王建華，張 明

（1.長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

海底蘊(yùn)含著豐富的資源。眾多資源中錳結(jié)核含有多種金屬元素，是多種新型行業(yè)不可或缺的原材料，是世界各國(guó)普遍重視的多金屬礦產(chǎn)資源［1-4］。自20世紀(jì)開(kāi)始，像美國(guó)等多個(gè)國(guó)家已將開(kāi)采海底礦產(chǎn)資源作為一個(gè)重要戰(zhàn)略目標(biāo)［5］。目前行業(yè)普遍認(rèn)可并唯一通過(guò)了實(shí)際海底資源開(kāi)發(fā)試驗(yàn)驗(yàn)證的方案是硬管、軟管和提升泵組成的管道輸送系統(tǒng)，將海底礦物輸至水面上的采礦船［6］。王剛［7］等用非線性有限元方法建立了基于1 000 m級(jí)深海采礦揚(yáng)礦系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行了水下構(gòu)形的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真，主要研究了軟管受力和空間構(gòu)形。李艷、曹玉霞、胡小舟等［8-11］針對(duì)揚(yáng)礦系統(tǒng)大位移、小變形的幾何非線性特性以及系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)性能實(shí)時(shí)快速分析的需求，提出了多剛體離散元法建立管線空間離散模型，以上研究對(duì)于硬管研究開(kāi)發(fā)有一定的參考作用。但均未就如何準(zhǔn)確計(jì)算極端工況條件下硬管固定端受力狀況、驗(yàn)證硬管設(shè)計(jì)方案的可靠性這一關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展研究，深海水下輸送硬管是實(shí)現(xiàn)海底資源開(kāi)發(fā)利用的關(guān)鍵設(shè)備之一，深海水下輸送硬管尺度都是千米級(jí)，實(shí)際作業(yè)工況復(fù)雜多變。

如何確定合理極端工況條件下確保深海水下輸送硬管最大范圍內(nèi)安全可行，是實(shí)現(xiàn)海底資源開(kāi)發(fā)利用亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于硬管尺度、實(shí)際工況多變的嚴(yán)苛要求，想通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證深海水下輸送硬管許可極限工況幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。如何解決硬管布放許可極限工況這一問(wèn)題，本試驗(yàn)就其固定端所受最大綜合應(yīng)力、最大彎矩、最大張力值等方面進(jìn)行探討，并借助于“十三五”國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)千米級(jí)海底采礦整體全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證硬管仿真計(jì)算的可靠性，以便進(jìn)一步認(rèn)識(shí)硬管和研究高效可靠硬管提供參考。

1 模型搭建

1.1 硬管模型

根據(jù)實(shí)際海試水下輸送系統(tǒng)作業(yè)及布放回收設(shè)施，搭建水動(dòng)力計(jì)算模型，如圖1所示，本試驗(yàn)研究對(duì)象為圖1硬管固定端，研究不同布放工況硬管固定端受力情況，以便確定實(shí)際許可極限布放工況，最大程度確保硬管布放成功。

圖1 海試系統(tǒng)示意圖

1.2 模型簡(jiǎn)化

集中質(zhì)量法具有速度快、效率高、收斂快等特點(diǎn)，能很好的模擬各種邊界條件對(duì)管線的影響，故采用該方法對(duì)硬管進(jìn)行分析，硬管用一組無(wú)質(zhì)量彈簧和集中質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行模擬。對(duì)于任意硬管單元j、k的軸向拉力及彎矩分別用拉伸 彈簧和彎矩彈簧模擬，假設(shè)硬管所受載荷為節(jié)點(diǎn)上的集中作用力，除端部外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)質(zhì)量為相鄰單元質(zhì)量的均值，端部節(jié)點(diǎn)質(zhì)量取為相鄰單元質(zhì)量的一半，如圖2所示。

圖2 集中質(zhì)量法單元示意圖

硬管動(dòng)態(tài)分析控制方程為式（1）：

式中：y為位移向量；K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；C為結(jié)構(gòu)阻尼矩陣；M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；F為系統(tǒng)受到的波浪和海流的載荷向量；W為系統(tǒng)受到的重力向量和浮力向量的和。

1.3 極端工況條件

布放工況硬管固定端固支抱死。硬管長(zhǎng)度按每布放18 m計(jì)算一次，直到布放完整個(gè)硬管系統(tǒng)。布放工況搭建的計(jì)算模型極端條件見(jiàn)表1。

表1 可能的極端布放條件參數(shù)表

2 硬管仿真計(jì)算

2.1 環(huán)境參數(shù)設(shè)定

采礦試驗(yàn)?zāi)复谠囼?yàn)海域進(jìn)行作業(yè)時(shí)，可能受到來(lái)自不同的浪向角和流向角下的環(huán)境載荷，因此有必要分析在不同浪向角下，硬管的載荷規(guī)律，以尋找最佳作業(yè)窗口指導(dǎo)實(shí)際海試試驗(yàn)。水動(dòng)力計(jì)算模型中，浪向角、海流方向定義如圖3所示：順浪0°、尾斜浪45°、橫90°、首斜浪135°、迎浪180°，4級(jí)海況，按照表1設(shè)定的條件分別計(jì)算得到每個(gè)工況硬管固定端最大彎矩、綜合應(yīng)力、張力的最大值并繪制曲線圖。

圖3 浪向角海流方向

2.2 仿真結(jié)果

不同浪向角、流向角條件下硬管最大彎矩、最大中和應(yīng)力和最大張力仿真計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 硬管最大彎矩

圖5 硬管最大綜合應(yīng)力

圖6 硬管最大張力

2.3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1.浪向角與船舶夾角越小，硬管固定端綜合應(yīng)力越小。

2.浪向角與船舶夾角越小，流向角對(duì)硬管固定端綜合應(yīng)力的變化影響越小。

3.當(dāng)浪向角45°、60°、135°、150°時(shí)，浪流同向時(shí)硬管固定端綜合應(yīng)力最大，浪流方向垂直時(shí)硬管固定端綜合應(yīng)力變小。

4.浪向角主要影響硬管彎矩大小，對(duì)硬管固定端張力影響較少。

3 仿真結(jié)果校核及海試驗(yàn)證

根據(jù)API規(guī)范，確定硬管強(qiáng)度校核準(zhǔn)則，作業(yè)工況下安全系數(shù)取≥1.5，布放工況下取安全系數(shù)≥1.25。通過(guò)仿真計(jì)算得到不同浪向角流向角下硬管載荷特性，提出了實(shí)際海上試驗(yàn)時(shí)作業(yè)及布放回收工況下應(yīng)該控制船舶浪向角在150°（船艏迎浪角30°）以?xún)?nèi)的布放方案。根據(jù)本試驗(yàn)仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了實(shí)際海試布放回收方案，海試布放試驗(yàn)如圖7所示，成功實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次千米級(jí)海底采礦整體全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)，也驗(yàn)證了本文仿真計(jì)算的可靠性。

圖7 硬管布放圖

4 結(jié) 論

通過(guò)仿真計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論為：

1.硬管布放過(guò)程中盡可能減小浪向角與船舶夾角，浪向角與船舶夾角越小越有利于改善硬管固定端受力。

2.浪向角45°、60°、135°、150°為敏感參數(shù)，浪、流同向時(shí)硬管固定端綜合應(yīng)力最大，浪流方向垂直時(shí)硬管固定端綜合應(yīng)力變小，硬管實(shí)際布放時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)以上參數(shù)的浪向角。

3.實(shí)際海上試驗(yàn)時(shí)作業(yè)及布放回收工況下應(yīng)該控制船舶浪向角在150°（船艏迎浪角30°）以?xún)?nèi)。

4.我國(guó)首次千米級(jí)深海采礦整體全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證仿真研究的正確性和可靠性，為后續(xù)研究工作提供了參考。