沈義俊 陳敏芳 杜燕連 , 李 萌 ,

*(海南大學(xué)南海海洋資源利用國家重點實驗室，?？?570228)

?(海南大學(xué)機電工程學(xué)院，?？?570228)

**(海南大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，?？?570228)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，資源危機是世界各國都面臨的嚴(yán)峻而現(xiàn)實的問題，深海稀有礦物資源（圖1）的開發(fā)利用已是眾多國家亟待解決的任務(wù)。而國際海底區(qū)域內(nèi)蘊藏著極為豐富的稀有金屬礦物資源（圖2），其中包括多金屬結(jié)核（polymetallic nodules）、多金屬硫化物（polymetallic sulphides）和富鈷結(jié)殼（cobaltrich crust）[1]，以及天然氣水合物和生物基因資源等具有商業(yè)開發(fā)前景的資源[2-3]。僅西太平洋多金屬結(jié)核礦區(qū)就擁有礦石10億噸，離我國距離近，豐度大，品位高，可保障我國未來百年關(guān)鍵金屬資源供給。深海多金屬結(jié)核又稱錳結(jié)核，富含錳、鐵、鎳、銅、鈷等多種金屬，是生產(chǎn)高品質(zhì)鋼鐵產(chǎn)品不可缺少的重要成份，更是全球大國間博弈的重要戰(zhàn)略物資，已被廣泛用于制造新型高能電池、超導(dǎo)體、高級激光系統(tǒng)及切削刀具等化學(xué)工業(yè)及高新科技生產(chǎn)領(lǐng)域。

圖1 深海稀有金屬礦物資源[4-5]Fig.1 Rare metal mineral resources in deep sea[4-5]

圖2 主要國際海底礦物分布[5]Fig.2 Distribution of major international seabed minerals[5]

基于我國國內(nèi)海域面積遼闊并已成功申請五塊國際海域礦區(qū)，且目前勘測結(jié)果表明西太平洋區(qū)域和南海海底蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，因此我國的深海礦產(chǎn)資源開發(fā)具有廣闊的前景。與陸地開采相比，深海礦產(chǎn)資源開發(fā)對于當(dāng)今世界綠色低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和轉(zhuǎn)型也具有極其重要的戰(zhàn)略意義，也能為全球經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展帶來新的機遇，因此，我國的相關(guān)企業(yè)近幾年對深海礦業(yè)的關(guān)注度和投資迅速增加。但海洋環(huán)境非常復(fù)雜惡劣，尤其是我國南海海域有著世界海洋中最強的內(nèi)波流，對深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)及海上結(jié)構(gòu)物構(gòu)成極大的危害[6]，導(dǎo)致在深海中作業(yè)有很大的不確定性，因此，深海采礦系統(tǒng)的核心在于開發(fā)建設(shè)成體系、安全性高的深海采礦作業(yè)裝備。

隨著富鈷結(jié)殼和多金屬硫化物等新海底資源的發(fā)現(xiàn)，越來越多國家重視深海礦產(chǎn)資源的開發(fā)，但在早期開采過程中，各國對海洋生態(tài)環(huán)境造成了不可逆的破壞，并產(chǎn)生了一系列相應(yīng)的問題。隨著開展深海礦物資源開發(fā)的國家逐漸增多，并且人們對海洋生態(tài)環(huán)境的重視程度不斷提升，國際上圍繞深海資源開發(fā)相關(guān)的一系列問題逐漸達(dá)成共識，并成立了相關(guān)國際性組織，制訂了一系列的規(guī)章制度，使得深海礦產(chǎn)資源的開發(fā)從無序到有序。

1994年聯(lián)合國在牙買加金斯敦正式設(shè)立了國際海底管理局（International Seabed Authority，ISA），以便更加有序地管理國際海底礦物資源開發(fā)，更加合理地管轄國際海底地區(qū)及其資源。國際相關(guān)組織規(guī)定世界各國必須向ISA申請海洋勘探權(quán)并且得到開采許可證后，才可以在公海上進(jìn)行勘探和開發(fā)。ISA遵循“誰有能力誰先開發(fā)”的原則，直到2010年，只向中國、法國等國家的機構(gòu)授予了8個深海采礦許可合同，但勘探目標(biāo)只有太平洋和印度洋里的多金屬結(jié)核，且海洋勘探合同到期后，勘探區(qū)域如果不進(jìn)行開發(fā)就必須放棄；在截至2020年的10年里，ISA已向政府資助的承包商授予了30份勘探合同，覆蓋太平洋、印度洋和大西洋，總面積超過150多萬平方公里，勘探目標(biāo)為多金屬結(jié)核、多金屬硫化物和富鈷結(jié)殼。由于礦產(chǎn)資源的巨大商業(yè)價值以及ISA許可證的局限性，迫使世界各國加快深海采礦設(shè)備和技術(shù)的發(fā)展。

1 深海礦物資源開發(fā)技術(shù)進(jìn)展及深海采礦系統(tǒng)概述

深海采礦的歷史可以追溯到1868年，當(dāng)時英國在海底發(fā)現(xiàn)了第一種海洋資源，即多金屬結(jié)核。直至1957年，人們才對深海多金屬結(jié)核的開采進(jìn)行了商業(yè)技術(shù)分析，對海底礦產(chǎn)資源的認(rèn)識才有了更加深入的了解[7]。自20世紀(jì)50年代末以來，發(fā)達(dá)國家逐漸占據(jù)了大量具有商業(yè)前景的富錳礦區(qū)海域，完善了海洋資源商業(yè)開采的技術(shù)儲備，進(jìn)行了單一、綜合的海上試驗，深海采礦技術(shù)和設(shè)備得到了顯著地發(fā)展。

20世紀(jì)50年代末，美國、德國、英國、日本以及前蘇聯(lián)等發(fā)達(dá)國家開始對深海海底礦物資源進(jìn)行勘探，并投入大量資金研發(fā)錳結(jié)核開采技術(shù)和設(shè)備[8]。20世紀(jì)70年代初，由于西方工業(yè)社會迅猛發(fā)展，技術(shù)發(fā)達(dá)國家對資源的需求日益膨脹，為了搶占海底資源，以多金屬結(jié)核為主要開采對象，進(jìn)行了大量的具有一定規(guī)模的深海礦產(chǎn)資源開采海上試驗。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，韓國、印度、中國也相繼加入到深海礦物資源開發(fā)的隊伍[9]，共同探索深海采礦系統(tǒng)方案和商業(yè)化開采方案。

1978年，美、比、意三國財團(tuán)組建海洋采礦協(xié)會（Ocean Mining Association，OMA）在太平洋C-C礦區(qū)（5 500 m水深）開展了針對多金屬結(jié)核的采礦試驗，試驗系統(tǒng)采用拖曳水力式集礦機和氣力提升方式，使用的采礦船“DeepseaMiner”號是由2萬噸級運礦船改裝而成[9]，此次深海采礦試驗在18 h內(nèi)共采集了550 t結(jié)核。

2007年，鸚鵡螺公司決定設(shè)計深海多金屬硫化物開采系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含水下采礦工具、提升系統(tǒng)和生產(chǎn)支持船三個部分，是目前深海采礦系統(tǒng)的通用模型。2011年，鸚鵡螺公司獲得了巴布亞新幾內(nèi)亞政府授予的世界上第一個深海采礦許可證（MLA154）[10]，根據(jù)初步評估，第一個項目基地（Solwara1）總價值為30億美元，面積約為15萬平方米，此次開采收獲了約15 t礦石，其試采方式是通過在海底履帶式采礦機上加裝的旋輪式切削刀盤、泵、旋流器以及儲料倉等方式，將多金屬硫化物切成合適的粒度（鑒于提升立管內(nèi)徑不小于20 cm，因此礦石需破碎至直徑5 cm左右），然后再被泵輸送到儲料倉中去，證明了這種開采方案和設(shè)備進(jìn)行多金屬硫化物采礦作業(yè)的技術(shù)可行性[11]。鸚鵡螺公司原計劃2019年在巴布亞新幾內(nèi)亞1 500 m水深的海底進(jìn)行硫化礦商業(yè)開采試驗，但后期因資金不足和環(huán)境影響評估不理想，計劃不得已被終止。

2009年，韓國利用采礦機器人在韓國東海附近100 m水深進(jìn)行了部分采礦系統(tǒng)的淺海試驗；2012年，又完成了在130 m水深進(jìn)行的包括集礦機的集礦破碎過程和集礦路徑的海試跟蹤試驗；2013年7月26日，由韓國研發(fā)的采礦機器人“Minero”在韓國1 370 m深度的海域成功采集錳結(jié)核模型，機器人長、寬、高分別為6 m，5 m，4 m，重28 t，配備了移動軌道、浮力系統(tǒng)、收集系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)，可以在不需要地面采礦船指令的情況下在海底搜索和收集錳結(jié)核，計劃到2023年實現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的商用化[8]。

我國在深海采礦領(lǐng)域內(nèi)與歐美國家相比起步較晚，“十五”期間，我國深海采礦技術(shù)研究以1 000 m海試為目標(biāo)，完成了“1 000 m海試總體設(shè)計”以及集礦、揚礦、水面支持、水聲、測控等各個子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計，并采用了虛擬樣機技術(shù)對1 000 m海試系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行了較為詳細(xì)的系統(tǒng)分析[12]；“十一五”期間完成了230 m水深的模擬結(jié)核礦井提升試驗，揚礦系統(tǒng)虛擬實驗研究等工作，為深海采礦系統(tǒng)的研制提供了技術(shù)儲備；“十二五”期間，科技部以“863”重點課題對“深海多金屬結(jié)核和富鈷結(jié)殼采掘與輸運關(guān)鍵技術(shù)及裝備”進(jìn)行立項支持，涉及到富鈷結(jié)殼采集機構(gòu)、多金屬結(jié)核集礦機行走機構(gòu)、深海礦物輸送泵的一些關(guān)鍵技術(shù)研究以及揚礦泵管道系統(tǒng)海試；“十三五”期間，我國進(jìn)一步加快深海礦物資源開發(fā)技術(shù)及裝備的發(fā)展，2016～2018年，長沙礦冶研究院對履帶自行式采礦裝備系統(tǒng)進(jìn)行研究，分別在西太平洋和南海礦區(qū)完成了海底稀有金屬采集試驗；2019～2020年，中科院三亞所在南海礦區(qū)完成履帶自行式富鈷結(jié)殼采礦裝備的海底稀有金屬采集試驗；2021年7月，上海交通大學(xué)研制的“開拓一號”深海采礦車在南海礦區(qū)成功完成重載裝備海上布放回收、海底路徑規(guī)劃與自主行走、海底礦石采集與沉積物取樣等試驗；同年8月，大連理工大學(xué)在南海礦區(qū)完成了500 m水深的輸運管道混輸試驗。

經(jīng)過近些年我國科研機構(gòu)在深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)領(lǐng)域的不斷探索，目前我國的深海采礦技術(shù)能力已經(jīng)取得一定突破，但相對于國外先進(jìn)技術(shù)而言仍然存在巨大的差距。目前，我國海底采礦試驗研究大多以如圖3所示的傳統(tǒng)采礦系統(tǒng)作為模型，且主要局限于部分子系統(tǒng)的研究，對整體系統(tǒng)的研究尚未大規(guī)模開展。因此，我國亟需開展以商業(yè)化開采深海礦產(chǎn)資源為目的的整體系統(tǒng)方案及關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研究，為我國深海采礦提供技術(shù)儲備。

圖3 傳統(tǒng)的深海采礦系統(tǒng)[17]Fig.3 Traditional deep-sea mining system[17]

經(jīng)過國內(nèi)外專業(yè)科研人員幾十年的研究，深海采礦系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的技術(shù)都得到完善；在采集技術(shù)上，開發(fā)了水力式、機械式和復(fù)合式采集頭；在行走技術(shù)方面有拖曳式和自行式，其中自行式的主要驅(qū)動方式有阿基米德螺旋式、履帶式等[13]；在提升方面有水力式提升、氣力式提升等；在深海采礦整體系統(tǒng)類型方面，通過試驗進(jìn)而開發(fā)了以下四種典型的深海采礦系統(tǒng)：拖斗式采礦系統(tǒng)、連續(xù)鏈斗式采礦系統(tǒng)[14]、穿梭艇式采礦系統(tǒng)[15]和管道提升式采礦系統(tǒng)[16]。

1.1 拖斗式采礦系統(tǒng)

拖斗式采礦系統(tǒng)最初由美國加州大學(xué)的Mero教授于1960年提出，由海洋管理研究所設(shè)計。拖斗式采礦系統(tǒng)有單斗式采礦系統(tǒng)和雙斗式采礦系統(tǒng)兩種，該系統(tǒng)由水面工作母船、鏟斗和連接鏟斗與船的拖纜組成，如圖4所示。雖然單斗式采礦系統(tǒng)簡單，成本低，但一件鏟斗采礦效率極低。考慮到單斗式采礦系統(tǒng)的局限性，雙斗式采礦系統(tǒng)繼而被提出，雙斗采礦系統(tǒng)采用兩件鏟斗，一個接一個上下移動，采用“Z”型航行路線，有效避免了拖曳過程中兩輛鏟斗相互纏繞，采礦效率可達(dá)到單斗采礦系統(tǒng)的兩倍。但海上試驗表明，該采礦系統(tǒng)無法跟蹤預(yù)定的采礦路徑、可操作性差、不能連續(xù)開采、效率低、難以實現(xiàn)商業(yè)價值。

圖4 拖斗式采礦系統(tǒng)Fig.4 Bucket mining system

1.2 連續(xù)鏈斗式采礦系統(tǒng)

為了實現(xiàn)連續(xù)開采，日本提出了連續(xù)鏈斗式采礦系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了與拖斗式采礦系統(tǒng)相似的原理，系統(tǒng)主要包括水面工作母船、鏟斗、纜繩和繩索驅(qū)動裝置等子系統(tǒng)。圖5為單船連續(xù)鏈斗式采礦系統(tǒng)，此系統(tǒng)無限循環(huán)的流動形式實現(xiàn)了海底礦產(chǎn)資源的連續(xù)采集。但在單船連續(xù)鏈斗式采礦系統(tǒng)中，存在電纜纏繞的現(xiàn)象，后來學(xué)者們對這種系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提出來雙船鏈斗式采礦系統(tǒng)，基本解決了單船系統(tǒng)中電纜纏繞的問題。

圖5 連續(xù)鏈斗采礦系統(tǒng)Fig.5 Continuous line bucket mining system

雖然連續(xù)鏈斗式采礦系統(tǒng)方法簡單，采集連續(xù)性高，但鏟斗在海底的運動軌跡和采集情況沒有得到有效地控制，活動范圍有限，采集覆蓋率低，容易發(fā)生重復(fù)開采，開采過程中礦砂易發(fā)生泄漏、沉積物擴(kuò)散，使采礦效率低下，并對海洋生態(tài)環(huán)境造成破壞。這種方法在20世紀(jì)70年代末被放棄。

1.3 穿梭艇式采礦系統(tǒng)

為了提高采礦系統(tǒng)的靈活性和機動性，法國在20世紀(jì)70年代初期提出了穿梭艇式采礦系統(tǒng)，該系統(tǒng)有飛艇式潛水遙控系統(tǒng)和穿梭艇式潛水遙控車系統(tǒng)兩種。飛艇式的儲礦倉安裝在船體的底部，兩個浮力罐安裝在船體的兩側(cè)。船潛入海底后，從控制室窗口可直接觀察到海底采礦作業(yè)，當(dāng)儲礦倉被填滿礦物后，在壓力作用下的船體兩側(cè)浮力罐會膨脹產(chǎn)生浮力，繼而采礦艇借助浮力和自身動力逐漸浮出水面，完成礦物原料的開采作業(yè)。圖6所示的是穿梭艇式潛水遙控車系統(tǒng)，它主要由礦物收集系統(tǒng)、壓載系統(tǒng)、自行推進(jìn)和浮力控制系統(tǒng)組成，其工作過程首先是根據(jù)水面工作母船的指示穿梭艇攜帶足夠的壓艙物潛入海底，再而將采礦車采集到的礦物轉(zhuǎn)移到儲存?zhèn)}中，當(dāng)儲存?zhèn)}裝滿礦物質(zhì)后，釋放穿梭艇內(nèi)的壓載物，最后在推進(jìn)器的作用下，浮至海面，在水面工作母船的卸礦平臺上卸載礦物。該系統(tǒng)的優(yōu)點是機動性強，靈活性好。

圖6 穿梭艇式潛水遙控車系統(tǒng)Fig.6 Shuttle submersible remote vehicle system

目前的科學(xué)技術(shù)水平和設(shè)備很難支撐穿梭艇長時間運作，系統(tǒng)的電力方面也有較大的缺陷。雖然現(xiàn)在的技術(shù)無法解決動力、續(xù)航等問題，但相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們在深海采礦領(lǐng)域的不斷探索，這些問題將在未來得到解決。

1.4 管道提升式采礦系統(tǒng)

近年來，如圖7所示的管道提升式采礦系統(tǒng)被認(rèn)為是工業(yè)實踐中最有影響力的系統(tǒng)[18]。該系統(tǒng)主要包括水面工作母船、管道運輸系統(tǒng)、深海采礦車三個部分。在作業(yè)時，深海采礦車主要負(fù)責(zé)在深海海底行駛并收集礦物，通過提升裝置將收集到的礦物沉積物運輸?shù)剿婺复希詈蟠系母鞣N設(shè)施對礦物進(jìn)行分類和處理[19]。

圖7 管道提升式深海采礦輸運系統(tǒng)[21]Fig.7 Pipeline lifting deep-sea mining transportation system[21]

管道提升式采礦系統(tǒng)可根據(jù)提升方式，分為泵升式采礦系統(tǒng)、水升式采礦系統(tǒng)、氣升式采礦系統(tǒng)和輕介質(zhì)采礦系統(tǒng)[20]。水力提升系統(tǒng)的主要原理是通過高壓水泵提供動力，將從深海海底采集到的礦物原料顆粒和海水一起提升到海面工作母船內(nèi)；氣力提升系統(tǒng)的原理則是通過水面工作母船上的高壓氣泵，將高壓氣流輸入到深海采礦立管內(nèi)部形成高速向上的多相流混合流體，并將礦漿提升到采礦船內(nèi)。

氣力式提升和水力式提升的技術(shù)可行性已在多次海上試驗中被證實?？祴I娟等[19]對各自的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析和比較，理論上，無論是水力式提升系統(tǒng)還是氣力式提升系統(tǒng)，都涉及到較為復(fù)雜的多相流上升問題。特別地，氣力提升系統(tǒng)涉及到注入氣泡、礦物顆粒以及海水構(gòu)成的氣固液三相流問題，其管內(nèi)顆粒濃度和氣體通量率的控制以及系統(tǒng)能耗等方面有待加強。在結(jié)構(gòu)方面，與水力式提升系統(tǒng)相比，氣力式提升系統(tǒng)除管道和浮標(biāo)外沒有其他活動部件，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、維護(hù)方便；然而，為了滿足系統(tǒng)的承載能力，氣力式提升系統(tǒng)的提升管內(nèi)徑較大，導(dǎo)致存放、分配和回收的難度增大，整個采礦系統(tǒng)的運行成本也隨之增加；在能效方面，與水力式提升系統(tǒng)相比，氣力式提升系統(tǒng)輸送濃度低，廢水回用量大，直接導(dǎo)致其能效低；提升能力方面，水力式提升系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)輸送濃度、系統(tǒng)流量等參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)能力的大幅度提高。

1.4.1 剛性管采礦系統(tǒng)

目前世界上先進(jìn)的深海采礦輸運系統(tǒng)開發(fā)主要借鑒深海石油工程的油氣立管輸運技術(shù)，立管通常以剛性立管為主。剛性管采礦系統(tǒng)由水面工作母船、數(shù)千米長的剛性管道、幾百米長的柔性管、中繼倉、多個揚礦泵和收集單元組成。如圖7(a)所示，剛性管上安裝多臺輸送泵，軟管上布置一定數(shù)量的浮力材料改變結(jié)構(gòu)形狀，以維持收集作業(yè)過程中采礦系統(tǒng)的正常運行。

剛性管采礦系統(tǒng)的運行機理是采礦車在海底采集礦物，礦物在車內(nèi)完成清洗、脫泥、破碎等工序后，通過柔性管被輸送到剛性管道末端的中繼倉，繼而通過剛性管將其從中繼倉傳送到水面工作母船上。然而，該系統(tǒng)的規(guī)模巨大，剛性管道直徑大、長度長使其運輸鋪設(shè)和回收非常困難，由于海洋環(huán)境對金屬腐蝕性很強，金屬管線腐蝕問題日益突出，包括嚴(yán)重降低了鋼管強度和壽命，嚴(yán)重影響采礦船存儲、安裝布放、在位應(yīng)用、回收等多個環(huán)節(jié)的安全可靠性，導(dǎo)致了好幾次事故的發(fā)生，造成了巨大人員、財產(chǎn)損失，嚴(yán)重制約了我國深海礦物資源的開發(fā)。

1.4.2 柔性管采礦系統(tǒng)

發(fā)達(dá)國家早已運用深海柔性立管技術(shù)來應(yīng)對傳統(tǒng)剛性立管在深海油氣開發(fā)過程中所帶來的工程難題和技術(shù)挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)剛性管采礦系統(tǒng)不同的是柔性管采礦系統(tǒng)的工作過程得到較大的簡化，采集到的礦物在采礦車進(jìn)行一系列加工后，礦物混合流通過一整條軟管直接被輸送到水面母船。如圖7(b)所示，軟管上設(shè)置一定數(shù)量的浮力筒，防止軟管在收集作業(yè)時拖地，且能夠一定程度緩沖水面工作母船和海底采礦車運動時對柔性立管造成的力學(xué)影響，保證整個采礦系統(tǒng)的正常運行。除輸送礦物混合流外，海底采礦車采集作業(yè)所需的能量和控制信號也通過輸送軟管從水面工作船傳輸?shù)胶５撞傻V車。深海柔性管采礦系統(tǒng)與剛性管道采礦系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點。

（1）簡單。柔性管采礦系統(tǒng)不需要在管間配備升降泵、中繼倉等設(shè)備。收集到的礦物通過軟管直接運輸?shù)剿婀ぷ髂复?，大大降低了整個采礦系統(tǒng)的重量、振動和過程，使采礦車的運動更加方便、簡單、穩(wěn)定。

（2）靈活。在運輸管道時，軟管可以變換形態(tài)，大大節(jié)省了運輸船只的空間；輸送軟管在作業(yè)時，海底采礦車可以大范圍地拉動輸送軟管在海底采礦。在采礦車牽引軟管時，柔性管能夠跟隨采礦車的運動，有效避免剛性管道開采系統(tǒng)中水面工作母船難以跟隨采礦車運動的缺陷。

（3）安全。在作業(yè)過程中，當(dāng)系統(tǒng)因突發(fā)事件而不能正常工作時，可將采礦船與軟管斷開，防止礦物資源采集系統(tǒng)（采礦車）及人員發(fā)生海上事故。軟管上端的浮標(biāo)使輸送軟管漂浮在海面上，采礦車本身的重量可以使水下系統(tǒng)停在海底。當(dāng)海洋環(huán)境好轉(zhuǎn)時，再將軟管上端連接到水面工作母船上，繼而恢復(fù)深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)。

與剛性管道開采系統(tǒng)相比，柔性管開采系統(tǒng)具有巨大的商業(yè)應(yīng)用潛力，但對輸送設(shè)備要求較高，將礦物從幾千米深的海底提升到海面，需要考慮海洋環(huán)境下的高壓、洋流、腐蝕、渦激振動、復(fù)雜的海面條件以及管體的結(jié)構(gòu)設(shè)計等問題。因此如何研制出性能優(yōu)良、安全穩(wěn)定的深海柔性管是整個深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1954年，第一條柔性管就已經(jīng)被成功生產(chǎn)出來，因其優(yōu)異的力學(xué)性能和應(yīng)用前景，受到各國研究院所的關(guān)注和研究，并在1990年底達(dá)到了1 000 m水深的使用深度，21世紀(jì)初期達(dá)到1 500 m水深的使用深度。當(dāng)前，各國公司和研究院所紛紛爭先恐后地研發(fā)3 000 m及以上水深級別的超深海柔性立管。目前，國際海洋柔性立管市場基本由TechnipFMC（原法國的Technip）、Baker Hughes（原英國的GE Wellstream）、NOV（原丹麥的NKT）這三家國外油氣巨頭公司壟斷。在我國，油氣開采以前主要還是集中在陸地及近海區(qū)域，通常都還是采用的傳統(tǒng)鋼管。同時，國外海洋柔性管生產(chǎn)商對我國一直有產(chǎn)品技術(shù)封鎖，因此，我國對海洋柔性管尤其是深海柔性立管的研究與國外相比還存在著較大差距，有關(guān)海洋柔性管的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)計理論研究以及工業(yè)實際生產(chǎn)應(yīng)用都未能形成一個較為完整的系統(tǒng)。盡管在我國已有海王星和恒安泰等少數(shù)幾家企業(yè)開始生產(chǎn)柔性海管，但并沒有真正消化和掌握海洋柔性立管的設(shè)計理論和核心技術(shù)，還不能設(shè)計深海耐高溫高壓柔性立管。直到目前，我國深海柔性立管設(shè)計、生產(chǎn)及應(yīng)用仍然是百分之百依賴進(jìn)口，價格昂貴且供貨周期較長，嚴(yán)重制約我國深海資源開發(fā)進(jìn)程。

柔性管按層間粘結(jié)形式可分為粘結(jié)（bonded）和無粘結(jié)（unbonded）兩種。無論是粘結(jié)軟管還是非粘結(jié)軟管都是由不同幾何形狀和不同材料特性的不同功能層來鋪設(shè)組合成一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)管。圖8是典型的深海柔性立管整體及其剖面結(jié)構(gòu)示意圖[22]，深海柔性立管的每一結(jié)構(gòu)層都設(shè)計成特殊的結(jié)構(gòu)形式用來承擔(dān)不同的功能和任務(wù)。從里向外，分別是骨架層（carcass）、內(nèi)護(hù)套層（inner sheath）、抗壓鎧裝層（pressure armor）、防磨層（anti-wear layer）、抗拉鎧裝層（tensile armor）、防屈曲層（anti-buckling layer）、外護(hù)套層（outer sheath）。骨架層作為最里面一層，呈現(xiàn)出一種互鎖結(jié)構(gòu)，由S型截面的不銹鋼鋼帶螺旋纏繞構(gòu)成。其主要功能是防止管道外面的靜水壓作用而產(chǎn)生壓潰失效，以及管道環(huán)形腔中積聚的高壓氣體因緊急情況快速泄流卸載時導(dǎo)致的壓潰失效。內(nèi)護(hù)套層則是由高分子聚合物材料注塑擠壓制成的空心圓管，主要是起到密封和傳遞內(nèi)外壓力的作用?？箟烘z裝層一般為近90°螺旋纏繞角的互鎖結(jié)構(gòu)，其主要功能是承擔(dān)內(nèi)外徑向壓力。防磨層是由聚合物制成的增強纖維條帶呈螺旋狀纏繞而成，用來防止各金屬層間的接觸與摩擦，從而避免金屬層的磨損。抗拉鎧裝層是由多根矩形截面鋼帶以20°～55°的角度螺旋纏繞而形成的，主要用于增強軸向抗拉強度，同時承擔(dān)來自外部的扭轉(zhuǎn)載荷及彎曲載荷，一般都是成對布置，主要作用是平衡抗拉鎧裝層在受到軸向載荷時產(chǎn)生的軸向扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，相鄰兩層間鋼帶纏繞角度相反。在最外層抗拉鎧裝層的外側(cè)則是由高模量芳綸或類似的合成纖維增強條帶纏繞形成的防屈曲層，其主要功能是防止抗拉鎧裝層的退卷行為而產(chǎn)生的屈曲失效（包括鳥籠效應(yīng)、側(cè)向屈曲）。在深海柔性管的最外層是外護(hù)套層，它是深海柔性管和外部海洋環(huán)境的邊界層，主要用于阻止海水滲透，以便保護(hù)深海柔性管的環(huán)形腔內(nèi)部的金屬層免受腐蝕的影響。

圖8 典型深海柔性立管整體及剖面結(jié)構(gòu)示意圖[22]Fig.8 Schematic diagram of whole and section structure of typical deep sea flexible riser [22]

柔性管的最大特點是具有良好的“柔性”，軟管的多層結(jié)構(gòu)能在保證足夠的軸向強度和抗壓強度的同時，還能承受較大的彎曲變形和劇烈的浮體運動，在極端海況條件下仍能夠與水面平臺配合工作。因此，柔性立管已成為一些海洋環(huán)境極其惡劣地區(qū)的最佳或唯一選擇。

2 深海資源開發(fā)系統(tǒng)關(guān)鍵力學(xué)問題

雖然深海礦產(chǎn)儲量巨大，品位高，但海底具有地形崎嶇、缺乏光線、壓力極高、流場復(fù)雜、海水腐蝕性強、電磁信號傳播衰減等諸多惡劣的環(huán)境條件，與陸地表面差異較大，加之復(fù)雜的海況條件，這都使得深海礦產(chǎn)資源開發(fā)變得困難。因此有必要針對深海采礦系統(tǒng)的海上超大尺度結(jié)構(gòu)物、復(fù)雜的系統(tǒng)組成、惡劣的環(huán)境載荷以及內(nèi)外流耦合作用的復(fù)雜作業(yè)工況條件理清深海資源開發(fā)系統(tǒng)所面臨的關(guān)鍵力學(xué)問題。

2.1 水面工作母船的運動特性研究

深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)的水面母船就像海洋工程中的鉆井船或鉆井平臺一樣，是海洋資源開發(fā)的平臺基礎(chǔ)設(shè)施，在工作環(huán)境條件下受到風(fēng)、浪、流等復(fù)雜而嚴(yán)酷的環(huán)境負(fù)荷作升沉運動，嚴(yán)重影響采礦作業(yè)安全，考慮到深海礦物開采對水面工作母船的穩(wěn)定性要求，有必要分析其在海洋環(huán)境下的動力特性，包括母船的升沉運動、立管結(jié)構(gòu)等流固耦合性能等[23]。

當(dāng)水面工作母船受風(fēng)、浪、流、以及水下立管和海底采集系統(tǒng)的耦合作用而產(chǎn)生運動響應(yīng)時，這種運動響應(yīng)會反過來影響深海采礦系統(tǒng)的水下設(shè)備，使其無法正常運行。需要精確的動力定位系統(tǒng)補償由二階波浪力引起的多自由度漂移運動[24]，同時需要在垂蕩方向增設(shè)升沉補償裝置所需的流動結(jié)構(gòu)和負(fù)載補償?shù)纳吝\動浮動結(jié)構(gòu)，及時補償垂蕩方向的運動，從而減少動態(tài)負(fù)載，減少電纜和管道的張力變化，以便在惡劣多變的海上條件下保持相對靜態(tài)，提高安全、離岸操作的準(zhǔn)確性和效率。目前為止，已開發(fā)出多種類型的升沉補償系統(tǒng)，包括被動升沉補償系統(tǒng)、主動升沉補償系統(tǒng)、主動與被動聯(lián)合升沉補償系統(tǒng)[24]。

展勇等[25]通過對半主動升沉補償系統(tǒng)進(jìn)行非線性建模與仿真，得出提高半主動升沉補償系統(tǒng)補償效率的方法。袁建新[26]通過對液壓驅(qū)動的主動升沉補償模型的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，得出采用并聯(lián)控制器可以降低海水波形對船舶運動的影響，提高船舶在海面行駛的穩(wěn)定性和安全性。肖林京等[27]對階梯型揚礦管的動力學(xué)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在有被動補償裝置的情況下，能有效地減小揚礦管頂端的激勵位移，且能有效改善揚礦管頂端軸向力的震蕩現(xiàn)象。

深海采礦系統(tǒng)的水面工作母船由于結(jié)構(gòu)高度增加、結(jié)構(gòu)的總體尺寸及總體質(zhì)量增大、自振周期變長，結(jié)構(gòu)受到風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境載荷的作用明顯增強。因此，對水面工作母船在風(fēng)浪流海洋環(huán)境載荷作用下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計將對于保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與作業(yè)安全至關(guān)重要。水面工作母船力學(xué)特性可以通過針對深海資源商業(yè)開采系統(tǒng)，進(jìn)行多種不利海況條件下、不同模塊組合情境下大尺度水面分系統(tǒng)水動力過程模擬仿真，研究水面工作母船在工作時，不同海流流速、流向和立管擺動位置等參數(shù)對其的應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)，厘清水面分系統(tǒng)運動過程中各影響參數(shù)的主次關(guān)系，給出優(yōu)化條件和參數(shù)。同時，進(jìn)行水面分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度和疲勞強度力學(xué)計算，給出優(yōu)化條件和參數(shù)，確定安全閾值，為提出水面分系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則奠定力學(xué)基礎(chǔ)。

2.2 海底礦物資源采集系統(tǒng)（采礦車）

海底礦物資源采集系統(tǒng)是深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)中一個關(guān)鍵的子系統(tǒng)，深海采礦車主要包括集礦機構(gòu)和行走機構(gòu)，具有行走、提取和收集礦物資源的功能。集礦機構(gòu)主要用于收集海底礦物，行走機構(gòu)主要是作為承載平臺，承載集礦機構(gòu)、破碎裝置、液壓和電氣控制系統(tǒng)等單元，并實現(xiàn)行走功能。由于深海環(huán)境復(fù)雜，深海采礦車行走機構(gòu)必須具有牽引力大、承載能力強、對海床擾動小、攜帶泥沙少、能耗低、采礦效率高的特點，且具有自動避障、防沉降、按一定規(guī)劃路徑在預(yù)定作業(yè)區(qū)域平穩(wěn)行駛的能力。

深海采礦車需要在多變的海洋環(huán)境和復(fù)雜的深海地形、地質(zhì)條件下運行，因此，針對深海采礦車動力學(xué)特性的研究需要包括深海沉積物特性的牽引分析、海底地形對采礦車通過性的影響分析以及采礦車的運動控制研究等。同時，由于深海采礦車與柔性運輸軟管相連接，當(dāng)采礦車工作時，柔性運輸軟管在復(fù)雜的海洋環(huán)境載荷和深海采礦車運動引起的載荷共同作用下，會產(chǎn)生空間形態(tài)變化，這一變化又會使得軟管對采礦車的作用力發(fā)生改變，從而影響采礦車的受力狀態(tài)，有時這一作用力會降低采礦車的穩(wěn)定性和機動性，影響整個采礦系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及輸送效率。蘇強等[28]基于車輛地面力學(xué)理論，建立了深海底質(zhì)力學(xué)模型及采礦車多體動力學(xué)模型，開展了采礦車在海底軟底質(zhì)下多種行走工況仿真，完成了采礦車轉(zhuǎn)彎、越障越溝能力的研究，為海底采礦車和軟底質(zhì)的相互作用力學(xué)提供借鑒。彭建平等[29]研究發(fā)現(xiàn)管纜的側(cè)向拉力對采礦車的行駛軌跡和行駛速度有明顯影響。劉金輝等[30]對海底采礦車斜坡越障通過性分析與仿真研究，獲得了海底采礦車的動力學(xué)特性曲線，為海底采礦車的研制及測試提供了技術(shù)支持。Dai等[31]對直線運動、轉(zhuǎn)向運動和下坡運動下的采礦車力學(xué)特性進(jìn)行研究，得出采礦車行駛時阻力的變化特性，為礦用車結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制系統(tǒng)開發(fā)提供重要參考。

針對海底礦物資源采集系統(tǒng)力學(xué)特性的研究，需要結(jié)合采礦車行走的動力學(xué)特性，以及不同作業(yè)模式下采礦車與輸運管道間的動力學(xué)特性，基于此總結(jié)出海底礦物資源采集系統(tǒng)力學(xué)性能與形態(tài)優(yōu)化條件，確定安全閾值，為提出海底礦物資源采集系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則奠定力學(xué)基礎(chǔ)。

2.3 礦物輸運管道及深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)整體特性研究

礦物輸運管道在工作過程中承受各種復(fù)雜的載荷作用，包括重力、浮力、海水阻力、海水壓力、海流作用力以及內(nèi)流的作用力等，其力學(xué)特性的變化會影響深海采礦車的受力狀態(tài)，從而影響深海采礦車的穩(wěn)定性和機動性，因此礦物輸運管道的力學(xué)特性研究在整個深海資源開發(fā)系統(tǒng)的力學(xué)特性研究中非常重要。

在剛性管采礦系統(tǒng)中，輸送管道主要包括柔性管和剛性立管，其中柔性管用于連接中繼倉和深海采礦車，剛性立管用于連接中繼倉和水面工作母船；在柔性管采礦系統(tǒng)中，采礦車與水面工作母船通過柔性管直接連接，即把傳統(tǒng)的連接水面工作母船和中繼倉的柔性立管與連接中繼倉和海底采礦車的柔性管視為一體。相比之下，剛性管采礦系統(tǒng)的規(guī)模巨大，管道和采礦車的鋪設(shè)和回收非常困難，由于剛性管的長度過長，在采礦作業(yè)過程中，系統(tǒng)會受到水流、波浪等外力的影響，產(chǎn)生較大偏差；柔性管過短，會影響采礦車的作業(yè)范圍，難以通過水面工作母船的運動來遠(yuǎn)程控制海底采礦車的運動。因此，本節(jié)將針對柔性管采礦系統(tǒng)工作時的軟管及系統(tǒng)整體力學(xué)特性做進(jìn)一步總結(jié)。

在復(fù)雜海洋環(huán)境下，柔性管會受到海流、波浪等交變載荷的作用，同時上部連接平臺的升沉、橫搖及橫蕩等運動也會加重柔性管晃蕩[32]，最大等效應(yīng)力和最大位移隨上部連接平臺運動位移幅值的增加而增加[33]。在外部交變軸向拉力、彎矩及扭矩作用下，柔性管極易發(fā)生疲勞損傷并最終導(dǎo)致管道在位運行中產(chǎn)生疲勞斷裂失效。鑒于真實海洋環(huán)境中采礦輸運管道狀態(tài)難以操控，為了保證柔性管道的安全穩(wěn)定作業(yè)，確保柔性管道在設(shè)計使用壽命內(nèi)安全穩(wěn)定服役，有必要對柔性管道的關(guān)鍵力學(xué)問題及其典型失效機理進(jìn)行仔細(xì)研究，開展深海柔性管的空間構(gòu)型設(shè)計研究、系統(tǒng)動力特性研究以及疲勞分析對保證深海柔性管在全壽命周期內(nèi)的安全作業(yè)、風(fēng)險防控與疲勞壽命評估[34]，為構(gòu)建深海采礦全柔性管道輸運系統(tǒng)打下堅實的理論基礎(chǔ)。

2.3.1 深海采礦輸運系統(tǒng)柔性立管空間構(gòu)型及其動力學(xué)研究

對于柔性管而言，其在海水中進(jìn)行安全輸送必須維持自身的空間構(gòu)型平衡。柔性管的空間構(gòu)型是指柔性管在海水中進(jìn)行安全輸送所需的維持平衡的空間形態(tài)。由于其柔軟性，可以通過布放浮力材料使其呈柔性拱形懸浮在海水中，保證軟管維持較好的空間形態(tài)，對于礦物輸運管道穩(wěn)定運行有非常重要的意義[35]。影響軟管空間形態(tài)的主要設(shè)計參數(shù)有軟管長度、內(nèi)徑、外徑、密度、浮力配置大小及位置等。若軟管浮力配置不合理，則軟管無法完全懸浮于海水中，將影響其安全性、輸送效率和采礦車的正常運行。若浮力配置不足，軟管將觸及海底，二者之間的摩擦力可能導(dǎo)致采礦車無法正常行駛作業(yè)，甚至導(dǎo)致軟管破損；若浮力配置過高，將降低采礦車接地比壓和運動性能，甚至導(dǎo)致軟管堵塞或斷裂[36]。為了有效地提高輸送立管的輸送效率與安全，保證采礦車能夠安全、平穩(wěn)地作業(yè)，維持較好的軟管空間形態(tài)是不可或缺的重要因素。Chen等[37]研究了立管軸向拉力、應(yīng)力和曲率分布，以及浮力位置、浮力比和采礦車輛的運動對立管空間構(gòu)型和力學(xué)響應(yīng)的影響，結(jié)果表明，浮力位置和浮力比對立管的空間構(gòu)型和張力有顯著影響。Oh等[38]通過研究得出浮力材料的浮力大小和立管連接件的重量是影響立管動力性能的有效參數(shù)。

2.3.2 柔性立管輸運系統(tǒng)流固耦合動力特性研究

礦物輸運管道在工作過程中，需要承受外部各種復(fù)雜的載荷作用的同時，也會受到內(nèi)部礦漿流動對管道產(chǎn)生的作用力[39]。管道在內(nèi)外載荷共同作用下結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形，其結(jié)構(gòu)變形進(jìn)一步會影響流體運動軌跡，促使流固耦合效應(yīng)產(chǎn)生，導(dǎo)致管道容易產(chǎn)生更大的應(yīng)力、應(yīng)變，造成結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，影響整個深海采礦系統(tǒng)的正常運行。當(dāng)處于流固耦合效應(yīng)下的管道受到的外部激勵頻率與結(jié)構(gòu)本身的固有頻率相接近時，由管道內(nèi)外流體與結(jié)構(gòu)組成的流固耦合系統(tǒng)就會發(fā)生耦合共振。耦合共振在短時間內(nèi)不會對管道造成嚴(yán)重的破壞，但長時間承受耦合共振會使管道發(fā)生疲勞破壞，影響到采礦系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和疲勞壽命。因此，在研究深海資源開采系統(tǒng)的礦物輸運管道時，可以通過開展揚礦系統(tǒng)含粗顆粒固液內(nèi)流對系統(tǒng)力學(xué)特性影響研究，包括礦石在柔性管中固液兩相流體輸送動力學(xué)模擬仿真、揚礦泵內(nèi)部流場模擬仿真以及流態(tài)智能調(diào)控方法，采用限元數(shù)值模擬仿真技術(shù)，研究管內(nèi)多相流與管外流場分別與管道的耦合特性，對深海長距離輸送管道進(jìn)行振動特性分析和動力學(xué)行為分析，研究不同輸送速度、輸送濃度和顆粒粒級分布等對管內(nèi)流穩(wěn)定輸送時輸送管道的動態(tài)響應(yīng)特征。鮑健等[40]基于計算流體力學(xué)方法，開展內(nèi)外流對細(xì)長輸流彈性管振動特性影響的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與外流流速相比，內(nèi)流流速的增加雖然難以改變彈性管的主振模態(tài)，但對沿管體的振動強度影響顯著。顧繼俊等[41]針對海洋油氣開采中緩波形立管與其內(nèi)部輸送的流體耦合問題，建立了局部緩波形立管系統(tǒng)模型，得出入口氣相體積分?jǐn)?shù)影響立管振動強度，為緩波形立管的振動和疲勞特性評估提供參考。謝大帥等[42]運用ANSYS軟件對氣液兩相流海洋立管進(jìn)行了流固耦合振動分析，得出立管形變及應(yīng)力最大位置，提出了立管減振措施。

2.3.3 柔性立管渦激振動動力特性研究

在立管工作時，一定流速的海流會引起立管兩側(cè)產(chǎn)生交替的漩渦脫落，立管在漩渦脫落作用下產(chǎn)生周期性的渦激振動。渦激振動會導(dǎo)致立管疲勞損傷，當(dāng)渦激頻率接近立管固有頻率時會發(fā)生“鎖定”現(xiàn)象，此時立管振動將會控制漩渦脫落并會伴隨有更強烈的振動和更大的振幅，這將會進(jìn)一步加劇深海立管的疲勞損傷。因此，在研究立管動力學(xué)特性時，需要考慮其在外部環(huán)境載荷作用下產(chǎn)生的渦激振動的響應(yīng)機理，同時考慮內(nèi)流對立管水動力響應(yīng)的影響，分析內(nèi)流速度、密度及立管頂部張力對立管渦激振動模態(tài)、頻率、位移及疲勞問題的影響機理，建立非線性立管渦激振動模型。Wang等[43]對渦激振動與嚴(yán)重段塞流耦合作用下柔性立管的動態(tài)特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)存在嚴(yán)重段塞流的立管的渦激振動特性與沒有內(nèi)部流動的立管的渦激振動特性有很大的不同，此外，嚴(yán)重的段塞流可能會引發(fā)立管的新模態(tài)響應(yīng)，以及導(dǎo)致立管在順向流和橫向流方向出現(xiàn)多頻振動現(xiàn)象。Gao等[44]通過實驗，研究了在均勻和線性剪切流中使用螺旋條對柔性立管渦激振動的抑制作用，得出減小立管疲勞損傷效果最佳的螺旋條螺距和寬度。周岳等[45]通過對緩波型柔性立管渦激響應(yīng)數(shù)值模擬，得出浮力塊的增加可以減小柔性立管的渦激響應(yīng)。韓翔希等[46]對粗糙立管渦激振動響應(yīng)特性數(shù)值模擬研究，得出隨著來流速度和表面粗糙度的增大，立管來流向和橫流向的振動頻率顯著增強。顧洪祿等[47]基于柔性桿理論和尾流振子模型計算陡波形立管的渦激振動響應(yīng)，對立管渦激振動導(dǎo)致的疲勞損傷進(jìn)行計算分析，得出浮子段長度、浮力因子、彈性模量、海流速度、波浪高度對陡波形立管疲勞損傷均有較大影響。

2.3.4 深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)整體特性研究

深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)是一個多環(huán)節(jié)串聯(lián)的系統(tǒng)工程，承受了波浪流海洋環(huán)境載荷、結(jié)構(gòu)自身重力等復(fù)雜的綜合載荷效應(yīng)，因此，在對立管的動力學(xué)特性進(jìn)行研究時，需要針對所要開發(fā)的礦物資源類型及其所處的海洋環(huán)境，開展不同采礦工藝與作業(yè)模式模擬仿真，以有限元方法為理論基礎(chǔ)模擬風(fēng)、浪、流等復(fù)雜海洋環(huán)境載荷，以及各個子系統(tǒng)之間存在的相互作用過程，開展整體系統(tǒng)的動力學(xué)仿真研究，深入研究系統(tǒng)三維動力學(xué)環(huán)境下的管線、水面工作船即采礦車的變化和各主要連接節(jié)點的動力學(xué)相應(yīng)過程及其動力耦合效應(yīng)。在研究中建立起包括采礦船、柔性立管和采礦車的全系統(tǒng)耦合分析模型，對立管運動響應(yīng)和受力特性進(jìn)行時域分析；研究工作母船隨波浪作升沉運動時，輸運系統(tǒng)的縱向、橫向振動及其減振方法；研究管道長度對系統(tǒng)運動響應(yīng)和受力特性的影響；研究當(dāng)采礦車按指定路徑運動時，不同流速、流向、浮力塊間距、浮力塊數(shù)量、浮力塊位置和礦漿密度等參數(shù)對管道的等效應(yīng)力、曲率、空間構(gòu)型的影響；研究管道空間構(gòu)型變化對采礦車運動的影響；研究由于管道的柔性及非線性特性而導(dǎo)致管道的大位移和大變形效應(yīng)，厘清深海資源開發(fā)系統(tǒng)整體設(shè)計過程中各參數(shù)的主次關(guān)系，為深海資源開采系統(tǒng)整體設(shè)計提供參考。

3 深海資源開發(fā)系統(tǒng)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

近幾十年來，我國已開展深海礦物資源開采的相關(guān)研究與海上試驗，但與發(fā)達(dá)國家相比，我國無論是在深海采礦系統(tǒng)總體設(shè)計和研發(fā)能力，還是協(xié)同作業(yè)集成與控制技術(shù)以及關(guān)鍵技術(shù)裝備的研制等方面都仍與發(fā)達(dá)國家存在一定差距，尤其是在深海柔性管道等深海采礦配套系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)方面；雖然我國已經(jīng)完成了一系列的仿真模擬及縮比試驗，但深海資源系統(tǒng)仍難以進(jìn)行整體、大規(guī)模海上試驗；采礦過程中對海底生態(tài)環(huán)境影響較大，目前尚未有相關(guān)成熟的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及綠色開采評估體系；這些都是在實現(xiàn)深海采礦系統(tǒng)的礦區(qū)規(guī)?；_采作業(yè)中面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.1 深海采礦系統(tǒng)總體設(shè)計及協(xié)同作業(yè)集成與控制

深海采礦作業(yè)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及礦物資源采集、轉(zhuǎn)運與提升等諸多環(huán)節(jié)。深海采礦系統(tǒng)總體設(shè)計包括水面工作母船設(shè)計、水下輸送系統(tǒng)設(shè)計、海底采礦車設(shè)計、整體聯(lián)動控制系統(tǒng)及電力系統(tǒng)設(shè)計，以及深海采礦系統(tǒng)的集成問題，這些設(shè)計均涉及到系統(tǒng)總體動力學(xué)特性分析等，例如：總體系統(tǒng)水動力學(xué)特性、水面支持平臺與管道連接處結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性、升沉補償系統(tǒng)運動特性、泵-管-中繼站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的疲勞特性、采礦車-地面相互作用力學(xué)特性等。

深海采礦系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)間，存在著很強的關(guān)聯(lián)耦合現(xiàn)象，并且具有調(diào)控時滯性強等特點。任何一個環(huán)節(jié)的運行功效，都能影響到整個采輸系統(tǒng)的生產(chǎn)效能。但目前深海采礦系統(tǒng)整體聯(lián)合作業(yè)的研究很少，大多數(shù)的研究都是基于局部子系統(tǒng)。因此，加強對開發(fā)多系統(tǒng)協(xié)同控制和聯(lián)合作業(yè)的總體計算和仿真技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)十分必要，進(jìn)一步構(gòu)建一個多裝備智能協(xié)同作業(yè)控制的體系，對采集、轉(zhuǎn)運、輸送等動態(tài)過程設(shè)計控制器，并優(yōu)化模型控制參數(shù)來協(xié)調(diào)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)深海多裝備協(xié)同作業(yè)的智能控制，確保深海采礦系統(tǒng)高效、安全地運行。

3.2 深海礦物資源輸送立管技術(shù)

深海柔性立管技術(shù)在深海采礦領(lǐng)域已有原理試驗驗證，但并沒有實現(xiàn)工程示范，咎其原因，在于柔性立管的設(shè)計理論及其在海洋工程應(yīng)用中與海洋環(huán)境的耦合動力機理理論研究基礎(chǔ)薄弱。如何在深海礦物資源輸運領(lǐng)域?qū)⑷嵝粤⒐芗夹g(shù)的“柔性”發(fā)揮得像深海油氣開發(fā)領(lǐng)域那樣“淋漓盡致”，首要矛盾是解決理論基礎(chǔ)薄弱的短板，研究針對深海采礦系統(tǒng)的高分子聚合材料立管設(shè)計理論及其與管內(nèi)外流場流固動力耦合學(xué)問題。因此，加快對深海礦物資源開發(fā)的柔性立管設(shè)計研發(fā)、制造和運維已是當(dāng)務(wù)之急。

3.2.1 柔性立管設(shè)計理論研究

在設(shè)計深海柔性立管系統(tǒng)時，至關(guān)重要的是準(zhǔn)確得到描述多層復(fù)合柔性管道因彎曲而拉伸螺旋鎧裝鋼絲的曲率數(shù)學(xué)方程。因為這些方程決定了拉伸螺旋鎧裝鋼絲的曲率，根據(jù)該曲率可以計算得到相應(yīng)柔性管道的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，以及在法向和橫向平面上決定螺旋鎧裝鋼絲的總應(yīng)力，并最終為計算深海柔性立管拉伸螺旋鎧裝鋼絲的交變應(yīng)力和疲勞強度起到關(guān)鍵作用。盡管在世界上已發(fā)表的文獻(xiàn)中已經(jīng)有了幾種不同的拉伸螺旋鎧裝鋼絲曲率方程，包括正交法和測地線占優(yōu)法等，但這些曲率方程在推演和發(fā)展的過程中，為了簡化推導(dǎo)過程，均做了一些不同的簡化假設(shè)。因此，所推導(dǎo)的幾種螺旋鎧裝鋼絲的近似曲率數(shù)學(xué)方程及相應(yīng)的近似曲率計算公式，極大影響對深海柔性管的交變應(yīng)力和疲勞壽命作出精確分析，從而影響了對深海柔性立管的設(shè)計理論及設(shè)計方法的研究。

直到目前，還沒有公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料對深海柔性立管拉伸螺旋鎧裝鋼絲的幾種曲率方程及相應(yīng)的曲率計算公式進(jìn)行詳細(xì)的對比分析，解釋這些曲率方程產(chǎn)生的原因，不同曲率方程和不同簡化假設(shè)對無粘結(jié)柔性管內(nèi)部彎曲應(yīng)力、柔性立管拉伸螺旋鎧裝鋼絲的疲勞壽命的影響，以及對深海柔性立管系統(tǒng)設(shè)計理論及設(shè)計方法的影響。因此，有必要詳細(xì)推導(dǎo)出深海柔性立管拉伸螺旋鎧裝鋼絲的曲率方程及相應(yīng)的曲率計算公式，避免不必要的假設(shè)和簡化，形成一套能對深海柔性立管拉伸螺旋鎧裝鋼絲的彎曲應(yīng)力及疲勞強度進(jìn)行精確分析的設(shè)計理論及設(shè)計方法。

3.2.2 柔性立管多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)截面特性研究

深海柔性立管是由不同材料、結(jié)構(gòu)形式組成的多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，具有十分復(fù)雜的截面特性，其每一層都設(shè)計成具有特定的功能來承擔(dān)不同的特定載荷。因此，在研究深海柔性立管系統(tǒng)的截面特性時，針對柔性立管各層間的獨立性和因分離而形成的層間間隙等情況，引入相應(yīng)的邊界條件，推導(dǎo)各復(fù)雜結(jié)構(gòu)層在軸向拉力、內(nèi)外壓力、扭矩及彎矩載荷作用下的截面力學(xué)特性及平衡方程，研究在復(fù)合載荷作用下的柔性立管系統(tǒng)整體的截面力學(xué)特性。

因此，在推導(dǎo)以高分子聚合物材料為主要材質(zhì)的內(nèi)外護(hù)套層和防金屬摩擦層在復(fù)雜載荷作用下的各聚合物層的平衡方程時，需要考慮聚合物材料彈性模量較小，易產(chǎn)生徑向厚度方向上的變形等特點；在推導(dǎo)骨架層和抗壓鎧裝層在復(fù)雜載荷作用下各互鎖金屬鎧裝層的平衡方程時，需要考慮互鎖鎧裝層金屬材料的彈性模量較大等特點；在推導(dǎo)抗拉鎧裝層在復(fù)雜載荷作用下的平衡方程時，需要考慮其厚度的變化特征、鋼帶的局部彎曲、扭轉(zhuǎn)和軸向變形機理；在研究柔性管的整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)和柔性管各層的應(yīng)力和位移變化時，需要考慮材料非線性、柔性管層間間隙及螺旋線單元間側(cè)向接觸等因素。通過對柔性立管各層及整體的截面特性進(jìn)行研究，為柔性立管關(guān)鍵力學(xué)問題研究提供理論依據(jù)。

3.2.3 柔性立管典型失效機理研究

柔性立管的失效形式復(fù)雜多變，包括抗拉鎧裝螺旋鋼筋的疲勞斷裂、高分子聚合材料內(nèi)護(hù)套在高壓內(nèi)流的流固耦合作用下的應(yīng)變變形及裂損、腐蝕、骨架層內(nèi)外壓潰、抗拉鎧裝層屈曲等。

柔性管抗拉鎧裝層是承受外部拉力、扭矩及彎曲載荷的主要構(gòu)件。因上部平臺運動和波浪作用，抗拉鎧裝層中螺旋條帶會產(chǎn)生局部的高交變應(yīng)力，最易發(fā)生疲勞失效。再者，柔性立管端部的管接頭處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管接頭內(nèi)部的抗拉鎧裝螺旋鋼筋在管接頭處的受力工況遠(yuǎn)比正常立管內(nèi)部的受力工況復(fù)雜，疲勞失效也更加嚴(yán)重。因此，不同于通常的柔性立管疲勞分析和設(shè)計，對管接頭內(nèi)部的抗拉鎧裝螺旋鋼筋的疲勞失效機理要特別對待。

目前關(guān)于柔性立管的壓潰失效研究大多僅考慮只受到立管外部靜水壓的外壓潰。然而，當(dāng)立管因內(nèi)部高壓而滲透到環(huán)形密封腔時，在緊急泄壓情況下，高壓密封氣體對立管的內(nèi)壓潰更為危險。具體應(yīng)用及研究中，對深海柔性立管的壓潰失效機理的研究要綜合考量。

柔性立管屈曲是一種與常規(guī)軸壓不同的失效模式，根據(jù)抗拉鎧裝鋼絲出現(xiàn)徑向隆起和側(cè)向滑動現(xiàn)象的不同，屈曲分側(cè)向屈曲和徑向屈曲兩種，每種失效形式的機理都不同，其所揭示的力學(xué)問題也各不相同。因此有必要針對深海高壓柔性立管屈曲失效形式的失效機理及其所揭示的力學(xué)問題進(jìn)行深入研究，從而更科學(xué)有效地指導(dǎo)柔性立管的設(shè)計、制造及運維，保證深海采礦系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

3.3 現(xiàn)代試驗技術(shù)及先進(jìn)數(shù)值仿真軟件開發(fā)

我國目前針對商用深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)多次開展單體海試，但是全系統(tǒng)聯(lián)合海試涉及內(nèi)容極為復(fù)雜，依然面臨較大挑戰(zhàn)。我國尚未開展深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)的聯(lián)合海試，且無法完全驗證方案設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)、水下裝備的適用性，以及對系統(tǒng)生產(chǎn)效率、穩(wěn)定性、可靠性、長期運維、經(jīng)濟(jì)性等尚未開展深入研究。由于深海礦產(chǎn)資源賦存的水深近5 000～6 000 m，針對一套實驗性系統(tǒng)設(shè)計建造一套全尺寸的采礦系統(tǒng)造價較高且風(fēng)險較大，因此，非常有必要在深海采礦系統(tǒng)投入商業(yè)開采之前，進(jìn)行小規(guī)模、長周期、系統(tǒng)化、規(guī)?；膶嶓w海上試驗，使用縮比實驗和海試來驗證理論研究和仿真研究的結(jié)果，通過理論研究、模擬仿真、實驗和海試不斷反復(fù)驗證系統(tǒng)的可行性，為深海采礦超大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜作業(yè)模式的系統(tǒng)設(shè)計和安全風(fēng)險防控奠定基礎(chǔ)，在完成可行性驗證后再搭建全尺寸深海資源開發(fā)系統(tǒng)。

目前，市面上商用數(shù)值仿真軟件大多數(shù)都是針對深海礦物資源開發(fā)子系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，但尚未開發(fā)出成熟的針對整體系統(tǒng)的商用數(shù)值仿真軟件，這使得深海礦物資源開發(fā)整體仿真結(jié)果并不能完全反映出真實系統(tǒng)的特性，尤其是當(dāng)實體系統(tǒng)遭遇極端環(huán)境載荷或突發(fā)狀況時，仿真結(jié)果往往與實際存在明顯偏差，這進(jìn)一步導(dǎo)致全系統(tǒng)聯(lián)合海試難以完成。因此，需要開發(fā)出適用于深海礦物資源開發(fā)整體系統(tǒng)的數(shù)值模擬仿真軟件，為全系統(tǒng)聯(lián)合海試打下理論基礎(chǔ)，降低海試風(fēng)險。

3.4 深海采礦系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測與評估

由于深海礦物資源開采系統(tǒng)作業(yè)有可能會影響深海的生態(tài)環(huán)境與地質(zhì)特性，因此深海海底環(huán)境影響的監(jiān)測與評估顯得尤為重要，這也是深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面一個急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。需要針對海底生態(tài)系統(tǒng)，開展深海采礦不同子系統(tǒng)以及整體對海底環(huán)境影響的研究，研究海底生物群落的遷移演變特征，研制生物生態(tài)的長期監(jiān)測技術(shù)裝備，構(gòu)建相關(guān)的海底生物數(shù)據(jù)庫。針對海底擾動及尾礦排放形成的羽狀流現(xiàn)象來研發(fā)大尺度且具有高分辨率的羽狀流監(jiān)測技術(shù)裝備，探索羽狀流的擴(kuò)散和再沉積過程，構(gòu)建羽狀流實時監(jiān)測與跟蹤系統(tǒng)。通過將數(shù)值模擬、模型試驗和現(xiàn)場觀測相結(jié)合的技術(shù)手段，創(chuàng)建深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)作業(yè)過程的環(huán)境影響監(jiān)測與評估技術(shù)體系，最大限度減小深海礦物資源開發(fā)作業(yè)對海底的生物及地質(zhì)特性的影響，從而真正做到在深海礦物資源開發(fā)利用的同時，也有效地保護(hù)好礦區(qū)的環(huán)境生態(tài)。

4 結(jié)語

本文簡述了國內(nèi)外深海采礦系統(tǒng)的發(fā)展歷程和現(xiàn)階段典型的幾種深海采礦系統(tǒng)。分析了復(fù)雜海況對深海采礦系統(tǒng)的影響，總結(jié)了深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)所面臨的關(guān)鍵力學(xué)問題，從深海采礦系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)集成與控制、深海礦物資源輸送立管技術(shù)、深海采礦模擬仿真與試驗技術(shù)、深海采礦系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測及評估等主要關(guān)鍵部分概括了深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段我國在深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)關(guān)鍵裝備與核心技術(shù)方面的研究與國外存在較大差距，今后需要在這些方面加大科研力度，以商業(yè)化開采為目的開展深海礦物資源開發(fā)整體系統(tǒng)研發(fā)，建設(shè)相應(yīng)的示范工程，為未來深海礦物資源商業(yè)開采打下堅實的基礎(chǔ)，具體建議如下。

（1）加速推進(jìn)我國深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)核心技術(shù)創(chuàng)新和裝備自主研發(fā)，開發(fā)海底低能耗、高效率、智能化的作業(yè)裝備，突破海底多裝備聯(lián)合作業(yè)協(xié)同調(diào)控的技術(shù)難題，研發(fā)全系統(tǒng)協(xié)同控制技術(shù)、復(fù)雜海況下裝備布放回收技術(shù)、整體動力學(xué)特性監(jiān)測技術(shù)，發(fā)展海底采礦車環(huán)境感知與精準(zhǔn)控制技術(shù)，建立海底礦床的勘探、開采、輸送、轉(zhuǎn)運技術(shù)鏈，構(gòu)建海底智能化作業(yè)系統(tǒng)，研發(fā)實時監(jiān)測及即時預(yù)警技術(shù)，保障系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，為全面發(fā)展智能開采研究奠定基礎(chǔ)。

（2）完善柔性立管在海洋工程應(yīng)用中與海洋環(huán)境及管內(nèi)多相流的耦合動力機理的理論研究，針對深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)的高分子聚合材料立管設(shè)計理論問題，預(yù)測礦物輸運管道整體疲勞使用壽命，加快對深海柔性立管的設(shè)計研發(fā)、制造和運維，搭建工程示范平臺，為深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)的柔性立管研發(fā)奠定理論和實驗基礎(chǔ)。

（3）建立適用于我國深海多金屬結(jié)核等稀有金屬開采的前沿技術(shù)研發(fā)中心，該中心以理論設(shè)計、分析、咨詢、管理、技術(shù)評估為重點，研究復(fù)雜內(nèi)外流條件下深海柔性立管采礦系統(tǒng)整體特性，建立一套集物理模型、數(shù)值計算模型、縮比模型試驗平臺、單體和綜合海試為一體的研發(fā)平臺，為深海采礦超大系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安全風(fēng)險防控奠定基礎(chǔ)，為我國深海采礦系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)一體化提供科學(xué)理論基礎(chǔ)，實現(xiàn)我國深海采礦柔性立管輸運系統(tǒng)自主研發(fā)技術(shù)的飛躍。

（4）以綠色環(huán)保為目標(biāo)，建立生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和評估體系，研究采礦活動中尺度物理過程影響下關(guān)鍵生態(tài)過程響應(yīng)，研究環(huán)境脅迫下物種多樣性變動和關(guān)鍵物種種群動態(tài)變化，以此為基準(zhǔn)開展深海礦物資源開發(fā)系統(tǒng)海上試驗，應(yīng)對開采作業(yè)的環(huán)保要求，實現(xiàn)綠色開采。