一种用于深海采矿的柔性软管布放回收系统的计算分析

余倩，陈丹东1，杨高胜，谢梦琪，李文豪

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2.武汉船舶设计研究院有限公司，武汉 430064)

“深海多金属结核采矿试验工程”隶属于国家十三五国家重点研发计划，研制一套3 500 m的深海采矿试验系统并完成不小于1 000 m水深的海上整体联动试验。

柔性软管的布放回收是水面支持(布放回收)系统中难度较大、作业流程较为复杂、人工干预较多的一环。深海采矿试验工程中由于软管长度较大，软管材质特殊，软管与采矿车、水下中继站对接操作不便等，将严重影响布放回收作业的效率、可靠性和安全性。

目前国内外深海采矿工程都基本处在探索和验证阶段，尚无现成工程案例可参考。油气领域软管布放回收的技术模型和相关工程装备可为深海采矿工程提供借鉴[1-2]，深海采矿与油气开采作业工况差异性较大，不能照搬用于深海采矿中。主要差异体现在：①油气领域软管长达数千米，布放回收时必须使用软管张紧器保持软管的恒张力状态，而深海采矿试验工程中软管长度为400 m，无需张紧器保持恒张力；②油气领域的软管卷车多为横卧式，出管方向和位置始终保持一致，而深海采矿试验工程中的软管卷车为立式，出管方向和范围大，不利于保持软管的弯曲半径；③油气领域的软管无需连接采矿车，而深海采矿试验工程中的软管必须与采矿车连接安装，布放回收时需考虑作业空间和与尾部的距离。本文提出适用于深海采矿试验工程的柔性软管布放回收作业模式，并对该方案进行力学状态的分析和校核，验证系统的可行性。

1 柔性软管布放回收模式的分析

通过对月池、船艉和舷侧三种主要布放回收模式的对比和分析，收集国内外相关工程领域的技术信息和成熟经验[3-4]，并结合深海采矿试验工程的实际需求和作业流程进行全面考虑。

1)月池布放回收。柔性软管从月池布放主要有以下两大弊端：①月池周围布置的系统设备和辅助装置既多且复杂，尤其是中继站转运的月池台车会沿着月池周围的轨道来回行走，柔性软管布放回收系统与其发生多处干涉；②月池上方安装有大型底座，其覆盖面积大大超过月池尺寸，即使借助船用吊机也很难将吊臂伸入底座下，这无疑给柔性软管布放回收系统的吊运和安装造成了很大困难。

柔性软管从月池布放主要优点：可以充分借助月池台车和底座下的电动葫芦等辅助设备，方便浮力块的吊运和绑扎、柔性软管的夹持、与中继站的对接安装。

2)船艉布放回收。柔性软管从船艉布放主要有以下弊端：①船艉甲板面布置有两台大型采矿车(一用一备)，且安装有采矿车布放回收系统的大型门架、起升绞车、控制室等，占用了艉部甲板的绝大部分面积，柔性软管布放回收系统缺乏在船艉甲板安装的空间位置；②采矿车与柔性软管同时从船艉布放，海面以下的海流情况复杂，采矿车钢丝绳和柔性软管的真实形态难以控制，采矿车钢丝绳容易与柔性软管发生扭曲缠绕，存在安全隐患；③在海流作用下柔性软管有可能缠绕在螺旋桨上[5]，风险无法预计。

柔性软管从船艉布放主要优点：方便柔性软管与采矿车的对接，可以借助船尾辅助吊机保持柔性软管的弯曲半径始终大于额定值。

3)舷侧布放回收。柔性软管从舷侧布放主要弊端：柔性软管从舷侧布放回收可能与船舶动力定位系统距离太近，但在布放回收过程中动力定位系统处于关闭状态，因此对安全作业的影响程度大大降低[6]。

柔性软管从舷侧布放主要优点：①甲板面布置空间相对较大，可与其他子系统在物理和空间上完全分开，不会互相影响或干涉；②布放回收过程中，柔性软管不会与采矿车钢丝绳相互缠绕，也不会与螺旋桨发生缠绕；③可充分借助船用吊机完成系统设备的吊运和安装，也方便浮力块与柔性软管的绑扎。

基于安全性、可靠性、工作流程衔接、作业效率等多方面的考虑，选择柔性软管舷侧布放回收的模式，具体的布放回收位置应尽量远离船舶动力定位系统，减小动力定位系统对柔性软管形态的影响。

2 系统组成

柔性软管布放回收系统由布放回收平台、限位辊轮、导向机构、回转吊机等组成。见图1。

图1 软管布放回收系统的总体三维模型

作业平台，用于在舷侧提供限位辊轮、浮力块绑扎、导向机构安装、回转吊机的安装和运行平台，使柔性软管限位、浮力块转运、浮力块绑扎、软管下水布放等程序集中完成。

限位辊轮，主要用于控制柔性软管布放或回收的方向及角度，避免柔性软管因风浪流的作用偏离既定轨迹而发生崩起或弹出，由多个辊轮及框架结构组成，既能起到限制柔性软管状态的作用，又能给柔性软管留有足够的布放回收空间。

导向机构，主要用于软管牵引、导向至舷侧外上。导向机构由滑槽和底部支撑架组成，滑槽的扇形结构的半径大于柔性软管的最小弯曲半径，防止软管弯折损坏，弧板半径大于浮力块的半径。

回转吊机，将浮力块从储存区吊运至舷侧，便于操作工人完成浮力块与软管的绑扎，回转吊机额定负载为20 kN，回转半径为3 m。

3 系统结构强度计算

软管布放回收系统中平台和导向机构受力情况较为复杂，其结构承载能力是否能满足使用要求，需进行模拟仿真计算后确定。以solidworks三维模拟软件建立软管布放回收系统的三维仿真模型，再将平台和导向机构的模型分别提取出来，导入ANSYS Workbench中进行有限元计算，并得出强度计算结果，作为软管布放回收系统设计的依据。

3.1 材料

主结构材料：低合金钢Q345B,

弹性模量E=210 GPa,

泊松比μ=0.3。

板单元许用等效应力取σ=0.75,σS=258.75 MPa；

板单元许用剪切应力取σ=0.41,σS=141.45 MPa。

3.2 有限元模型

在笛卡尔坐标系中建立平台、导向机构的有限元计算模型。平台和导向机构均以solid实体建立模型。以船长方向为X轴，正方向由船艉指向船艏；船宽方向为Y轴，正方向由右舷指向左舷；船体型深方向为Z轴，正方向由基线指向甲板。

平台模型包含平台平面、支柱、横向、纵向和竖向支撑等，划分网格，单元总数为23 304个，节点45 925个。该平台三维有限元计算模型见图2，划分网格后单元见图3。

图2 平台有限元计算模型

导向机构包含滑槽、基座、纵横支撑等结构，划分网格，共有单元17 897个，节点36 275个，该导向轮三维有限元计算模型见图4，网格划分见图5。

图4 导向机构有限元计算模型

3.3 边界条件和施加载荷

平台、导向机构的边界条件及施加载荷情况见表1和表2，模型边界条件及载荷见图6、7。

图6 平台边界条件和载荷施加

图7 导向机构边界条件和载荷施加

3.4 计算结果与分析

3.4.1 平台

由图8可见，平台在表1和表2的边界条件及载荷作用下，最大应力为127.14 MPa，最大相当线弹性应变为7×10-4mm，最大剪切应力为44.8 MPa，最大相当应力产生在平台平面的导向轮底部处及支柱和支撑结构上。其最大相当应力、最大剪切应力及应变等均满足要求。

表1 边界条件

3.4.2 导向机构的计算结果与分析

由图9可见，导向机构在表1和表2的边界条件及载荷作用下，最大相当应力为48.75 MPa，最大相当线弹性应变为3×10-4mm，最大剪切应力8.53 MPa，最大相当应力产生在滑槽垂向弧板及其支撑结构上。其最大相当应力、最大剪切应力及应变等均满足要求。

表2 施加载荷情况

图8 平台的计算结果及应力云图

图9 导向机构的计算结果及应力云图

4 结论

1)通过对柔性软管布放回收模式的分析和论证，月池旁或船艉布放回收均存在较大安全隐患，而舷侧布放回收相对来说作业风险小，作业面积大，因此舷侧布放回收的作业模式较优。

2)通过对柔性软管布放回收系统的作业平台和导向机构的计算与分析，其结构强度满足要求，可实现柔性软管的布放与回收。

3)深海采矿试验工程中，除了论证柔性软管布放回收模式和分析其是否能实现布放回收功能外，后续还应梳理和深入研究布放回收作业流程，充分利用船舶甲板上的辅助设施设备，提出对人工操作要求。