪的作用。在沒有定滑輪時，隨著管道擺幅增加以及擺角增大，繩子拉力與管道偏移方向的夾角會越來越大，這會使得繩子拉力對管道橫向擺動的抑制效果越來越差；當管道擺角較大時，繩子會和管道在局部相交，甚至會加劇管道的局部偏移。這是因為在沒有定滑輪時，繩子拉力方向不能很好地順應管道偏移方向的改變。

在加入定滑輪后，繩子拉力就能順著管道偏移方向的改變而恰當地改變方向。即使在管道擺角較大時，繩子拉力與管道偏移方向的夾角基本不變，依舊能有效抑制管道橫向擺動。即定滑輪組件能調整拉繩對管道的作用力，使之更有利于抑制管道橫向擺動。

4.2 定滑輪組件安置

本方案的定滑輪組件體型較小，安裝比較自由。對此，本文給出了一種可供參考的安置方式，將定滑輪組件安置在中繼倉上，具體如圖7-10所示。

圖7 定滑輪組件安置主視圖Fig.7 Main view of fixed pulley assembly installation

定滑輪支座可以焊接在中繼倉上，中間留一個較大的中心孔供管道穿過（支座形狀可以根據中繼倉形狀做調整，本文只是借助這個例子介紹一種可供參考的安置方式），安裝定滑輪支座是便于安裝定滑輪支架。如果中繼倉本身形狀就適合于定滑輪支架的安裝，支座也可以不要。

圖8 定滑輪組件安置三維圖Fig.8 Three dimensional diagram of fixed pulley assembly

圖9 定滑輪組件安置俯視圖Fig.9 Top view of fixed pulley assembly

支架對稱安置在支座兩側。支架與支座之間開了螺釘槽，可供螺釘穿過，將支架與支座連接起來。在螺釘釘緊之前，支架可順著槽擺動一定角度以調整位置。此外，定滑輪底端有一個供拉繩穿過的小孔，如圖10 所示。三個方向的定滑輪可供3個方向的拉繩穿過，這樣無論管道往哪個方向擺動，三根拉繩產生的合力都能有效抑制管道橫向擺動。

圖10 小孔特寫Fig.10 Small hole close-up

5 原理實驗

為驗證本文所提出的這套方案原理可行，本文開展了相關實驗，實驗裝置如圖11 所示。用兩根橡皮筋代替彈簧，用木塊代替活塞，用圖釘代替定滑輪，用尺子代替管道，用小型吹風機吹出的風代替液流沖擊。

圖11 實驗裝置Fig.11 Experimental device

實驗開始時，尺子處于平衡位置，尺子可繞其固定端圖釘擺動，圖釘和尺子及尺子和木板間存在一定的摩擦；將吹風機出風口置于與尺子自由端水平距離約為5 cm 的位置，出風口軸線盡可能與位于平衡位置的尺子軸線垂直；用該吹風機1檔的風力對尺子自由端送風。當未安置擺動抑制裝置時，尺子的擺角約在25°～30°；安置擺動抑制裝置后，尺子擺角不超過5°。實驗結果表明，該裝置確實能有效抑制尺子在受到沖擊時的橫向擺動，說明本文所提出的這套方案的工作原理可行。

6 結 論

為減少深海采礦管道的橫向擺動所帶來的危害及安全隱患，本文提出了一套深海采礦管道橫向擺動抑制方案。該方案的執行部件主要由液壓換能組件、尼龍拉繩及定滑輪組件組成。拉繩能夠提供抑制橫向擺動的拉力，減小橫向擺動擺幅；液壓換能組件能夠消耗橫向擺動的動能，并將其轉化為電能；定滑輪組件能調整拉繩對管道的作用力，使之更有利于抑制管道橫向擺動。該方案有以下優點：有效抑制深海采礦管的橫向擺動，減少橫向擺動帶來的風險和危害；在抑制管道橫向擺動的同時避免管道受到剛性沖擊；將管道橫向擺動的動能轉化為電能，變害為寶；部件安置靈活方便，可靠性高。