王建華，張 明

（1.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012；2.深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點實驗室，湖南 長沙 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，是世界各國普遍重視的多金屬礦產(chǎn)資源［1-4］。自20世紀(jì)開始，像美國等多個國家已將開采海底礦產(chǎn)資源作為一個重要戰(zhàn)略目標(biāo)［5］。目前行業(yè)普遍認(rèn)可并唯一通過了實際海底資源開發(fā)試驗驗證的方案是硬管、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級深海采礦揚(yáng)礦系統(tǒng)試驗?zāi)Ｐ?，進(jìn)行了水下構(gòu)形的靜態(tài)和動態(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)動過程中動力學(xué)性能實時快速分析的需求，提出了多剛體離散元法建立管線空間離散模型，以上研究對于硬管研究開發(fā)有一定的參考作用。但均未就如何準(zhǔn)確計算極端工況條件下硬管固定端受力狀況、驗證硬管設(shè)計方案的可靠性這一關(guān)鍵問題開展研究，深海水下輸送硬管是實現(xiàn)海底資源開發(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，實際作業(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，是實現(xiàn)海底資源開發(fā)利用亟待解決的關(guān)鍵問題之一。由于硬管尺度、實際工況多變的嚴(yán)苛要求，想通過實驗室試驗來驗證深海水下輸送硬管許可極限工況幾乎不可能實現(xiàn)。如何解決硬管布放許可極限工況這一問題，本試驗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”國家重大專項千米級海底采礦整體全系統(tǒng)聯(lián)動試驗驗證硬管仿真計算的可靠性，以便進(jìn)一步認(rèn)識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，搭建水動力計算模型，如圖1所示，本試驗研究對象為圖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 模型簡化

集中質(zhì)量法具有速度快、效率高、收斂快等特點，能很好的模擬各種邊界條件對管線的影響，故采用該方法對硬管進(jìn)行分析，硬管用一組無質(zhì)量彈簧和集中質(zhì)量點進(jìn)行模擬。對于任意硬管單元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)點上的集中作用力，除端部外，每個節(jié)點質(zhì)量為相鄰單元質(zhì)量的均值，端部節(jié)點質(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。硬管長度按每布放18 m計算一次，直到布放完整個硬管系統(tǒng)。布放工況搭建的計算模型極端條件見表1。

表1 可能的極端布放條件參數(shù)表

2 硬管仿真計算

2.1 環(huán)境參數(shù)設(shè)定

采礦試驗?zāi)复谠囼灪Ｓ蜻M(jìn)行作業(yè)時，可能受到來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)實際海試試驗。水動力計算模型中，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級海況，按照表1設(shè)定的條件分別計算得到每個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，浪流同向時硬管固定端綜合應(yīng)力最大，浪流方向垂直時硬管固定端綜合應(yīng)力變小。

4.浪向角主要影響硬管彎矩大小，對硬管固定端張力影響較少。

3 仿真結(jié)果校核及海試驗證

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。通過仿真計算得到不同浪向角流向角下硬管載荷特性，提出了實際海上試驗時作業(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°）以內(nèi)的布放方案。根據(jù)本試驗仿真結(jié)果設(shè)計了實際海試布放回收方案，海試布放試驗如圖7所示，成功實現(xiàn)了我國首次千米級海底采礦整體全系統(tǒng)聯(lián)動試驗，也驗證了本文仿真計算的可靠性。

圖7 硬管布放圖

4 結(jié) 論

通過仿真計算與試驗驗證，得到結(jié)論為：

1.硬管布放過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、流同向時硬管固定端綜合應(yīng)力最大，浪流方向垂直時硬管固定端綜合應(yīng)力變小，硬管實際布放時應(yīng)盡量避開以上參數(shù)的浪向角。

3.實際海上試驗時作業(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°）以內(nèi)。

4.我國首次千米級深海采礦整體全系統(tǒng)聯(lián)動試驗驗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。