深海采礦系統模型水池試驗方案

徐 劍, 黃 宏, 劉 俊

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200090)

0 引 言

目前，深海采礦系統模型試驗大多在淺水池和地面上進行單獨的功能試驗。2000年荷蘭海事研究所(Maritime Research Institute Netherlands，MARIN)建成具有代表性的海洋深水試驗水池，主體尺寸為45.0 m×36.0 m×10.5 m，在水池中設置直徑為5.0 m的深井，最大試驗水深為30.0 m；上海交通大學海底礦石采集裝備研發測試平臺長為15.0 m、寬為1.2 m、高為1.2 m，其海洋深水池為目前世界上設施較為先進的海洋深水試驗池之一，主體尺寸為50.0 m×40.0 m×10.0 m，最大測試深度為10.0 m[1]。

深海采礦系統結構復雜，通常由水面母船、海底采礦車、中繼艙、揚礦泵(若采用氣力輸送則無)和礦石輸送管道(包括垂直硬管、軟管)組成，管道可長達數千米，立管受到海流影響出現明顯的柔性效應[2-3]。立管在深海中不僅受到海洋環境影響，而且與水面母船相互影響，其動力響應影響采礦系統的安全穩定[4]。立管在水中運動導致管道內的礦石運動特性受到一定影響。水面母船在海洋中受到波浪和立管運動的影響。

深海沉積物作為采礦車的承載基礎，其土工力學特征限制采礦車的質量和設計方向。李力等[5]、魏定邦等[6]、馮偉強等[7]、孫華強等[8]和谷忠德等[9]均為深海沉積物的物理強度特性提供參考，對于模擬沉積物強度值的確定具有借鑒意義。采礦車作為集礦機和采礦頭等的承載平臺，不僅應具備較快的行駛速度，而且應具備適應深海沉積物的承載特性，可大范圍運動以滿足采集率要求。履帶式采礦車通過調整履帶寬度調整與地面的接觸面積，控制接地比壓，可在稀軟深海底質實現較大的承載負荷。目前，國內外對采礦車的研究以履帶式采礦車為主，研究開發的深海多金屬結核開采海底采礦車均采用履帶自行方式[10-11]。

提出深海采礦系統模型水池試驗方案，在綜合考慮系統動力性能影響因素和試驗數據測量要求的基礎上，對深海采礦系統模型結構進行一定簡化，包括水面母船及垂蕩補償系統、立管、揚礦泵、中繼艙(料艙容器)、軟管及浮力材料和力學概念模型采礦車。

1 深海采礦系統模型水池試驗平臺

1.1 深海采礦系統模型總體水動力試驗平臺

深海采礦系統模型總體水動力試驗在直徑為30.0 m、主體水深為10.0 m、中央深井水深為50.0 m的水池中進行。深海采礦系統模型總體水動力試驗平臺包括水面母船、波浪補償器、6分量力傳感器、立管、揚礦泵、關鍵位置加速度傳感器、單向力傳感器、中繼艙、水下相機、回料管和固定纜繩，如圖1所示。

圖1 深海采礦系統模型總體水動力試驗平臺

以實際水面母船為標準，通過比例尺縮小進行水面母船模型的設計制作。試驗中的模型船尺寸較大，需要滿足波浪補償器的安裝空間。模型船的縱蕩和橫蕩可通過固定纜繩系泊解決；垂蕩運動是在深海采礦石時受到的影響因素，需要通過波浪補償器解決；模型船的縱搖與橫搖的周期與振幅需要監測，以判斷縱搖與橫搖的程度[12-13]。通過在艏部和艉部的中心線上安裝的姿態傳感器測量其傾角，該傳感器需要集成高精度的陀螺儀、加速度計和磁場傳感器及內部處理芯片，可測量空間x軸、y軸和z軸上的角度、加速度和角速度。

以50.0 m的管道長度為計算依據，礦石的輸送體積分數為10%、顆粒輸送粒徑為5～20 mm，揚礦泵的流量為170 m3/h、揚程為35.0 m、功率為30 kW。中繼艙為管道提供礦石原料，內部設計為漏斗狀，漏斗斜坡角度大于顆粒的休止角，可保證顆粒滾動至漏斗底部。試驗應保證穩定的礦石輸送。回料管回收礦石并進行循環輸送，采用回料管可減小礦石用量和中繼艙尺寸。6分量力傳感器、關鍵位置加速度傳感器和單向力傳感器測量輸送系統在風浪流和礦石輸送時的受力情況。水下相機用于觀測礦石在中繼艙內和管道入口處的運動情況。

管道內部流動傳感器包括水下壓力傳感器、管道斷面體積分數計和電磁流量計。水下壓力傳感器安裝于立管頂部、揚礦泵進出口和吸口附近；管道斷面體積分數計安裝于距離頂部1.0 m的位置；電磁流量計的安裝位置與管道斷面體積分數計接近。管道內部流動傳感器安裝位置如圖2所示。

圖2 管道內部流動傳感器安裝位置示例

1.2 采礦車運動試驗平臺

1.2.1 沉積物載體構建

研究發現：海底表層(0～10 cm)處于固液兩相流動狀態，不能作為受力層；沉積層(15～20 cm)具有穩定的抗剪和承載能力[14]。選用沉積層物理特性參數作為試驗參考值具有實際意義。試驗采用相似原則，但滿足所有特性參數相似難以實現，根據車輛與土質的相互作用給出物理特性相似的優先級，依次為剪切強度、內聚力、內摩擦角、含水率、密度和土粒相對密度。沉積物載體構建流程如下：

(1)確定沉積層與結核基巖物理特性參數參考值。若進行特定區域模擬試驗，則可通過現場原位測試或取樣實驗室測定的方式確定該區域沉積物的物理特性參數；若進行機理性試驗研究，則可借鑒文獻[14]的研究成果。海底沉積層沉積物的物理特性參數如表1所示。

表1 海底沉積層沉積物的物理特性參數

(2)制作可調角度的地形坡度模擬裝置，如圖3所示。放入制備的模擬土樣，可實現不同坡度深海沉積物地形的模擬。

圖3 可調角度的地形坡度模擬裝置

1.2.2 采礦車運動試驗平臺設計

采礦車試驗平臺如圖4所示。采礦車采用液壓驅動，核心參數包括履帶長度、履帶寬度、履齒高度、幾何外形尺寸和重力分布特性等。采礦車配備液壓壓力傳感器、速度傳感器和水阻力測量傳感器，每個履帶驅動輪均安裝角度傳感器。將采礦車置于水池，連接軟管，在連接處安裝單向力傳感器，在軟管上安裝管道斷面體積分數計和電磁流量計。

圖4 采礦車運動試驗平臺

2 深海采礦系統運動力學特性分析

2.1 深海采礦系統總體運動力學特性分析

(1)慣性力

慣性力包括管道自身重力、管內流體重力、水面母船帶給管道頂端的慣性力和管道水中浮力。

(2)風浪流載荷

風對船體進行作用，導致船體晃動。海浪導致船體出現上下起伏，并間接作用于輸送管道，對輸送系統的安全運行產生一定影響。海流作用于立管、中繼艙和揚礦泵，導致管道出現柔性效應；海流的運動方向為水平方向，其速度隨水深的增加而減小，在海水深度超過2 000.0 m時海流速度較為穩定。

(3)水面母船的影響

水面母船在海面上出現六自由度運動，包括縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖。縱蕩和橫蕩可通過船舶定位系統進行解決，在垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖中對采礦系統影響較大的為垂蕩運動。

(4)礦石輸送的影響

在采礦系統運行時，管道內外的流動同時對管道進行作用，管道對外的作用力(即對海洋的影響)可忽略，而管道柔性效應與礦石對管道的作用力會相互影響，對輸送安全性造成一定影響。

2.2 采礦車運動力學特性分析

(1)采礦車與深海沉積物相互作用力學特性

在采礦車與稀軟深海底質相互作用且存在相對運動時，底質會受到來自采礦車傳遞的壓應力而產生沉陷，并因相對運動受到剪應力而產生沉陷和剪切變形。通常采用Bekker模型[15]描述深海底質的壓陷本構方程關系，如式(1)所示。

(1)

式中：P為接地比壓；kc為內聚變形模量；b為履帶寬度；kφ為摩擦變形模量；φ為內摩擦角；z為沉陷量；n為深海底質變形系數。

通常采用Janosi-Hanamoto模型[15]描述深海底質的剪切本構方程關系，如式(2)所示。

τ=(c+Ptanφ)[1-exp(-j/k)]

(2)

式中：τ為剪應力；c為內聚系數；j為剪切位移；k為剪切模量。

(2)采礦車運動過程力學特性

采礦車行駛過程受力如圖5所示，其中：G為采礦車重力；N為地面對采礦車的支持力；Rw為海水阻力，Rw=ρCDAfv2/2，ρ為海水密度，CD為海水阻力系數，Af為受力面積，v為采礦車行進速度；R為地面對履帶的阻力，R=τbl，l為履帶長度；Fmax為履帶驅動力；T為軟管對采礦車的拖曳力，Tx和Ty為兩個方向的分量。

圖5 采礦車行駛過程受力

Fmax的計算如式(3)所示。

(3)

3 深海采礦系統模型全流程水池試驗方案

3.1 深海采礦系統模型總體水動力試驗方案

深海采礦系統模型總體水動力試驗由3個試驗部分組成：①水面母船水動力響應試驗，包括無任何負載且與管道無連接時的靜水衰減試驗和雜深海環境(不同風浪流組合)下的運動響應試驗；②水面母船與輸送系統的力學特性試驗，即在深海環境下監測水面母船的運動響應情況、立管頂部運動特征及其載荷、立管水中狀態和中繼艙水中狀態；③礦石輸送時的水面母船與輸送系統力學特性試驗，包括水面母船與管道連接且進行礦石輸送時的水面母船運動響應、管道頂部位置運動情況、管道頂部載荷、立管水中運動狀態、立管內的礦石輸送特性(流動狀態、臨界流速和摩擦阻力等)和中繼艙水中運動狀態。深海采礦系統模型總體水動力試驗如圖6所示。

圖6 深海采礦系統模型總體水動力試驗示例

3.2 采礦車運動試驗方案

采礦車運動試驗由2個試驗部分組成：①稀軟深海底質采礦車牽引力-滑轉率試驗，在采礦車與軟管無牽連時測定不同履帶形式的采礦車在稀軟深海底質不同行駛速度下的驅動力、水阻力系數和履帶驅動輪角速度，得到試驗條件下的牽引力-滑轉率關系曲線；②軟管對采礦車的拖曳力試驗，綜合考慮軟管形態、軟管直徑、軟管長度、泥漿輸送體積分數、泥漿流速和采礦車行駛速度等多種因素的影響，設計正交試驗，測量在不同參數組合下軟管對采礦車的拖曳力，確定影響拖曳力的關鍵參數。

4 結 語

采用物理模型試驗方法，在水深達50.0 m的海洋工程水池中進行深海采礦系統模型總體水動力試驗和采礦車運動試驗。通過水池試驗，研究在復雜海況條件下管道的振動特性與力學特性、水面母船姿態和管道內的礦石運動狀態，分析采礦系統的整體運行性能，為后續深海采礦長距離礦石輸送系統的研制提供水池試驗技術支撐。