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深海采矿扬矿管的浮力提升方案分析

盖玉新 李敏

盖玉新, 李敏. 深海采矿扬矿管的浮力提升方案分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(8): 1679-1686. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0240
引用本文: 盖玉新, 李敏. 深海采矿扬矿管的浮力提升方案分析[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(8): 1679-1686. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0240
GAI Yuxin, LI Min. Buoyancy lifting scheme for marine risers in deep-sea mining system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(8): 1679-1686. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0240(in Chinese)
Citation: GAI Yuxin, LI Min. Buoyancy lifting scheme for marine risers in deep-sea mining system[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(8): 1679-1686. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0240(in Chinese)

深海采矿扬矿管的浮力提升方案分析

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0240
详细信息
    通讯作者:

    李敏. E-mail: limin@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: P741

Buoyancy lifting scheme for marine risers in deep-sea mining system

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  • 摘要:

    随着现代工业的消耗,有限的陆地资源已经难以支撑未来人类社会的可持续发展,因而对海洋资源的开发越来越受到重视。扬矿管作为深海采矿系统中的关键部件,连接了海面矿船和海底矿车。为避免长而柔的扬矿管道在深海作业时发生触地或打结等现象,影响作业效率,通常在管道上布置浮力块进行提升。考虑浮力提升装置布局的几个设计参数,包含总提升浮力、水平拉力、浮力段段数以及浮力段分布长度,通过有限元计算评价扬矿管的静态构型,探究几个参数对结构构型一般性的影响规律,从而提出合理的浮力分布方案。

     

  • 图 1  提升管在整体结构中的位置

    Figure 1.  Position of marine riser in overall structure

    图 2  海洋缆线截面结构

    Figure 2.  Sectional structure of ocean cable

    图 3  各浮力分布方式示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of buoyancy distribution of each mode

    图 4  构型随浮力的变化

    Figure 4.  Configuration changes with buoyancy

    图 5  总浮力变化时结构内的应力分布

    Figure 5.  Stress distribution in the structure as total buoyancy changes

    图 6  不同总浮力下的结构曲率分布

    Figure 6.  Structure curvature distribution under different total buoyancy

    图 7  总浮力为结构重量的75%时结构构型

    Figure 7.  Structure configuration when total buoyancy is 75% of structure weight

    图 8  总浮力为80% G预拉力变化时结构中的应力分布

    Figure 8.  Stress distribution in the structure with different pre-tension when total buoyancy is 80% G

    图 9  不同浮力分布模式下的结构最终构型对比

    Figure 9.  Comparison of the final configuration of structure under different buoyancy distribution modes

    图 10  不同浮力分布模式下的结构曲率对比

    Figure 10.  Comparison of structural curvature under different buoyancy distribution modes

    图 11  不同浮力段分布长度工况下的结构构型

    Figure 11.  Structure configuration under different buoyancy distribution lengths

    图 12  不同浮力分布长度下的结构应力

    Figure 12.  Structure stress under different buoyancy distribution lengths

    图 13  不同浮力分布长度下的结构曲率分布

    Figure 13.  Structure curvature distribution under different buoyancy distribution lengths

    表  1  工程文件中给出的深海缆线参数

    Table  1.   Deep-sea cable parameters given in project documents

    参数 数值
    在空气中的线密度/(kg·km-1) 1 319
    在海水中的线密度/(kg·km-1) 991
    破坏强度/kN 206.0
    工作载荷/kN 56.5
    曲率半径限制/cm 44
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    表  2  缆线待提升段的几何和材料参数

    Table  2.   Geometric and material parameters of cable segment to be lifted

    参数 数值
    管线总长度/m 500
    管线截面半径/m 0.01
    材料密度/(kg·m-3) 3 156
    材料弹性模量/GPa 120
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    表  3  求解的各个工况参数

    Table  3.   Parameters of each working condition

    工况编号 浮力分布方式 预拉力F/N
    1 1 000 75
    2 500 75
    3 250 75
    4 125 75
    5 500 80
    6 250 80
    7 125 80
    8 500 85
    9 250 85
    10 125 85
    11 500 80
    12 500 80
    13 500 80
    14 Ⅴ(s=10 m) 500 80
    15 Ⅴ(s=20 m) 500 80
    16 Ⅴ(s=30 m) 500 80
    注:Ⅰ~Ⅴ为不同的浮力分布方式,在图 3中给出。
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    表  4  浮力固定为80%G时提升点的位移情况

    Table  4.   Displacement of lifting point when buoyancy is fixed at 80%G

    工况编号 中间提升点纵向位移/m 两侧提升点纵向位移/m 纵向最大位移/m
    5 -0.9 -0.81 -20.3
    6 -1.19 -1.07 -30.8
    7 -1.22 -1.09 -38.9
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    表  5  各控制因素对结构特性的影响

    Table  5.   Influence of discussed parameters on structural characteristics

    结构特性 右端拉力 总浮力 浮力点个数 浮力分布长度
    向下最大位移 - -- + 0
    右端水平位移 -- 0 - -
    结构最大应力 ++ 0 -- 0
    结构曲率 - - - --
    注:++代表强正相关;+代表弱正相关;--代表强负相关;-代表弱负相关;0代表其影响关系微小可忽略,或影响关系不确定。
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    表  6  理想的浮力分布参数

    Table  6.   Ideal buoyancy distribution parameter

    参数 数值
    结构右端预拉力 12%G
    总浮力 80%G
    浮力分布段数 3或4
    每段浮力段长度 2%~4%L
    注:G为结构总重;L为结构总长度。
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-03
  • 录用日期:  2020-09-25
  • 网络出版日期:  2021-08-20

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