深海采礦水下中繼站結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和校核

曹陽(yáng)，杜新光，宋環(huán)峰，林強(qiáng)，楊蓓

(1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 上海分部，上海 200011；2.上海市東方海事工程技術(shù)有限公司，上海 200011)

深海采礦系統(tǒng)的基本功能是采集海底的礦產(chǎn)資源，將其提升輸送到海面并臨時(shí)存儲(chǔ)，一般由集礦子系統(tǒng)、水下輸送子系統(tǒng)、測(cè)控及動(dòng)力子系統(tǒng)和水面支持子系統(tǒng)組成。水下輸送子系統(tǒng)是聯(lián)接海底集礦子系統(tǒng)與水面支持子系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，是將切削收集后的礦物從海底輸送到水面支持船舶的通道[1-3]。水下中繼站是水下輸送子系統(tǒng)的重要組成部分，其上端通過提升硬管與水面船連接，下端通過軟管與集礦機(jī)連接。目前國(guó)內(nèi)在深海采礦水下中繼系統(tǒng)尚處在方案設(shè)計(jì)階段，尚無(wú)現(xiàn)成工程實(shí)例可參考，在制造水下中繼站本體樣機(jī)前，需要對(duì)水下中繼站關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，為其結(jié)構(gòu)參數(shù)選取提供參考依據(jù)[4-5]。本文在提出一種深海采礦水下中繼站設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受載情況對(duì)其進(jìn)行有限元分析計(jì)算，對(duì)水下中繼站關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，提高系統(tǒng)的安全性。

1 深海采礦水下中繼站設(shè)計(jì)方法

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外深海采礦研究和設(shè)備發(fā)展的調(diào)研，結(jié)合水下中繼站在深海采礦系統(tǒng)中所需實(shí)現(xiàn)的功能要求，確定中繼站的結(jié)構(gòu)形式，利用三維建模軟件建立方案模型，其具體設(shè)計(jì)思路如下。

1)設(shè)計(jì)出所需搭載的采礦設(shè)備及合理的布置方案；根據(jù)中繼站在深海采礦系統(tǒng)中的特點(diǎn)，以滿足中繼站對(duì)整個(gè)采礦系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能要求為目標(biāo)，對(duì)所需搭載的內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行選型；考慮礦物在中繼站內(nèi)部輸送過程、中繼站重量及重心配平、方便維護(hù)及美觀等，在中繼站內(nèi)部設(shè)計(jì)安裝平臺(tái)，分層模塊化布置內(nèi)部設(shè)備。

2)設(shè)計(jì)出合理的擺動(dòng)連接裝置，既要保障中繼站與硬管末端處的連接有足夠的強(qiáng)度，使礦料平穩(wěn)順利的從提升軟管輸送到提升硬管中，又要保障中繼站本體繞硬管連接處有一定的擺動(dòng)范圍，從而改善采礦系統(tǒng)的受力狀況。

3)設(shè)計(jì)出合理的中繼站外框架，為軟管泵、給料機(jī)、液壓站、電子艙、配電箱、料倉(cāng)等內(nèi)部設(shè)備提供安裝平臺(tái)，框架有足夠的強(qiáng)度對(duì)內(nèi)部設(shè)備起到保護(hù)作用、在保證內(nèi)部設(shè)備安裝合理的情況下盡可能減小外框架的外圍尺寸、為降低加工成本框架結(jié)構(gòu)盡量不形成耐壓結(jié)構(gòu)、考慮運(yùn)輸和便于拆裝等問題。

2 深海采礦水下中繼站設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素

2.1 結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)

水下中繼站采用懸浮形式，外部為開放的框架式結(jié)構(gòu)，上端通過十字鉸式擺動(dòng)連接裝置與硬管連接，可以實(shí)現(xiàn)中繼站本體繞硬管端部?jī)蓚€(gè)自由度的擺動(dòng)，底層中心位置通過法蘭與軟管連接；從海底采集的礦物通過軟管泵輸送到中繼站的料倉(cāng)中，再由給料機(jī)排送到硬管，由上端提升泵抽吸至水面設(shè)備，礦石的流動(dòng)輸送示意圖見圖1。水下中繼站保證輸送系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的參數(shù)下穩(wěn)定提升運(yùn)輸海底礦物，減少揚(yáng)礦管橫向偏移和縱向偏移的振幅，提高采礦系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為水下采礦設(shè)備提供安裝平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖1 礦石流動(dòng)輸送示意

圖2 水下中繼站整體結(jié)構(gòu)示意

在深海采礦系統(tǒng)布放回收過程中，水下中繼站及連接在中繼站外框架上的軟管在采礦船月池依靠擺動(dòng)連接裝置連接硬管進(jìn)行收放；在深海采礦系統(tǒng)工作過程中，水下中繼站及其上搭載的設(shè)備依靠擺動(dòng)連接裝置與系統(tǒng)上部結(jié)構(gòu)保持連接，同時(shí)中繼站依靠擺動(dòng)連接裝置實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)、外框架不僅保護(hù)內(nèi)部設(shè)備，也是輸送軟管等深海采礦系統(tǒng)其他末端設(shè)備與采礦船聯(lián)系的接口。擺動(dòng)連接裝置或框架結(jié)構(gòu)發(fā)生失效，會(huì)導(dǎo)致水下中繼站及其他采礦系統(tǒng)末端設(shè)備丟失，直接導(dǎo)致整個(gè)采礦系統(tǒng)失效。因此,擺動(dòng)連接裝置及整個(gè)中繼站框架式結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度對(duì)采礦系統(tǒng)避免關(guān)鍵設(shè)備丟失、保證采礦系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)尤為重要。

2.2 初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

針對(duì)研究任務(wù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)水下中繼站內(nèi)部搭載的設(shè)備尺寸參數(shù)及安裝要求、礦石最大臨時(shí)儲(chǔ)存量及整體重心位置等條件的綜合考量，通過設(shè)計(jì)選型計(jì)算及合理的設(shè)備布置方案，得出初步主要參數(shù)如下：水下中繼站最大直徑4.35 m、高度7.6 m、立柱直徑200 mm、主框架選用20號(hào)槽鋼；擺動(dòng)連接裝置最大外徑0.8 m、高0.7 m、銷軸直徑80 mm、允許最大擺動(dòng)角度8°；最大臨時(shí)存儲(chǔ)量6 m3；最大重量(含礦石)30 t。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

3.1 有限元模型

運(yùn)用有限元建模軟件在笛卡爾坐標(biāo)系中建立擺動(dòng)連接裝置及整個(gè)水下中繼站框架的有限元計(jì)算模型，擺動(dòng)連接裝置和框架結(jié)構(gòu)均以solid實(shí)體建立模型。以擺動(dòng)連接裝置上吊耳轉(zhuǎn)軸方向?yàn)閄軸，正方向由軟管泵尾部指向頭部；以擺動(dòng)連接裝置下吊耳轉(zhuǎn)軸方向?yàn)閅軸，正方向由軟管泵指向給料機(jī)；中繼站中心軸為Z軸，正方向由中繼站底部指向頂部。劃分網(wǎng)格，整個(gè)結(jié)構(gòu)的單元總數(shù)27 304個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)57 295個(gè)。劃分網(wǎng)格后單元見圖3。

圖3 中繼站網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

3.2 材料

擺動(dòng)連接裝置材料：船舶及海洋工程用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼AH550，屈服強(qiáng)度550 MPa，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。

外框架材料：低合金鋼Q345B，屈服強(qiáng)度345 MPa，彈性模量210 GPa，泊松比0.3。

3.3 邊界條件和施加載荷

擺動(dòng)連接裝置的頂部硬管截面施加邊界條件，位移和轉(zhuǎn)動(dòng)均為0，擺動(dòng)連接裝置與外框架采用bond連接。施加載荷情況見表1，模型的邊界條件及施加載荷見圖4。

表1 施加載荷情況 N

圖4 中繼站邊界條件和載荷施加

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范并參考CCS《起重設(shè)備規(guī)范》，擺動(dòng)連接裝置參考動(dòng)索結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度安全系數(shù)取4，外框架參考起重機(jī)結(jié)構(gòu)件，強(qiáng)度安全系數(shù)取1.5。擺動(dòng)連接裝置許用應(yīng)力：σs=137.5 MPa，外部框架結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力：σs=230 MPa。根據(jù)計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖顯示，擺動(dòng)連接裝置最大等效應(yīng)力128.7 MPa，最大等效應(yīng)力值點(diǎn)出現(xiàn)在鉸鏈底座的耳板與底面連接處，見圖5。水下中繼站外框架結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力值215.4 MPa，最大等效應(yīng)力值點(diǎn)出現(xiàn)在艙頂槽鋼與鋼管的連接處，見圖6。

圖5 擺動(dòng)連接裝置等效應(yīng)力分布

圖6 水下中繼站整體框架等效應(yīng)力分布

水下中繼站結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布比較均勻，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力值符合許用要求；但是在艙頂主梁、艙頂立柱等連接部位的應(yīng)力值相對(duì)較高。分析原因除了自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致連接部位等效應(yīng)力值偏大外，在進(jìn)行水下中繼站結(jié)構(gòu)整體有限元分析時(shí)，由于連接部位網(wǎng)格質(zhì)量較低，可能引起計(jì)算結(jié)果的誤差，見圖7。而且這些連接區(qū)域沒有肋板等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)參數(shù)、網(wǎng)格質(zhì)量和是否有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)這些因素都是影響部分位置等效應(yīng)力值較大的原因。

圖7 艙頂連接部位網(wǎng)格示意

3.5 加強(qiáng)措施和效果

參考有限元強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)水下中繼站擺動(dòng)連接裝置和外框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，見圖8、9。對(duì)于有限元計(jì)算中等效應(yīng)力較大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部有限元分析，細(xì)化網(wǎng)格；對(duì)等效應(yīng)力集中偏大的結(jié)構(gòu)增加壁厚和調(diào)整型材型號(hào)等調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)措施；并采用添加肋板、加強(qiáng)筋等手段來(lái)減小集中應(yīng)力，使整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更為均勻，提高結(jié)構(gòu)安全性。

圖8 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后擺動(dòng)連接裝置等效應(yīng)力分布

圖9 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后水下中繼站整體框架等效應(yīng)力分布

結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，中繼站各部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力見表2。由表2可見，等效應(yīng)力值比加強(qiáng)前降低，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更為均勻，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)效果明顯。結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后應(yīng)力集中的部位出現(xiàn)在連接處，這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的焊接屬于特殊區(qū)域，焊接必須采用全溶焊，檢測(cè)等級(jí)采用一類等級(jí)[6]。

表2 中繼站結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力對(duì)比

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的新型水下中繼站搭載國(guó)內(nèi)自研設(shè)備，即將在國(guó)內(nèi)深海采礦海試中首次應(yīng)用，能夠在深海采礦系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，該水下中繼站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式在硫化物、金屬結(jié)核等多種礦區(qū)均可適用，更能適應(yīng)未來(lái)深海采礦全球化和深?；陌l(fā)展趨勢(shì)。

2)新型水下中繼站系統(tǒng)在最大載荷工況下的整體強(qiáng)度分析中，等效應(yīng)力分布比較均勻，局部高應(yīng)力集中區(qū)域出現(xiàn)在艙頂結(jié)構(gòu)連接處，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)、添加加強(qiáng)措施等手段對(duì)相關(guān)部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，通過有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了加強(qiáng)后的結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力值降低，應(yīng)力分布更均勻，強(qiáng)度更可靠，結(jié)構(gòu)更加合理。

3)水下中繼站內(nèi)部設(shè)備布置方案滿足設(shè)計(jì)思想，整體強(qiáng)度滿足各項(xiàng)指標(biāo)和要求，能適應(yīng)海況下1 000 m深的工作環(huán)境，可為方案下一步論證提供基礎(chǔ)。后續(xù)工作應(yīng)考慮不同海況中長(zhǎng)期開采的工況下，對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞分析、以及針對(duì)不同海況下水下中繼站布放過程中出現(xiàn)極端外力對(duì)水下中繼站結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響及相應(yīng)的解決措施，從而使水下中繼站的總體方案具有更為廣泛的適用性。