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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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  • [1] 深海矿产资源[EB/OL]. [2020-06-01]. http://wf.zzlssmg.cn/zxzf/dongligongcheng/20140915/5120.html.

    Deep sea mineral resources[EB/OL]. [2020-06-01]. http://wf.zzlssmg.cn/zxzf/dongligongcheng/20140915/5120.html. (in Chinese).
    [2] 于淼, 邓希光, 姚会强, 等. 世界海底多金属结核调查与研究进展[J]. 中国地质, 2018, 45(1): 29-38. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DIZI201801004.htm

    YU M, DENG X G, YAO H Q, et al. The progress in the investigation and study of global deep-sea polumetallic nodules[J]. Geology in China, 2018, 45(1): 29-38(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DIZI201801004.htm
    [3] 肖林京, 方湄, 张文明. 大洋多金属结核开采研究进展与现状[J]. 金属矿山, 2000(8): 11-14. doi: 10.3321/j.issn:1001-1250.2000.08.004

    XIAO L J, FANG M, ZHANG W M. Advance and present state of the research in oceanic metalliferous nodule mining[J]. Metal Mine, 2000(8): 11-14(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:1001-1250.2000.08.004
    [4] 肖林京, 曾庆良, 张文明. 深海采矿扬矿管非线性偏移特性研究[J]. 机械工程学报, 2002, 38(8): 94-99. doi: 10.3321/j.issn:0577-6686.2002.08.020

    XIAO L J, ZENG Q L, ZHANG W M. Analysis of nonlinear offsetting characteristics on deep ocean mining pipe[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2002, 38(8): 94-99(in Chinese). doi: 10.3321/j.issn:0577-6686.2002.08.020
    [5] 肖林京, 左帅, 宋庆辉, 等. 深海采矿扬矿管的静态特性分析[J]. 矿业研究与开发, 2020, 40(4): 130-135. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KYYK202004025.htm

    XIAO L J, ZUO S, SONG Q H, et al. Analysis on static characteristics of lifting pipe in deep sea mining[J]. Mining Research and Development, 2020, 40(4): 130-135(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KYYK202004025.htm
    [6] 徐海良, 周刚, 吴万荣, 等. 深海采矿扬矿管几何非线性静力分析[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2011, 42(11): 3352-3358. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNGD201111023.htm

    XU H L, ZHOU G, WU W R, et al. Geometry nonlinear static force analysis of transporting pipe in deep-sea mining[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(11): 3352-3358(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNGD201111023.htm
    [7] 许兆美. 深海采矿扬矿管非线性变形分析[J]. 金属矿山, 2010(5): 47-50. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSKS201005016.htm

    XU Z M. Nonlinear deformation analysis of lifting pipe of deep seabed mining[J]. Metal Mine, 2010(5): 47-50(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSKS201005016.htm
    [8] 兰四清. 深水钢悬线立管触地区力学特性数值模拟分析[J]. 应用力学学报, 2019, 36(6): 1478-1483. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYLX201906034.htm

    LAN S Q. Numerical simulation of the mechanical interactions between the deepwater steel catenary riser and the touchdown zone of seabed[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2019, 36(6): 1478-1483(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYLX201906034.htm
    [9] 凌胜, 肖林京, 申焱华, 等. 深海采矿开采系统运动状态和动态特性影响因素分析研究[J]. 中国工程科学, 2002, 4(3): 78-83. doi: 10.3969/j.issn.1009-1742.2002.03.013

    LING S, XIAO L J, SHEN Y H, et al. A study of the factors influencing the kinematic condition and dynamic characteristics of deep seabed mining systems[J]. Engineering Science, 2002, 4(3): 78-83(in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1009-1742.2002.03.013
    [10] 戴瑜, 刘少军. 深海采矿系统整体联动作业模式动力学分析[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2012, 40(S2): 39-43. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HZLG2012S2011.htm

    DAI Y, LIU S J. Dynamic analysis of the integrated motion operation mode of the total deep ocean mining system[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2012, 40(S2): 39-43(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HZLG2012S2011.htm
    [11] 刘建浩, 杨启. 深海采矿扬矿管的横向运动响应分析[J]. 矿山机械, 2012, 40(2): 5-9. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KSJX201202003.htm

    LIU J H, YANG Q. Analysis on lateral motion response of deep-sea mining riser[J]. Mining & Processing Equipment, 2012, 40(2): 5-9(in Chinese). https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KSJX201202003.htm
    [12] LIU Z, GUO H Y. Dynamic response study of steel catenary riser based on slender rod model[J]. China Ocean Engineering, 2019, 33(1): 57-64. doi: 10.1007/s13344-019-0006-8
    [13] 徐海良, 饶星, 杨放琼. 横向摆动对深海采矿扬矿管输送特性的影响[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2019, 50(10): 2395-2402. doi: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.10.008

    XU H L, RAO X, YANG F Q. Influence of lateral swing on transportation characteristics of deep sea mining pipeline[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2019, 50(10): 2395-2402(in Chinese). doi: 10.11817/j.issn.1672-7207.2019.10.008
    [14] GUO S X, LI Y L, LI M, et al. Dynamic response analysis on flexible riser with different configurations in deep-water based on FEM simulation[C]//Proceedings of ASME 2018 37th International Conference on Ocean. Madrid: Offshore and Arctic Engineering, Spain. 2018.
    [15] ZHAO T F, FU S X, WU T H. Seabed stiffness influences and water damping effects on vibration of the touchdown zone in a steel catenary riser[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2019, 170: 30-39. doi: 10.1016/j.ijpvp.2018.12.006
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-03
  • 录用日期:  2020-09-25
  • 刊出日期:  2021-08-20

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