坐底式深海采礦系統力學分析①

宋環峰，吳毅賢，林 強，陳 墾

（1．中國船舶科學研究中心 上海分部，上海200011；2．上海市東方海事工程技術有限公司，上海200011）

目前國際上主流的深海礦產資源采礦方式采用懸浮式中繼站采礦系統（見圖1（a））［1－2］，中繼站與海底不連接，采礦系統可以整體在水中緩慢移動，開采范圍大。但中繼站與采礦車需保持一定的相對距離，距離太近軟管會發生自扭，距離太遠軟管會拉翻采礦車。當礦區環境條件較為惡劣時，采礦船動力定位系統無法保證采礦船的運動范圍，且海流大小或方向突然發生變化時，中繼站與采礦車相對位置難以保證，系統容易發生危險，造成軟管和采礦車等設備損壞。

圖1 深海采礦系統示意

海底多金屬硫化物單個礦體尺寸大約為200 m×200 m×20 m［3］，可滿足單個采礦系統約一年的開采量。我國申請的國際海底多金屬硫化物合同礦區位于西南印度洋，該礦區水深3 000 m，常年平均為4～5級海況，且作業區域流速較大，采礦系統開發難度大。根據我國西南印度洋多金屬硫化物礦物分部特點和礦區環境條件，提出了一種坐底式采礦系統（見圖1（b）），該系統將中繼站固定在海底，單個礦點定點開采一年左右，開采完畢后，采礦系統整體移動到其他區域。與懸浮式采礦系統相比，坐底式采礦系統能有效消除中繼站運動對軟管及采礦車的影響，能更好地適應波浪和海流的突然變化，安全性更高。

本文針對該坐底式采礦系統，建立全系統耦合力學分析模型，對各工況下系統進行力學狀態分析和校核，以驗證坐底式深海采礦系統的可行性。

1 計算模型及參數

1．1 系統組成及工況

坐底式深海采礦系統由采礦船、張緊器、輸送管（硬管）、水下中繼站、輸送軟管、采礦車等設備組成，輸送管上端通過上部撓性接頭與采礦船連接，并配有張緊器與伸縮節，下端通過下部撓性接頭與中繼站連接，輸送軟管連接采礦車和中繼站。

輸送管由1根礦漿管和2根回水管組成，礦漿管用于輸送礦漿，采礦船礦漿脫水后的廢水回排至海底。撓性接頭允許輸送管與采礦船、中繼站有一定角度的相對偏移以減少彎曲應力。張緊器與伸縮節的基本功能是補償采礦船與輸送管之間的相對垂直運動。

根據坐底式深海采礦系統作業特點，劃分了3種設計工況：作業工況、最大作業工況以及連接不作業工況。最大作業工況是指采礦作業能正常進行的最大工況；連接不作業工況是指采礦船與輸送管仍連接但作業停止的工況，此時礦漿停止輸送，回水管也停止回排尾水。

具體工況對應的海況參數如表1～2所示。

表1 海流參數

表2 波浪參數

根據作業水深及礦物提升量要求，設計的水下輸送管主要參數見表3。

表3 輸送硬管主要參數

1．2 仿真模型

深海采礦系統為復雜的長管線多體系統，深海采礦系統在作業過程中處在海風、海浪、海流復雜、隨機環境要素耦合作用下，其運動學與動力學性能復雜，其各工況下系統受力是否滿足要求，需在模擬仿真計算后確定。

利用有限元軟件Orcaflex建立坐底式深海采礦系統三維仿真模型，主要包含采礦船、張緊器、伸縮節、上部及下部撓性接頭、輸送管、中繼站等部分。將計算好的采礦船RAOs導入Vessel模型中，由于中繼站與海底固定，軟管和采礦車運動對輸送管并無影響，建模時不考慮軟管和采礦車。由于2根回水管尺寸較大，建模時不能將其與礦漿管等效成1根管線，而是將礦漿管和回水管分別建模，管與管之間的連接采用line contact模型，具體見圖2和圖3。

圖2 張緊器、上部撓性接頭及輸送管模型

圖3 下部撓性接頭和水下中繼站模型

1．3 邊界條件設置

目前暫無專門針對深海采礦的設計校核的規范，因此參考海洋石油API RP 16Q—2017［4］等相關規范要求，輸送管許用應力368 MPa，共有12個張緊器單元，單個張緊器單元可提供的張力為111．3 t。考慮一對張緊器單元失效的情況下，張緊器實際可提供張力（設計張力）為1 113 t，為避免輸送管上部或者輸送管與中繼站連接位置損壞，上部撓性接頭與下部撓性接頭最大轉角為9°。采礦系統作業時，輸送管運動不能與月池壁發生碰撞。

2 計算結果及分析

2．1 作業工況

由于作業工況下海況環境條件較好，且采礦船具有動力定位系統，該工況下不考慮船的慢漂運動。不同浪向下張緊器、輸送管的受力特性計算結果如圖4～5所示。

圖4 張緊器最大張力

圖5 輸送管最大等效應力

由圖4～5可知，隨著浪向角度增加，張緊器最大張力以及輸送管最大等效應力均先增加后減小，最大值均發生在90°浪向，由于回水管剖面模數小于礦漿管，回水管等效應力大于礦漿管。因此采礦作業時應盡量保持頂浪，避免橫浪作業。此外作業工況下張緊器張力均小于張緊器設計值，輸送管等效應力均滿足校核準則。

2．2 最大作業工況及連接不作業工況

最大作業工況和連接不作業工況時，海況條件比較差，需考慮采礦船受動力定位系統（DP）作用，將動力定位系統簡化為X、Y向作用力和Z向彎矩，力的大小與采礦船初始位置距離成正比，彎矩大小與艏向角偏移角度成正比。計算結果見表4。

表4 最大作業工況及連接不作業工況計算結果

由表4可知，隨著浪向角增大，張緊器最大張力及輸送管等效應力均減小，采礦船頂浪作業張緊器張力與輸送管等效應力較小。最大作業工況下，浪向150°時，張緊器張力略大于設計張力值，但仍小于張緊器能提供的最大張力。最大作業工況時要避免150°浪向作業。

2．3 動力定位失效狀態

連接不作業工況時，海況較差，若此時采礦船DP系統突然失效，采礦船處于慢漂狀態，需考慮該工況下張緊器和輸送管受力以及撓性接頭轉角等參數隨時間變化情況，確定最先發生危險的設備。采礦船的運動軌跡及輸送管受力等計算結果見圖6～9。其中浪向角180°、時間500 s。

圖6 張緊器張力時歷

由圖6可知，隨著時間推移，張緊器張力越來越大，在190 s時，張緊器張力達到設計值（1 113 t），298．8 s時，張緊器張力達到最大張力值，此時采礦船主要為X向偏移。

由圖7～8可見，礦漿管和回水管等效應力隨時間推移逐漸增大，343．5 s時，回水管等效應力超過許用應力，礦漿管等效應力一直小于許用應力。上部撓性接頭角度隨時間推移呈振蕩變化，沒有明顯規律，下部撓性接頭隨時間推移逐漸變大。上部撓性接頭最大轉角4．8°，下部撓性接頭最大轉角4．1°。輸送管與月池未發生碰撞，最小距離2 m。

圖7 撓性接頭轉角

圖8 輸送管等效應力時歷

由圖9可知，當采礦船DP系統失效時，張緊器最先達到極限張力值，需在298．8 s前完成輸送管系統緊急脫離。

圖9 采礦船位移時歷

3 結 語

1）針對海底多金屬硫化物采礦，提出了一種坐底式采礦系統，該系統能很好地隔離中繼站與軟管的相對運動，避免軟管和采礦車損壞。對各設計工況下張緊器張力、輸送管等效應力以及撓性接頭轉角等參數進行了計算分析，結果均滿足相關規范要求，驗證了坐底式采礦系統的可行性。

2）后續還應考慮系統布放回收的受力分析、長期作業的設備疲勞分析以及應急解脫時輸送管的反沖分析等，并根據計算結果進一步完善坐底式采礦系統的設計方案。