揚礦硬管設計

英石礦是深度采礦系統的重要組成部分。其基本投資（造船除外）和生產成本約占采礦系統總投資和生產成本的60%70%。根據國外對揚礦方法進行的廣泛研究和我國“八五”期間對礦漿泵、清水泵、射流泵、空氣泵以及輕介質浮子提升多種揚礦方案的研究結果,最終確定礦漿泵管道提升的揚礦方案。礦漿泵提升揚礦系統由聯接集礦機和中建艙的輸送軟管、軟管輸送泵、中繼礦倉、給料機、5000m提升管道,兩臺串接在提升管道上的多級潛水礦漿泵以及船面上的結核分離和海水排放系統組成。揚礦硬管不僅是把結核從洋底提升至洋面采礦船的通道,而且是采礦系統布放和生產作業過程中設備吊裝的構件,是采礦系統設計的重要內容之一。本文根據我國15年來揚礦技術研究成果,參照石油套管設計方法和API標準,進行了揚礦硬管設計與強度計算方法的探討。鑒于揚礦硬管作業環境和受力狀態復雜,文中介紹的設計計算方法和采用的力學參數肯定會存在缺點和不完善之處,歡迎批評指正。1管道結構強度設計是一個過程附圖所示為大洋多金屬結核開采系統工藝。揚礦硬管下部懸吊著中繼礦倉與輸送軟管相聯,上部吊裝在伸沉補償裝置上與采礦船相聯,伸沉補償裝置座落在萬向支架上。因此,布放與作業過程中揚礦管道與采礦船均為絞接。揚礦硬管設計內容包括揚礦工藝參數和管道結構強度設計兩大組成部分。工藝參數設計的任務是根據系統生產能力,優選合理的參數確保揚礦作業在技術可靠、經濟合理的工況下運行。揚礦工藝參數包括生產能力、礦漿濃度、流量、流速、管徑、水力坡降、提升泵揚程、功率和泵的安裝位置。管道結構強度設計內容包括管壁厚度、不同管段長度、管體強度、聯接方式和接頭強度、內外壓力分布、內外壓抗力、螺紋內壓泄漏抗力以及管體和接頭的疲勞強度等。通過強度設計計算最終提出安全可靠、重量輕的硬管結構系統。設計步驟如下:(1)揚礦工藝參數計算和優化,確定礦漿濃度、流量、流速、管徑、水力坡降和泵的安裝位置。(2)根據API標準選定標準管徑和壁厚。(3)根據布放要求確定每節管的長度。(4)聯接方式和接頭結構設計,確定接頭重量。(5)根據硬管系統設備布置,計算不同斷面管段長度。(6)管體危險斷面強度計算及疲勞強度校核。(7)管體螺紋連接強度計算。(8)管線內外壓力分布及抗內外壓強度計算。(9)螺紋內壓泄漏抗力計算。(10)管接頭結構強度計算及疲勞強度校核。2中試揚礦系統揚礦能力分析揚礦工藝參數設計采用“八五”和“九五”期間所承擔的“水力提升技術”及“揚礦硬管系統工藝與參數研究”得出的天然結核不規則顆粒沉降速度,天然結核顆粒群沉降速度及天然結核揚礦水力坡降三個試驗經驗公式進行計算。漿體流速采用顆粒沉降速度的2.5~3.0倍。表1為中試揚礦系統小時提升能力30t/h干結核,顆粒直徑≤50mm、水下提升高度5000m、水面提升高度35m條件下不同漿體濃度的揚礦參數計算結果。從表中可以看出,隨著漿體濃度的增大,礦漿流量、揚礦管徑和單位能耗下降,系統提升效率和泵的揚程增高,而且在漿體體積濃度大于6%以后泵的揚程偏大,流量偏小,系統提升效率和揚礦單位能耗變化不大。泵的安裝深度按防止吸入端產生氣隙,造成斷流進行計算。3數值計算實例管體結構強度計算按上述步驟進行,計算中考慮了管體和設備的重力載荷及環境載荷。環境載荷包括波浪對管體產生的軸間動載荷及海流、波浪和施航對管體產生的彎矩和扭矩,其數值按船總七○二所“深海采礦中試系統運動學和動力學研究”的結果選取。根據上述載荷計算得出的管體各過渡斷面(危險斷面)的拉應力、彎曲應力和剪應力按第四強度理論求出其合成應力并以三維應力下的管體抗拉強度和不對稱循環交變應力變化規律進行安全系數和疲勞強度驗算。設計安全系數按API標準和中國有社“海上移動平臺入級建造規范”選取。式中:σZn——計算管段斷面重力載荷應力,kPa;H——揚礦總高度,m;Zn——計算斷面水深,m;Apn——計算斷面螺根載面積,m2;ρst,ρsw,ρw——海水、清水密度,t/m3;Gn——計算斷面以下設備重,kN;Lo——每節管長度,m;n——揚礦管段數,n=1~4,順序自下而上。根據米塞斯(VonMises)方程和拉梅(Lame)公式可推導出管體三維應力下的抗拉強度計算式:表2為中試生產條件揚礦硬管設計主要技術指標計算實例,系統作業環境浪高5m,周期10s,洋面海流速度1.7m/s,洋底流速0.15m/s,不考慮伸沉補償,管材采用Q125合金鋼。從表2可以看出,基本達到了各管段等強度設計。4計算斷面、容量本文結合揚礦硬管中試技術設計介紹了硬管系統設計內容、步驟和方法,推導了管體應力和三維抗拉強度計算式進行了作業參數的分析和優化,給出了設計計算實例。為深海開采提供了揚礦硬管設計計算方法。鑒于篇幅限制,內外壓抗力、螺紋內壓泄漏抗力計算省略。設計中部分計算公式采用自“鉆井手冊”和API標準,并根據揚礦硬管結構特征推導出了重力載荷管體斷面應力和三維應力下管體抗拉強度計算公式。各管段斷面重力載荷應力按下式計算:An——計算斷面面積,m2;Li——第I管段長度,m;Jm——平均水力坡降,mH2O/m;Go——每個接頭重,kN;