深海采礦水下輸送系統提升硬管選型及水動力校核研究①

張 明， 鄭 皓， 李滿紅， 李小艷， 宋環峰

（1.長沙礦冶研究院有限責任公司深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012；2.中國船舶科學研究中心上海分部，上海 200011）

深海賦存著巨量的多金屬結核、多金屬硫化物、富鈷結殼和富稀土沉積物等多種高品位深海礦產資源，這些礦產資源中富含鎳、鈷、錳、銅等金屬，是我國十分短缺的戰略性金屬資源，也是新能源汽車、芯片、特種合金等新興高技術產業的核心元素[1-2］。 據有關數據估算，海底多金屬結核總量達210 億噸，其中鎳含量是陸地鎳總儲量的3.5 倍、鈷含量是陸地鈷總儲量的5.5倍[3］。 深海礦產資源主要存在于水深300～6000 m 的海底[4］，深海礦產資源開發就是將海底礦產安全高效地輸送至水面。 目前已成功應用的開采方式主要有管道提升式采礦、穿梭艇式采礦、連續繩斗式采礦以及拖斗式采礦等[5-6］。 國際上對海底履帶式行走、水力／機械采集和管道水力／氣力提升為主的深海采礦方案研究較為深入。

國家重點研發計劃“深海多金屬結核采礦試驗工程”項目，采用的是管道水力提升方式。 水下輸送系統提升硬管作為深海采礦多金屬結核的提升通道，同時作為整個水下輸送系統的承載體，提升硬管的選型設計及校核至關重要。 本文開展深海多金屬結核采礦試驗工程水下輸送系統提升硬管選型設計研究，以輸送指標為設計輸入，開展水動力分析校核，確定提升硬管選型設計的可靠性。

1 提升硬管選型設計

深海多金屬結核采礦試驗工程水下輸送系統如圖1 所示，設計作業水深1400 m，提升硬管總長度約1300 m，中繼站距海底高度100 m，提升電泵位于水深500 m 處。 采礦車采集的多金屬結核通過輸送軟管輸送至中繼站，再通過提升硬管輸送至水面船舶。

圖1 深海采礦水下輸送系統示意圖

1.1 提升硬管選型設計依據

1.1.1 設計輸入

水下輸送系統提升硬管需滿足：輸送濕結核43 t／h，輸送流量不小于420 m3／h，多金屬結核粒徑不大于20 mm，輸送體積濃度不小于5%。

1.1.2 校核方式

提升硬管作為水下輸送系統唯一的通道和承載體，在滿足輸送指標的前提下，保證提升硬管在復雜海洋環境下，能夠達到API RP 2RD[7］規范要求的安全系數（材料屈服強度／最大等效應力），作業工況安全系數大于1.5，極端工況（布放回收工況）安全系數大于1.25。

1.2 提升硬管規格

1.2.1 提升硬管內徑

根據輸送速度、多金屬結核礦漿輸送濃度確定提升硬管內徑。 由固液兩相流理論中的Govier 理論[8］可知，提升速度應大于礦石顆粒沉降速度的3 ～5 倍，才能保證礦石顆粒在管道中垂直向上輸送。 不規則形狀錳結核顆粒的沉降速度可按式（1）計算：

式中Sf為形狀系數，天然錳結核形狀系數取0.8；ρs為濕結核密度，為2000 kg／m3；ρsw為海水密度，為1037 kg／m3；g 為重力加速度；d為結核粒徑，為20 mm。 代入式（1），多金屬錳結核顆粒沉降速度Wt＝0.54 m／s，按5 倍沉降速度計算，提升速度Vm＝2.70 m／s。

輸送產能Qs與輸送流量Qv關系如下：

式中Qv為體積流量，m3／h；Qs為礦漿質量流量，為43 t／h；Cv為體積濃度，取5%～6%，計算得Qv＝360～430 m3／h。

提升硬管內徑計算公式為：

將Qv＝360～430 m3／h、Vm＝2.70 m／s，代入式（3），計算得輸送管內徑Din＝216～236 mm。 考慮到結核粒徑可能大于20 mm，應適當提高流速，提升硬管內徑應小于216 mm。

1.2.2 提升硬管材料鋼級及管道壁厚

管道材料鋼級越高，管道屈服強度越大，抗力越強，同時管道硬度和脆性也會加大。 表1 為海洋工程立管常用鋼級性能參數表，綜合考慮鋼級屈服強度和硬度，提升硬管選擇P110 鋼級材料。

表1 鋼級性能參數表

目前海洋工程立管采用法蘭連接和螺紋連接均較為成熟，考慮水下輸送系統提升硬管需要快速對接，提升硬管選用抗疲勞螺紋連接管。 提升硬管連接方式如圖2 所示，該螺牙扣型抗疲勞應力集中系數SAF≤2.0。

根據《API SPEC 5CT 套管和油管規范》[9］，內徑216 mm 相近的標準套管，應選取外徑244.48 mm 的套管，選擇該規格下最大壁厚20.24 mm，其管道內徑為204 mm。 當體積流量Qv＝420 m2／h，管道內徑為Din＝204 mm，通過式（3）得到輸送流速為3.75 m／s，大于最小提升速度，滿足輸送要求。

2 水下輸送系統水動力計算模型

2.1 水動力計算基本原理

在Orcaflex 軟件中建立完整的水下輸送系統總體水動力模型，包括采礦車、輸送軟管、中繼站、提升硬管及水面船舶，考慮風浪流環境條件，運用三維勢流理論，使用時域法進行耦合分析[10］。 在復雜海洋環境中，水下輸送系統提升硬管主要受到兩種載荷作用；一種是船舶傳遞的管道波浪力，一種是長距離管道海流力。

采用莫里森（Morison）方程[11］計算細長立管波浪力。 莫里森方程是根據繞流理論建立的半理論半經驗公式：

式中f為立管單位長度波浪力，kN／m；ρw為海水密度，kg／m3；D為立管直徑，m；u為海流速度，m／s；CD為立管阻力系數；CM為立管慣性力系數。

海流作用在管道上產生的阻力大小與海流速度和管道外徑直接相關。 立管上的總海流力可用下式表示：

式中Fc為立管總海流作用力，kN；S為立管總長度，m。

提升硬管波浪力和海流力主要影響因素為阻力系數CD及海流速度u。 其中海流速度根據試驗海域監測的流速按高度方向設置剖面流速，阻力系數根據硬管在水池中拖曳試驗獲取。

2.2 提升硬管阻力系數拖曳試驗

按1 ∶1搭建長度1 m 的提升硬管模型，采用普通鋼材料制作提升硬管，采用鎧裝鋼絲纜模擬綁扎在提升硬管上的臍帶纜，如圖3 所示。 將模型與三分力天平連接的圓管固定在拖曳水池的拖車上，三分力天平安裝在揚礦管的中間位置，用于測量硬管的受力情況。由于水下輸送系統提升電泵上端硬管綁扎兩根臍帶纜（提升泵臍帶纜和中繼站臍帶纜），提升電泵下端硬管綁扎一根電纜（中繼站臍帶纜），圓管附著非對稱的電纜，不同的來流方向繞流結果不一樣，整體的阻力大小也不一樣，因此按不同來流方位角度分別測量。

圖3 提升硬管阻力系數試驗平臺

用拖車速度來模擬來流速度，速度0.1 ～1.8 m／s，間隔0.1 m／s。 根據式（5）按單位長度計算阻力系數，圖4 為提升電泵上端硬管、提升電泵下端硬管在不同來流方向、不同流速下的阻力系數。

圖4 提升硬管阻力系數計算結果

試驗海域環境監測數據顯示，高度方向剖面流速0.2～1.6 m／s，由圖4 可知，流速0.2 ～1.6 m／s 時，硬管整體阻力系數為0.4～1.5，低流速時阻力系數大，流速大于1.4 m／s 后發生轉捩。 保守計算，在水動力計算模型中，提升電泵上端硬管阻力系數取1.4、提升電泵下端硬管阻力系數取1.3。

2.3 水動力模型管道參數設置

對水下輸送系統在Orcaflex 軟件中搭建水動力計算模型，采礦試驗母船和海底采礦車采用Vessel 船舶單元；提升硬管、輸送軟管、提升電泵采用Lines 管線單元；中繼站采用6D buoys 六自由度浮筒單元；升沉補償器采用Links 線彈性單元。 鑒于篇幅有限，文中只列出輸送管道參數。

2.3.1 提升硬管參數設置

計算模型中立管尺寸、長度、質量按照1400 m 作業水深設置，具體參數見表2，水下輸送系統硬管連接方案如圖5 所示。

表2 提升硬管參數

圖5 硬管連接方案

標準管提升硬管質量112.5 kg／m，計算模型中將提升電泵臍帶纜質量5.25 kg／m、中繼站臍帶纜質量3.7 kg／m均布到硬管中。 標準管提升硬管長度9 m／根，海試前2 根預接成18 m。 1400 m 水下輸送系統，提升硬管連接總長度約1300 m，中繼站上端、提升電泵下端、提升電泵上端、硬管頂端都采用螺紋式法蘭短管連接，長度分別為6 m、4 m、6 m、9 m。

2.3.2 輸送軟管參數設置

輸送軟管一端連接中繼站下端，一端連接采礦車，輸送軟管中間位置每隔5 m 綁扎一個浮力塊，共綁扎14 個浮力塊，單個浮力塊凈浮力330 kg（浮力塊采用float 單元，設置凈浮力／質量與實際一致），使輸送軟管在采礦作業時保持N 構型，計算模型中輸送軟管參數見表3。

表3 輸送軟管參數

2.4 計算工況

對水下輸送系統按作業工況和布放工況分別開展計算校核。 圖6 為水下輸送系統布放工況和作業工況水動力計算模型。

圖6 輸送系統水動力計算模型

作業工況：水下輸送系統全部管道和設備布放到位，硬管頂端連接升沉補償器（硬管頂端可擺動角度8°），水下輸送系統開始輸送多金屬結核。 布放工況：水下輸送系統布放時，采礦車從船尾A 架布放，提升硬管系統從月池中間布放。 提升硬管每次布放1 根，采礦車同步下放，單根下放到位時，硬管頂端采用動力卡瓦鎖死，開始對接下一根硬管。 硬管頂端固支，在海流作用下，硬管頂端彎矩載荷非常大，因此每布放1 根（18 m）硬管，都搭建水動力計算模型，校核提升硬管頂端安全系數。

2.5 海洋環境條件

2.5.1 海浪參數

采用Morison 方程計算波浪力的關鍵在于選定一種適宜的波浪理論。 選用Jonswap 譜計算模型中不規則波浪譜，譜形參數γ＝3.3。 作業工況采用4 級海況，有義波高2.5 m；布放工況采用3 級海況，有義波高1.5 m。

2.5.2 海流參數

項目單位2018 年6 月至2019 年5 月在試驗海域不同水深分別放置海流監測儀，每0.5 h 記錄一次，篩選試驗海域全年監測最大流速作為海流參數，流速剖面見圖7。

圖7 流速剖面

3 提升硬管強度校核

3.1 布放工況提升硬管強度校核

布放工況設置3 級海況，舶艏迎浪角度30°，每布放1 根18 m 硬管，計算1 次，共計算73 組，分別提取提升硬管頂端張力、彎矩、綜合應力及對應的安全系數，圖8 為布放工況下提升硬管頂端載荷大小。

圖8 布放工況硬管頂端載荷大小

由圖8 可知，隨著接管長度增長，質量增加，硬管頂端所承受的張力越來越大，頂端張力與長度呈線性關系。 綜合應力與接管長度非線性變化。 綜合應力同時受到張力和彎矩共同作用，綜合應力變化趨勢與彎矩變化趨勢一致，說明綜合應力受彎矩影響更大，而彎矩主要受流速影響。 整個布放過程中，硬管頂端最小安全系數為1.29，滿足API RP 2RD 規范要求的“極端工況安全系數大于1.25”，布放工況下，提升硬管的選型滿足設計需求。 為了保證海試安全，水下輸送系統布放回收時，應時刻監測海況和流速，當海況大于3 級、表面流速大于1.6 m／s 時，應停止布放，硬管頂端連接升沉補償器，待海況好轉時再繼續布放。 同時在水下輸送系統布放回收時，船舶開啟動力定位，控制船艏迎浪角在30°以內。

3.2 作業工況提升硬管強度校核

作業工況設置4 級海況，船舶迎浪角度分別按0°、30°、45°、60°計算，表4 為作業工況下硬管頂端載荷大小及底端偏移距離。

表4 作業工況硬管載荷參數

作業工況下，安全系數達到了3.5 以上，滿足API RP 2RD 規范要求。 硬管頂端連接升沉補償器，硬管頂端綜合應力主要由張力產生，此時彎矩非常小；船舶迎浪角越大，船舶幅值響應越大，穩定性變差，作業工況下控制船舶迎浪角度在60°以內。

4 結 語

以“深海多金屬結核采礦試驗工程”項目水下輸送系統為研究對象，開展水下輸送系統提升硬管選型設計及水動力校核分析，得出結論如下：

1） 根據多金屬結核最小提升速度，確定輸送管徑范圍，選擇P110 鋼級抗疲勞螺紋連接套管，外徑244.48 mm、內徑204 mm，滿足輸送指標要求。

2） 水下輸送系統布放回收時，選擇3 級及以下海況布放、監測表面流速小于1.6 m／s、控制船舶迎浪角在30°以內，提升硬管安全系數滿足規范要求。

3） 水下輸送系統采礦作業時，硬管頂端連接升沉補償器，可以在4 級海況、船舶迎浪角度60°以內條件下安全作業。

4） 國家重點研發計劃“深海多金屬結核采礦試驗工程”項目于2021 年6 月在中國南海完成我國首次1000 級深海采礦整體聯動試驗，最大作業水深1306 m。在海試過程中提升硬管各接口間連接可靠，保障了水下輸送系統能夠安全高效的輸送。 海試結果驗證了本文提升硬管選型設計及校核方式的可行性。