深海输送硬管许可极限工况仿真与试验研究

王建华，张 明

（1.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012；2.深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012）

海底蕴含着丰富的资源。众多资源中锰结核含有多种金属元素，是多种新型行业不可或缺的原材料，是世界各国普遍重视的多金属矿产资源［1-4］。自20世纪开始，像美国等多个国家已将开采海底矿产资源作为一个重要战略目标［5］。目前行业普遍认可并唯一通过了实际海底资源开发试验验证的方案是硬管、软管和提升泵组成的管道输送系统，将海底矿物输至水面上的采矿船［6］。王刚［7］等用非线性有限元方法建立了基于1 000 m级深海采矿扬矿系统试验模型，进行了水下构形的静态和动态数值仿真，主要研究了软管受力和空间构形。李艳、曹玉霞、胡小舟等［8-11］针对扬矿系统大位移、小变形的几何非线性特性以及系统联动过程中动力学性能实时快速分析的需求，提出了多刚体离散元法建立管线空间离散模型，以上研究对于硬管研究开发有一定的参考作用。但均未就如何准确计算极端工况条件下硬管固定端受力状况、验证硬管设计方案的可靠性这一关键问题开展研究，深海水下输送硬管是实现海底资源开发利用的关键设备之一，深海水下输送硬管尺度都是千米级，实际作业工况复杂多变。

如何确定合理极端工况条件下确保深海水下输送硬管最大范围内安全可行，是实现海底资源开发利用亟待解决的关键问题之一。由于硬管尺度、实际工况多变的严苛要求，想通过实验室试验来验证深海水下输送硬管许可极限工况几乎不可能实现。如何解决硬管布放许可极限工况这一问题，本试验就其固定端所受最大综合应力、最大弯矩、最大张力值等方面进行探讨，并借助于“十三五”国家重大专项千米级海底采矿整体全系统联动试验验证硬管仿真计算的可靠性，以便进一步认识硬管和研究高效可靠硬管提供参考。

1 模型搭建

1.1 硬管模型

根据实际海试水下输送系统作业及布放回收设施，搭建水动力计算模型，如图1所示，本试验研究对象为图1硬管固定端，研究不同布放工况硬管固定端受力情况，以便确定实际许可极限布放工况，最大程度确保硬管布放成功。

图1 海试系统示意图

1.2 模型简化

集中质量法具有速度快、效率高、收敛快等特点，能很好的模拟各种边界条件对管线的影响，故采用该方法对硬管进行分析，硬管用一组无质量弹簧和集中质量点进行模拟。对于任意硬管单元j、k的轴向拉力及弯矩分别用拉伸 弹簧和弯矩弹簧模拟，假设硬管所受载荷为节点上的集中作用力，除端部外，每个节点质量为相邻单元质量的均值，端部节点质量取为相邻单元质量的一半，如图2所示。

图2 集中质量法单元示意图

硬管动态分析控制方程为式（1）：

式中：y为位移向量；K为结构刚度矩阵；C为结构阻尼矩阵；M为结构质量矩阵；F为系统受到的波浪和海流的载荷向量；W为系统受到的重力向量和浮力向量的和。

1.3 极端工况条件

布放工况硬管固定端固支抱死。硬管长度按每布放18 m计算一次，直到布放完整个硬管系统。布放工况搭建的计算模型极端条件见表1。

表1 可能的极端布放条件参数表

2 硬管仿真计算

2.1 环境参数设定

采矿试验母船在试验海域进行作业时，可能受到来自不同的浪向角和流向角下的环境载荷，因此有必要分析在不同浪向角下，硬管的载荷规律，以寻找最佳作业窗口指导实际海试试验。水动力计算模型中，浪向角、海流方向定义如图3所示：顺浪0°、尾斜浪45°、横90°、首斜浪135°、迎浪180°，4级海况，按照表1设定的条件分别计算得到每个工况硬管固定端最大弯矩、综合应力、张力的最大值并绘制曲线图。

图3 浪向角海流方向

2.2 仿真结果

不同浪向角、流向角条件下硬管最大弯矩、最大中和应力和最大张力仿真计算结果如图4、图5、图6所示。

图4 硬管最大弯矩

图5 硬管最大综合应力

图6 硬管最大张力

2.3 仿真结果分析

根据仿真计算结果，可以得到如下结论：

1.浪向角与船舶夹角越小，硬管固定端综合应力越小。

2.浪向角与船舶夹角越小，流向角对硬管固定端综合应力的变化影响越小。

3.当浪向角45°、60°、135°、150°时，浪流同向时硬管固定端综合应力最大，浪流方向垂直时硬管固定端综合应力变小。

4.浪向角主要影响硬管弯矩大小，对硬管固定端张力影响较少。

3 仿真结果校核及海试验证

根据API规范，确定硬管强度校核准则，作业工况下安全系数取≥1.5，布放工况下取安全系数≥1.25。通过仿真计算得到不同浪向角流向角下硬管载荷特性，提出了实际海上试验时作业及布放回收工况下应该控制船舶浪向角在150°（船艏迎浪角30°）以内的布放方案。根据本试验仿真结果设计了实际海试布放回收方案，海试布放试验如图7所示，成功实现了我国首次千米级海底采矿整体全系统联动试验，也验证了本文仿真计算的可靠性。

图7 硬管布放图

4 结 论

通过仿真计算与试验验证，得到结论为：

1.硬管布放过程中尽可能减小浪向角与船舶夹角，浪向角与船舶夹角越小越有利于改善硬管固定端受力。

2.浪向角45°、60°、135°、150°为敏感参数，浪、流同向时硬管固定端综合应力最大，浪流方向垂直时硬管固定端综合应力变小，硬管实际布放时应尽量避开以上参数的浪向角。

3.实际海上试验时作业及布放回收工况下应该控制船舶浪向角在150°（船艏迎浪角30°）以内。

4.我国首次千米级深海采矿整体全系统联动试验验证仿真研究的正确性和可靠性，为后续研究工作提供了参考。