深海采矿系统模型水池试验方案

徐 剑, 黄 宏, 刘 俊

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200090)

0 引 言

目前，深海采矿系统模型试验大多在浅水池和地面上进行单独的功能试验。2000年荷兰海事研究所(Maritime Research Institute Netherlands，MARIN)建成具有代表性的海洋深水试验水池，主体尺寸为45.0 m×36.0 m×10.5 m，在水池中设置直径为5.0 m的深井，最大试验水深为30.0 m；上海交通大学海底矿石采集装备研发测试平台长为15.0 m、宽为1.2 m、高为1.2 m，其海洋深水池为目前世界上设施较为先进的海洋深水试验池之一，主体尺寸为50.0 m×40.0 m×10.0 m，最大测试深度为10.0 m[1]。

深海采矿系统结构复杂，通常由水面母船、海底采矿车、中继舱、扬矿泵(若采用气力输送则无)和矿石输送管道(包括垂直硬管、软管)组成，管道可长达数千米，立管受到海流影响出现明显的柔性效应[2-3]。立管在深海中不仅受到海洋环境影响，而且与水面母船相互影响，其动力响应影响采矿系统的安全稳定[4]。立管在水中运动导致管道内的矿石运动特性受到一定影响。水面母船在海洋中受到波浪和立管运动的影响。

深海沉积物作为采矿车的承载基础，其土工力学特征限制采矿车的质量和设计方向。李力等[5]、魏定邦等[6]、冯伟强等[7]、孙华强等[8]和谷忠德等[9]均为深海沉积物的物理强度特性提供参考，对于模拟沉积物强度值的确定具有借鉴意义。采矿车作为集矿机和采矿头等的承载平台，不仅应具备较快的行驶速度，而且应具备适应深海沉积物的承载特性，可大范围运动以满足采集率要求。履带式采矿车通过调整履带宽度调整与地面的接触面积，控制接地比压，可在稀软深海底质实现较大的承载负荷。目前，国内外对采矿车的研究以履带式采矿车为主，研究开发的深海多金属结核开采海底采矿车均采用履带自行方式[10-11]。

提出深海采矿系统模型水池试验方案，在综合考虑系统动力性能影响因素和试验数据测量要求的基础上，对深海采矿系统模型结构进行一定简化，包括水面母船及垂荡补偿系统、立管、扬矿泵、中继舱(料舱容器)、软管及浮力材料和力学概念模型采矿车。

1 深海采矿系统模型水池试验平台

1.1 深海采矿系统模型总体水动力试验平台

深海采矿系统模型总体水动力试验在直径为30.0 m、主体水深为10.0 m、中央深井水深为50.0 m的水池中进行。深海采矿系统模型总体水动力试验平台包括水面母船、波浪补偿器、6分量力传感器、立管、扬矿泵、关键位置加速度传感器、单向力传感器、中继舱、水下相机、回料管和固定缆绳，如图1所示。

图1 深海采矿系统模型总体水动力试验平台

以实际水面母船为标准，通过比例尺缩小进行水面母船模型的设计制作。试验中的模型船尺寸较大，需要满足波浪补偿器的安装空间。模型船的纵荡和横荡可通过固定缆绳系泊解决；垂荡运动是在深海采矿石时受到的影响因素，需要通过波浪补偿器解决；模型船的纵摇与横摇的周期与振幅需要监测，以判断纵摇与横摇的程度[12-13]。通过在艏部和艉部的中心线上安装的姿态传感器测量其倾角，该传感器需要集成高精度的陀螺仪、加速度计和磁场传感器及内部处理芯片，可测量空间x轴、y轴和z轴上的角度、加速度和角速度。

以50.0 m的管道长度为计算依据，矿石的输送体积分数为10%、颗粒输送粒径为5～20 mm，扬矿泵的流量为170 m3/h、扬程为35.0 m、功率为30 kW。中继舱为管道提供矿石原料，内部设计为漏斗状，漏斗斜坡角度大于颗粒的休止角，可保证颗粒滚动至漏斗底部。试验应保证稳定的矿石输送。回料管回收矿石并进行循环输送，采用回料管可减小矿石用量和中继舱尺寸。6分量力传感器、关键位置加速度传感器和单向力传感器测量输送系统在风浪流和矿石输送时的受力情况。水下相机用于观测矿石在中继舱内和管道入口处的运动情况。

管道内部流动传感器包括水下压力传感器、管道断面体积分数计和电磁流量计。水下压力传感器安装于立管顶部、扬矿泵进出口和吸口附近；管道断面体积分数计安装于距离顶部1.0 m的位置；电磁流量计的安装位置与管道断面体积分数计接近。管道内部流动传感器安装位置如图2所示。

图2 管道内部流动传感器安装位置示例

1.2 采矿车运动试验平台

1.2.1 沉积物载体构建

研究发现：海底表层(0～10 cm)处于固液两相流动状态，不能作为受力层；沉积层(15～20 cm)具有稳定的抗剪和承载能力[14]。选用沉积层物理特性参数作为试验参考值具有实际意义。试验采用相似原则，但满足所有特性参数相似难以实现，根据车辆与土质的相互作用给出物理特性相似的优先级，依次为剪切强度、内聚力、内摩擦角、含水率、密度和土粒相对密度。沉积物载体构建流程如下：

(1)确定沉积层与结核基岩物理特性参数参考值。若进行特定区域模拟试验，则可通过现场原位测试或取样实验室测定的方式确定该区域沉积物的物理特性参数；若进行机理性试验研究，则可借鉴文献[14]的研究成果。海底沉积层沉积物的物理特性参数如表1所示。

表1 海底沉积层沉积物的物理特性参数

(2)制作可调角度的地形坡度模拟装置，如图3所示。放入制备的模拟土样，可实现不同坡度深海沉积物地形的模拟。

图3 可调角度的地形坡度模拟装置

1.2.2 采矿车运动试验平台设计

采矿车试验平台如图4所示。采矿车采用液压驱动，核心参数包括履带长度、履带宽度、履齿高度、几何外形尺寸和重力分布特性等。采矿车配备液压压力传感器、速度传感器和水阻力测量传感器，每个履带驱动轮均安装角度传感器。将采矿车置于水池，连接软管，在连接处安装单向力传感器，在软管上安装管道断面体积分数计和电磁流量计。

图4 采矿车运动试验平台

2 深海采矿系统运动力学特性分析

2.1 深海采矿系统总体运动力学特性分析

(1)惯性力

惯性力包括管道自身重力、管内流体重力、水面母船带给管道顶端的惯性力和管道水中浮力。

(2)风浪流载荷

风对船体进行作用，导致船体晃动。海浪导致船体出现上下起伏，并间接作用于输送管道，对输送系统的安全运行产生一定影响。海流作用于立管、中继舱和扬矿泵，导致管道出现柔性效应；海流的运动方向为水平方向，其速度随水深的增加而减小，在海水深度超过2 000.0 m时海流速度较为稳定。

(3)水面母船的影响

水面母船在海面上出现六自由度运动，包括纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和艏摇。纵荡和横荡可通过船舶定位系统进行解决，在垂荡、横摇、纵摇和艏摇中对采矿系统影响较大的为垂荡运动。

(4)矿石输送的影响

在采矿系统运行时，管道内外的流动同时对管道进行作用，管道对外的作用力(即对海洋的影响)可忽略，而管道柔性效应与矿石对管道的作用力会相互影响，对输送安全性造成一定影响。

2.2 采矿车运动力学特性分析

(1)采矿车与深海沉积物相互作用力学特性

在采矿车与稀软深海底质相互作用且存在相对运动时，底质会受到来自采矿车传递的压应力而产生沉陷，并因相对运动受到剪应力而产生沉陷和剪切变形。通常采用Bekker模型[15]描述深海底质的压陷本构方程关系，如式(1)所示。

(1)

式中：P为接地比压；kc为内聚变形模量；b为履带宽度；kφ为摩擦变形模量；φ为内摩擦角；z为沉陷量；n为深海底质变形系数。

通常采用Janosi-Hanamoto模型[15]描述深海底质的剪切本构方程关系，如式(2)所示。

τ=(c+Ptanφ)[1-exp(-j/k)]

(2)

式中：τ为剪应力；c为内聚系数；j为剪切位移；k为剪切模量。

(2)采矿车运动过程力学特性

采矿车行驶过程受力如图5所示，其中：G为采矿车重力；N为地面对采矿车的支持力；Rw为海水阻力，Rw=ρCDAfv2/2，ρ为海水密度，CD为海水阻力系数，Af为受力面积，v为采矿车行进速度；R为地面对履带的阻力，R=τbl，l为履带长度；Fmax为履带驱动力；T为软管对采矿车的拖曳力，Tx和Ty为两个方向的分量。

图5 采矿车行驶过程受力

Fmax的计算如式(3)所示。

(3)

3 深海采矿系统模型全流程水池试验方案

3.1 深海采矿系统模型总体水动力试验方案

深海采矿系统模型总体水动力试验由3个试验部分组成：①水面母船水动力响应试验，包括无任何负载且与管道无连接时的静水衰减试验和杂深海环境(不同风浪流组合)下的运动响应试验；②水面母船与输送系统的力学特性试验，即在深海环境下监测水面母船的运动响应情况、立管顶部运动特征及其载荷、立管水中状态和中继舱水中状态；③矿石输送时的水面母船与输送系统力学特性试验，包括水面母船与管道连接且进行矿石输送时的水面母船运动响应、管道顶部位置运动情况、管道顶部载荷、立管水中运动状态、立管内的矿石输送特性(流动状态、临界流速和摩擦阻力等)和中继舱水中运动状态。深海采矿系统模型总体水动力试验如图6所示。

图6 深海采矿系统模型总体水动力试验示例

3.2 采矿车运动试验方案

采矿车运动试验由2个试验部分组成：①稀软深海底质采矿车牵引力-滑转率试验，在采矿车与软管无牵连时测定不同履带形式的采矿车在稀软深海底质不同行驶速度下的驱动力、水阻力系数和履带驱动轮角速度，得到试验条件下的牵引力-滑转率关系曲线；②软管对采矿车的拖曳力试验，综合考虑软管形态、软管直径、软管长度、泥浆输送体积分数、泥浆流速和采矿车行驶速度等多种因素的影响，设计正交试验，测量在不同参数组合下软管对采矿车的拖曳力，确定影响拖曳力的关键参数。

4 结 语

采用物理模型试验方法，在水深达50.0 m的海洋工程水池中进行深海采矿系统模型总体水动力试验和采矿车运动试验。通过水池试验，研究在复杂海况条件下管道的振动特性与力学特性、水面母船姿态和管道内的矿石运动状态，分析采矿系统的整体运行性能，为后续深海采矿长距离矿石输送系统的研制提供水池试验技术支撑。