一種用于深海采礦的柔性軟管布放回收系統的計算分析

余倩，陳丹東1，楊高勝，謝夢琪，李文豪

(1.中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2.武漢船舶設計研究院有限公司，武漢 430064)

“深海多金屬結核采礦試驗工程”隸屬于國家十三五國家重點研發計劃，研制一套3 500 m的深海采礦試驗系統并完成不小于1 000 m水深的海上整體聯動試驗。

柔性軟管的布放回收是水面支持(布放回收)系統中難度較大、作業流程較為復雜、人工干預較多的一環。深海采礦試驗工程中由于軟管長度較大，軟管材質特殊，軟管與采礦車、水下中繼站對接操作不便等，將嚴重影響布放回收作業的效率、可靠性和安全性。

目前國內外深海采礦工程都基本處在探索和驗證階段，尚無現成工程案例可參考。油氣領域軟管布放回收的技術模型和相關工程裝備可為深海采礦工程提供借鑒[1-2]，深海采礦與油氣開采作業工況差異性較大，不能照搬用于深海采礦中。主要差異體現在：①油氣領域軟管長達數千米，布放回收時必須使用軟管張緊器保持軟管的恒張力狀態，而深海采礦試驗工程中軟管長度為400 m，無需張緊器保持恒張力；②油氣領域的軟管卷車多為橫臥式，出管方向和位置始終保持一致，而深海采礦試驗工程中的軟管卷車為立式，出管方向和范圍大，不利于保持軟管的彎曲半徑；③油氣領域的軟管無需連接采礦車，而深海采礦試驗工程中的軟管必須與采礦車連接安裝，布放回收時需考慮作業空間和與尾部的距離。本文提出適用于深海采礦試驗工程的柔性軟管布放回收作業模式，并對該方案進行力學狀態的分析和校核，驗證系統的可行性。

1 柔性軟管布放回收模式的分析

通過對月池、船艉和舷側三種主要布放回收模式的對比和分析，收集國內外相關工程領域的技術信息和成熟經驗[3-4]，并結合深海采礦試驗工程的實際需求和作業流程進行全面考慮。

1)月池布放回收。柔性軟管從月池布放主要有以下兩大弊端：①月池周圍布置的系統設備和輔助裝置既多且復雜，尤其是中繼站轉運的月池臺車會沿著月池周圍的軌道來回行走，柔性軟管布放回收系統與其發生多處干涉；②月池上方安裝有大型底座，其覆蓋面積大大超過月池尺寸，即使借助船用吊機也很難將吊臂伸入底座下，這無疑給柔性軟管布放回收系統的吊運和安裝造成了很大困難。

柔性軟管從月池布放主要優點：可以充分借助月池臺車和底座下的電動葫蘆等輔助設備，方便浮力塊的吊運和綁扎、柔性軟管的夾持、與中繼站的對接安裝。

2)船艉布放回收。柔性軟管從船艉布放主要有以下弊端：①船艉甲板面布置有兩臺大型采礦車(一用一備)，且安裝有采礦車布放回收系統的大型門架、起升絞車、控制室等，占用了艉部甲板的絕大部分面積，柔性軟管布放回收系統缺乏在船艉甲板安裝的空間位置；②采礦車與柔性軟管同時從船艉布放，海面以下的海流情況復雜，采礦車鋼絲繩和柔性軟管的真實形態難以控制，采礦車鋼絲繩容易與柔性軟管發生扭曲纏繞，存在安全隱患；③在海流作用下柔性軟管有可能纏繞在螺旋槳上[5]，風險無法預計。

柔性軟管從船艉布放主要優點：方便柔性軟管與采礦車的對接，可以借助船尾輔助吊機保持柔性軟管的彎曲半徑始終大于額定值。

3)舷側布放回收。柔性軟管從舷側布放主要弊端：柔性軟管從舷側布放回收可能與船舶動力定位系統距離太近，但在布放回收過程中動力定位系統處于關閉狀態，因此對安全作業的影響程度大大降低[6]。

柔性軟管從舷側布放主要優點：①甲板面布置空間相對較大，可與其他子系統在物理和空間上完全分開，不會互相影響或干涉；②布放回收過程中，柔性軟管不會與采礦車鋼絲繩相互纏繞，也不會與螺旋槳發生纏繞；③可充分借助船用吊機完成系統設備的吊運和安裝，也方便浮力塊與柔性軟管的綁扎。

基于安全性、可靠性、工作流程銜接、作業效率等多方面的考慮，選擇柔性軟管舷側布放回收的模式，具體的布放回收位置應盡量遠離船舶動力定位系統，減小動力定位系統對柔性軟管形態的影響。

2 系統組成

柔性軟管布放回收系統由布放回收平臺、限位輥輪、導向機構、回轉吊機等組成。見圖1。

圖1 軟管布放回收系統的總體三維模型

作業平臺，用于在舷側提供限位輥輪、浮力塊綁扎、導向機構安裝、回轉吊機的安裝和運行平臺，使柔性軟管限位、浮力塊轉運、浮力塊綁扎、軟管下水布放等程序集中完成。

限位輥輪，主要用于控制柔性軟管布放或回收的方向及角度，避免柔性軟管因風浪流的作用偏離既定軌跡而發生崩起或彈出，由多個輥輪及框架結構組成，既能起到限制柔性軟管狀態的作用，又能給柔性軟管留有足夠的布放回收空間。

導向機構，主要用于軟管牽引、導向至舷側外上。導向機構由滑槽和底部支撐架組成，滑槽的扇形結構的半徑大于柔性軟管的最小彎曲半徑，防止軟管彎折損壞，弧板半徑大于浮力塊的半徑。

回轉吊機，將浮力塊從儲存區吊運至舷側，便于操作工人完成浮力塊與軟管的綁扎，回轉吊機額定負載為20 kN，回轉半徑為3 m。

3 系統結構強度計算

軟管布放回收系統中平臺和導向機構受力情況較為復雜，其結構承載能力是否能滿足使用要求，需進行模擬仿真計算后確定。以solidworks三維模擬軟件建立軟管布放回收系統的三維仿真模型，再將平臺和導向機構的模型分別提取出來，導入ANSYS Workbench中進行有限元計算，并得出強度計算結果，作為軟管布放回收系統設計的依據。

3.1 材料

主結構材料：低合金鋼Q345B,

彈性模量E=210 GPa,

泊松比μ=0.3。

板單元許用等效應力取σ=0.75,σS=258.75 MPa；

板單元許用剪切應力取σ=0.41,σS=141.45 MPa。

3.2 有限元模型

在笛卡爾坐標系中建立平臺、導向機構的有限元計算模型。平臺和導向機構均以solid實體建立模型。以船長方向為X軸，正方向由船艉指向船艏；船寬方向為Y軸，正方向由右舷指向左舷；船體型深方向為Z軸，正方向由基線指向甲板。

平臺模型包含平臺平面、支柱、橫向、縱向和豎向支撐等，劃分網格，單元總數為23 304個，節點45 925個。該平臺三維有限元計算模型見圖2，劃分網格后單元見圖3。

圖2 平臺有限元計算模型

導向機構包含滑槽、基座、縱橫支撐等結構，劃分網格，共有單元17 897個，節點36 275個，該導向輪三維有限元計算模型見圖4，網格劃分見圖5。

圖4 導向機構有限元計算模型

3.3 邊界條件和施加載荷

平臺、導向機構的邊界條件及施加載荷情況見表1和表2，模型邊界條件及載荷見圖6、7。

圖6 平臺邊界條件和載荷施加

圖7 導向機構邊界條件和載荷施加

3.4 計算結果與分析

3.4.1 平臺

由圖8可見，平臺在表1和表2的邊界條件及載荷作用下，最大應力為127.14 MPa，最大相當線彈性應變為7×10-4mm，最大剪切應力為44.8 MPa，最大相當應力產生在平臺平面的導向輪底部處及支柱和支撐結構上。其最大相當應力、最大剪切應力及應變等均滿足要求。

表1 邊界條件

3.4.2 導向機構的計算結果與分析

由圖9可見，導向機構在表1和表2的邊界條件及載荷作用下，最大相當應力為48.75 MPa，最大相當線彈性應變為3×10-4mm，最大剪切應力8.53 MPa，最大相當應力產生在滑槽垂向弧板及其支撐結構上。其最大相當應力、最大剪切應力及應變等均滿足要求。

表2 施加載荷情況

圖8 平臺的計算結果及應力云圖

圖9 導向機構的計算結果及應力云圖

4 結論

1)通過對柔性軟管布放回收模式的分析和論證，月池旁或船艉布放回收均存在較大安全隱患，而舷側布放回收相對來說作業風險小，作業面積大，因此舷側布放回收的作業模式較優。

2)通過對柔性軟管布放回收系統的作業平臺和導向機構的計算與分析，其結構強度滿足要求，可實現柔性軟管的布放與回收。

3)深海采礦試驗工程中，除了論證柔性軟管布放回收模式和分析其是否能實現布放回收功能外，后續還應梳理和深入研究布放回收作業流程，充分利用船舶甲板上的輔助設施設備，提出對人工操作要求。