管道内流对深海采矿系统软管空间形态影响

随着各国陆地资源的日趋减少，战略资源的国际竞争焦点逐步转向海洋，海洋矿产资源开发已成为世界各国关注的重点领域。目前最有商业开采前景的采矿工艺是固液两相流管道提升式[1]，该工艺利用海底集矿车采集矿石，再利用管道将矿石提升到水面采矿船上。该开采方式具有环保高效、低成本和适合深海采矿运输等特点。为满足集矿车回采路径的需要及适应海底地形起伏变化，需在中继仓与集矿车之间连接一段软管，使采矿系统易于控制、操作及采矿，从而使采矿过程安全指数显著提高。软管空间形态在整个深海采矿系统中具有重要作用，但软管复杂的空间形态不利于输送固体矿石，容易发生堵管事故。因此如何确保软管畅通是深海采矿系统设计所面临的重要问题之一。

目前，国内外已有很多学者通过系统力学特性探究了采矿船和集矿车的运动状态对软管受力特性影响，以及从安全作业的角度分析了最优软管初始空间形态。Huang等[2]运用非线性有限元法和牛顿迭代法计算软管有限元模型，得到软管初始空间构形。徐海良、郭小刚等[3-4]针对输送软管两端在采矿船和集矿车的牵引下运动，同时受到多个力和管内流体等复杂载荷耦合作用，结合Morsion阻力方程，建立输送软管和内外流场耦合作用下的力学模型。刘少军、肖芳其、王志等[5-10]运用非线性有限元模拟计算方法，分析了软管长度，软管集中吊挂浮力点配置等因素对软管空间形态的影响，并分析了单拱形和双拱型不同工况下最优软管初始构型。然而，由于试验耗资大、难度系数高等因素，在实际采矿过程中软管形态动态变化及内流对软管形态的影响研究成果却鲜见报道。

本文基于粗颗粒深海采矿提升模拟试验系统，研究不同工况条件下软管空间形态变化。在试验中主要考虑集矿车移动距离、内流流速、内流密度等主要因素，分析各个因素对软管空间形态的影响，探讨不同工况条件下软管空间形态变化规律以及软管形态变化影响的内在机理。以期为深海采矿系统软管输送参数设计提供研究基础。

1 输送软管的受力分析

扬矿软管在正常工作过程中，会受到多种复杂载荷作用，主要包括：软管自身的重力G0、内部流体的重力Gi、软管受到的海水浮力F0、海流阻力fh、集矿车垂直牵引力Fv及水平拖曳力Ft、浮力块浮力F等。扬矿软管工作时软管单元受力示意图如图1所示。

图1 软管单元受力示意图

其中，在垂向上的G0，Gi，F0分别计算如下：

在重力作用下，软管可能触及海底，管道与海底的摩擦力将使集矿车无法运动，因此，必须在软管上加装浮力材料，使其悬浮在海水中。通过在输送软管上添加浮力球，使软管在水中的整体浮力与重力大致相当。如浮力不够，在浓度较大时，软管很有可能触及海底；如浮力比整体重力大很多，将减少集矿车接地比压，影响其运动性能。因此，软管浮力材料的配置需要优化计算。

1.1 内流流速的影响

输送软管的形态变化不仅受到集矿车拖曳力和软管自身的重力、浮力作用，还受到软管内部固液两相流对软管的作用力，主要受到的力为内流流体的冲力和重力。

根据动量定律，恒定总流的动量方程为：

式中：表示流体冲力的总和；ρ表示内流流体的密度；Q表示内流流体的流量分别为流体单位时间内运动始终的流速；β为动量校正系数，为简化计算，β通常取1。由式（4）可知，在软管弯曲段，随着内流流速增加，内流流体对软管向上的冲力增大，使软管向上隆起幅度增加，软管角度增加。

1.2 内流密度的影响

随着浆体浓度的变化，内流密度也将相应产生变化，输送软管的形态受到流体重力的影响。因此，固液两相流中浆体的重力为：

式中：ΣG表示浆体的重力；t为单位时间；g为重力加速度。当浆体内流时，随着浆体体积浓度的增大，内流流体密度ρ随之增大，软管内浆体的重力也增大，同时流体向上冲力也会有所增加。

由式(4)～式(5)可知，当内流为浆体时，重力增量大于垂向上的冲力增量。因此，当软管中固体颗粒的体积浓度越高时，内流流体密度变大，固液两相流对软管的压力也随之增大，从而导致软管隆起幅度变小，且软管两侧下垂幅度变大。

因此，当软管悬浮在水中且外流条件不变时，软管形态变化主要受集矿车拖曳力和软管内流特性的影响。软管形态的主要影响因素有软管的内流流速、内流密度及集矿车的位移距离等。因此本文通过试验，研究这几个因素对软管形态变化的影响，探究软管的内流流速、内流密度及集矿车移动距离与软管形态之间的关系。

2 试验系统及方法

2.1 试验系统

图2 试验系统图

为能够深入研究复杂条件下输送软管空间形态变化规律，并确保试验条件更加符合深海采矿的实际工况，设计了深海采矿软管输送模拟试验系统。该系统还必须满足便于操作、给料均匀、颗粒磨损小、试验结果精确等要求。如图2所示，该系统由管道输送子系统、给料子系统、测量子系统和动力子系统4部分组成。其中，管道输送子系统包括输送软管、输送硬管以及模拟集矿车、可变接头等组成。系统环管长25 m，高4.7 m，其中软管输送段10 m，测量段4.2 m。输送软管段选用外径56 mm，内径50 mm，密度1 400 kg/m3的PVC钢丝透明软管。输送硬管采用内径50 mm的钢管。集矿车可在轨道上实现往返均速运动，其速度采用变频调速器控制，速度范围为1～5 cm/s。输送软管上布有浮球，浮球的材料选用ABS塑料浮球。

给料子系统由叶轮式给料机、稳压水箱和分离滤网组成，粗颗粒通过叶轮式给料机实现均匀给料，然后与水箱中的液相介质完全混合，通过管道进行输送。

测量子系统由电磁流量计、网格墙、标定箱及终端数据采集器组成。电磁流量计装于垂直管道中部，用于测量流体流量。流量计的测量数据均会通过数据采集系统输入计算机。网格墙用于测量软管形态，标定箱置于给料系统旁，用于标定固液两相流混合流速。

动力子系统由潜水泵、浆体提升泵和电机组成。潜水泵安装在集矿车内，浆体提升泵安装在连接软管的混料仓出口处，潜水泵和提升泵用于调节内流流速。

2.2 试验条件及方法

试验主要涉及的物理参数有：软管测量长度L=4.2 m；软管内径Di=50 mm；软管外径Do=56 mm；软管密度 ρr=1 400 kg/m3；外流密度 ρh=1 000 kg/m3；浆体内流密度ρl=1 160 kg/m3，每个浮球的浮力为4 kg，浮球布放位置设于L/2-L3/4处。

通过计算得出：软管重量G0=28.78 N；清水内流时内流流体重量为80.82 N；内流为浆体时重量为93.75 N；软管所受的外流浮力为101.38 N；本系统浮球的浮力大小取1G0＜F＜1.5G0，所以取1个浮球。软管在水中的整体浮力约等于整体重力与集矿车对软管的垂直牵引力，因此软管在水中以单拱顶的形态悬浮在水中。对于单拱形态的软管而言，软管弯曲度是表征管道形态重要参数，软管的弯曲度可用软管与水平轴夹角来表征，软管角度过大或过小都会影响深海采矿软管输送的效率。因此，本文软管弯曲度由软管最大角度（A处）、软管起始处角度（B处）两个角度表征（见图）。

试验开始时，先往水槽内加满水，然后打开集矿车控制开关，使其在水槽底部做匀速直线运动，通过水槽边上的网格墙，准确描述软管空间形态变化，观测集矿车运行对软管形态的影响；随后固定集矿车位置，打开潜水泵和浆体泵，观测不同内流流速下软管空间形态变化规律；最后向给料机内加入颗粒物料，使颗粒体积浓度为10%，观测浆体内流和清水内流对软管空间形态影响的区别。

3 试验结果及分析

3.1 集矿车移动距离对软管空间形态的影响

由于管道长度L(m)不变，随着集矿车在水槽底部移动不同距离S(m)时，软管形态变化如图3所示：当内流为清水且当内流静止时，随着集矿车在海底做2 cm/s的匀速运动，则集矿车从初始位置运动到S=0.75 m时，软管形态开始变化并逐渐向上隆起。

图3 内流（清水）静止、集矿车移动不同距离时软管形态图

图4 软管角度与集矿车位置的关系

由图4可知，随着集矿车与中继仓的相对距离越小，软管各处的角度均呈线性增长趋势，软管拱顶高度逐渐增高，软管两侧出现轻微下垂趋势。其原因在于软管长度固定，当中继仓与集矿车相对距离变化时，软管空间形态在力的平衡作用下会达到合理分布状态。

3.2 内流流速对软管空间形态的影响

由图5可知，当集矿车停在初始位置（S0=4.0 m）时，内流（清水）流速增加，软管逐渐向上隆起，管道两侧呈现轻微下垂趋势。

由图6可知，随着内流流速增加，软管各处角度均逐渐增加，软管形态向上隆起幅度增大。此试验结果与软管的受力分析相符，随着内流流速增加时，内流流体冲力增大，软管各处的角度相应增加，使软管向上隆起幅度增加。

图5 不同内流（清水）流速下软管形态图（S0=4.0 m）

图6 软管角度与内流流速的关系

3.3 内流密度对软管空间形态的影响

在实际深海采矿工程中，当集矿车在深海底往返采矿时，内流载体按照某特定流速输送集矿车收集的矿石，因此，本文研究了固定流速下集矿车运行对软管空间形态变化特征的影响，并对比研究了不同内流密度对软管形态的影响。由图7可知，当内流为清水且流速固定（v=2 m/s）时，集矿车在槽底匀速运动，当集矿车从初始位置运动到S=0.50 m时，软管向上隆起，软管两侧有轻微下垂趋势。由图8可知，当内流为浆体（d=3 mm,Cv=10%）且流速固定（v=2 m/s）时，集矿车从初始位置移动到S=0.50 m时，软管向上隆起，软管两侧有下垂趋势。可见其影响因素除了集矿车移动和内流流速的影响，还有内流密度的影响。

图7 固定内流（清水）流速、集矿车移动不同距离时软管形态图（v=2 m/s）

图8 固定内流（浆体）流速、集矿车移动不同距离时软管形态图（v=2 m/s,d=3 mm,Cv=10%）

图9 清水内流时软管角度与集矿车位置的关系

由图9～图10可知，无论清水内流还是浆体内流，当流速固定时，随着集矿车在水槽底部匀速行驶时，软管最大角度逐渐增加，且软管形态不断向上隆起。但软管起始角度呈现降低趋势，软管两侧出现下垂现象。通过图9与图10相互比较，内流为浆体时软管上升摆幅略小于清水内流，软管两侧下垂幅度大于清水内流。因此，当浆体内流时，随着内流密度的增大，软管隆起幅度降低，两侧越加下垂。此试验结果与软管的受力分析相符，当软管中内流密度越高时，固液两相流对软管的压力也随之增大，从而导致软管隆起幅度变小，且软管两侧下垂幅度变大，软管的最大倾斜角度增大。

图10 浆体内流时软管角度与集矿车位置的关系

4 结论

综上所述，本文通过对深海采矿软管进行受力分析，并设计了深海采矿软管输送模拟试验系统及试验方法进行试验，探究了不同工况条件下软管形态动态变化特征及其规律，得出如下结论：

（1）随着集矿车在水槽底部移动距离加大，集矿车与中继仓相对距离变小，而软管总长度不变，软管空间形态会在力的平衡作用下达到合理分布，即软管向上隆起，软管角度呈线性增长趋势；

（2）集矿车固定不动时，随着内流流速加大，管内流体向上的冲力增大，因此软管倾斜角度不断增加，软管向上隆起幅度增大；

（3）当集矿车在水槽底部自由行驶，内流流体为浆体且流速固定时，软管最大倾斜角度呈线性增长趋势，与内流介质为清水时相似。由于浆体内流密度远远大于清水内流密度，单位流体重力增大幅度大于流体向上冲力的增大幅度。因此，软管隆起幅度较小，且两侧下垂更加明显，最大倾斜角度偏大。