碳纖維復(fù)合材料復(fù)合管在深海采礦中的應(yīng)用

0揚(yáng)礦管及輸送管的安裝

深度勘探硬管道開采系統(tǒng)由三部分組成：開采船只、采礦車輛和水流輸送系統(tǒng)。如圖1所

示。其中輸送系統(tǒng)由揚(yáng)礦硬管、長約300m的軟管、中繼倉和多臺(tái)輸送泵組成。

系統(tǒng)的工作原理為:采礦車在海底采集結(jié)核，結(jié)核在采礦車內(nèi)清洗和破碎后,經(jīng)軟管輸送到

中繼倉，然后通過安裝于硬管上的多臺(tái)礦漿泵輸送到采礦船上。

在海洋環(huán)境中，揚(yáng)礦管在自重、泵組和中繼倉重力等載荷的耦合作用下，軸向受力很大。

JohnL.Shaw指出，使用N80無縫鋼管作為揚(yáng)礦管,無論其橫械面如何，當(dāng)長度超過3000m,

管都會(huì)被拉斷,N80鋼是制造石油套管的常用材料,難以用普通無縫鋼管替代。鋼管的密度

大，自重占軸向力很大比例，因此需要研制出密度較小、抗拉強(qiáng)度高的輸送管。此外，該系

統(tǒng)采用多臺(tái)礦漿泵對(duì)礦石與海水的混合流體進(jìn)行接力輸送,輸送泵容易磨損破壞，使用壽命

短,需要經(jīng)常維修和更換。

1復(fù)合材料制造輸送管結(jié)構(gòu)

碳纖維的比重為1.5?2.Cg/cm3,約為鋼比重的1/4,其抗拉強(qiáng)度是鋼材的2倍,模量是鋼材

的7倍。橡膠具有很強(qiáng)的彈性和良好的抗拉和耐磨性,其密度為900kg/m3o

根據(jù)混合定理,復(fù)合材料密度Pc為：

Pc=PfVf+PmVm

式中：Pf為纖維的密度；Pm為基體的密度;Vf為纖維欣體積率，一般取60%~70%;Vrn為基

體的體積率。

因此，采用密度為1800kg/m3的碳纖維與橡膠復(fù)合，可以得到一種密度介于1440?

1530kg/m3且強(qiáng)度和耐磨性能都很好的輸送管。

深海采礦系統(tǒng)要求輸送管道具有很好的軸向強(qiáng)度并能承受較大的徑向壓力。本文提出使用

復(fù)合材料制造輸送管，一種是以碳纖維/樹脂作為套管材料,橡膠作為襯管材料的復(fù)合/層合

硬管,結(jié)構(gòu)如圖2所示;另一種是在軸向和徑向都有碳纖維加強(qiáng)材料的橡膠軟管,參考國際

深海石油輸送軟管的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

包:合/層合硬管的襯管是由橡膠制成,具有很好的抗磨性能,碳纖維套管提供很高的軸向抗

拉和徑向抗壓強(qiáng)度。橡膠軟管管壁采用碳纖維加強(qiáng),其構(gòu)成層的作用如下。

1內(nèi)部粘合劑層

內(nèi)膠層由具有抗磨性能較好的橡膠制成，具有固定管道形狀和抗磨損的功能。

2方向的擴(kuò)展

徑向加強(qiáng)層由纏繞方向相反的兩層單向碳纖維布構(gòu)成,纏繞方向與管道軸線幾乎成90°,起

抵抗管外壓力的作用。

3橡膠層

此層是由橡膠組成,主要起固定管道形狀的作用。

41軸向上的涂層

軸向加強(qiáng)層同樣由纏繞方句相反的兩層單向碳纖維布構(gòu)成,纏繞方向與管道軸線成50°?

60°,起抵抗軸向拉力的作用。

5管的軸向力及碳纖維承擔(dān)

外膠層由橡膠制成,起抵抗磨損和腐蝕的作用。

橡膠軟管徑向加強(qiáng)層的碳纖維體積約占碳纖維總體積的30%o管的軸向力由軸向加強(qiáng)層的

碳纖維，以及徑向加強(qiáng)層的部分碳纖維承擔(dān)。常用碳纖維的抗拉強(qiáng)度為3500MPa左右,高強(qiáng)

度碳纖維的抗拉強(qiáng)度達(dá)到4500?6000MPa,甚至更高，因此,若使用高強(qiáng)度碳纖維,橡膠軟管

的強(qiáng)度可達(dá)3600?3825MFa。

2海洋波浪和水流的動(dòng)力特性

揚(yáng)礦管在海水中受到海水液動(dòng)力、泵組、中繼倉重力、自重以及采礦船拖航等載荷的耦合

作用，一方面揚(yáng)礦管軸向受力很大,容易拉斷；另一方面揚(yáng)礦管的卜端產(chǎn)生偏移，偏移過大會(huì)

影響系統(tǒng)的正常工作。因此,須對(duì)碳纖維夏合管進(jìn)行受力分析，以檢測其軸向力不至于過大,

以及縱向偏移不超過軟管長度。

使用有限單元分析軟件ANSYS中能夠模擬海洋波浪和水流的單軸單元pipe59,對(duì)深海

5000m的兩種揚(yáng)礦管在采礦作業(yè)工況下，即浪高為4m,周期為10s,海流速度分別為:海面為

海底為0.Im/s,進(jìn)行有限元分析（具體過程見文獻(xiàn)）。其中一根管為目前研究較多和

使用的硬管,因其橫截面隨長度成階梯狀變化,故稱為階梯硬管,其尺寸參數(shù)如表1所示。

另?根管是管壁用碳纖維加強(qiáng)的橡膠軟管,為等截面直管,取其內(nèi)徑與階梯硬管相同,壁厚

為15mm。

對(duì)上述兩種揚(yáng)礦管,在船靜止和船以0.5m/s等速逆海流方向拖航兩種情況下，分析它們的

受力和變形,有限元分析結(jié)果見表2。

由表2分析可知,碳纖維加強(qiáng)軟管的最大軸向力約為階梯硬管的1/4o當(dāng)船靜止時(shí),在波流

等的作用下，碳纖維加強(qiáng)軟管的最大彎矩和底端縱向偏移都比階梯硬管的??；當(dāng)船以0.5m/s

等速逆海流方向拖航時(shí),在波流和船拖航作用下，碳纖維加強(qiáng)軟管的最大彎矩為階梯硬管的

1.3倍,底端縱向偏移雖比階梯硬管的大很多，但仍小于軟管的長度,不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工

作。因此,使用管壁用碳纖維加強(qiáng)的軟管替代硬管作為揚(yáng)礦管是可行的。

3新的高效電子服務(wù)系統(tǒng)由儲(chǔ)料罐和水泵組組成

3.1采礦車輸送

采用高速多級(jí)高壓水泵首先對(duì)海水加壓,然后通過儲(chǔ)料罐將礦石摻入高壓水中進(jìn)行輸送,理

論上能將礦石直接從5000m的海底輸送到海面。

圖4所示是儲(chǔ)料罐與水泵組合的水力輸送設(shè)備原理圖，工作原理為:海水在水泵的作用下，

從水泵的入口處吸入,通過輸送管道輸送到海面。采礦車工作時(shí),打開閥3和閥6,關(guān)閉其他

閥門，礦石顆粒經(jīng)閥3和閥6流入儲(chǔ)料罐內(nèi)；待儲(chǔ)料罐1裝滿礦石后,關(guān)閉閥3,同時(shí)打開閥

1和閥2,儲(chǔ)料罐1內(nèi)的礦石顆粒在重力作用下進(jìn)入輸送管道,與管道內(nèi)的海水混合形成混

合流體,輸送到采礦船上。當(dāng)儲(chǔ)料罐1內(nèi)的礦石輸送完畢,儲(chǔ)料罐2裝滿礦石后,關(guān)閉閥1、

閥2和閥6,同時(shí)打開閥3、閥4和閥5,儲(chǔ)料罐2內(nèi)的礦石顆粒在重力作用下進(jìn)入輸送管道,

與管道內(nèi)的海水混合形成混合流體輸送到采礦船上。輸送完儲(chǔ)料罐2里的礦石后,重新開

始輸送儲(chǔ)料罐1里的礦石,如此循環(huán),不斷地將采礦車采集的礦石輸送到采礦船上。

高速多級(jí)高壓水泵的揚(yáng)程高且重量輕，由于礦石不經(jīng)過水泵，能保證輸送設(shè)備長期可靠工作。

調(diào)節(jié)閥2和調(diào)節(jié)閥3的開口度可控制礦石的輸送濃度，確保輸送系統(tǒng)處于最優(yōu)工作狀態(tài)。

3.2儲(chǔ)料罐的選擇

新型水力輸送系統(tǒng)原埋如務(wù)5所示。將儲(chǔ)料罐和水泵組合的水力輸送設(shè)備與碳纖維復(fù)合管

結(jié)合,得到一種新型水力輸送設(shè)備，如圖5a所示。水力輸送系統(tǒng)如圖5b所示。輸送系統(tǒng)采

用單個(gè)儲(chǔ)料罐,如果輸送系統(tǒng)要連續(xù)工作,則需采用雙儲(chǔ)料罐。

上述儲(chǔ)料罐與水泵組合的新型水力輸送系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

1）揚(yáng)礦管采用碳纖維復(fù)合管,密度小、抗拉強(qiáng)度高，可明顯減少揚(yáng)礦管的軸向力,提高承載

能力。復(fù)合管的內(nèi)層由抗套性能較好的材料構(gòu)成,可減少揚(yáng)礦管的磨損,延長壽命。

2）礦石顆粒在輸送中沒有經(jīng)過水泵,避免水泵過流部件與礦石磨損,可保證輸送設(shè)備長期安

全工作。

3）輸送系統(tǒng)采用高速多級(jí)高壓水泵，重量輕，并且通過,臺(tái)水泵就能將礦石輸送到采礦船上,

避免了采用多臺(tái)水泵接力輸送，使輸送系統(tǒng)得到簡化。

4傳輸系統(tǒng)參數(shù)的分析和計(jì)算

4.1流體臨界流速

輸送管道的內(nèi)徑是重要的參數(shù),當(dāng)輸送系統(tǒng)的混合流體流量Qm確定后,管道內(nèi)徑Di與管內(nèi)

混合流體的流速vm之間的關(guān)系為：

Di=V4Qmnvm(l)Di=4Qm五vm------J(1)

為了保證輸送系統(tǒng)正常工作，垂直輸送管內(nèi)的流體速度必須大于礦石顆粒在靜水中的沉降

速度。礦石顆粒的沉降速度vt可采用牛頓-雷廷格公式計(jì)算為：

vt二甲V83dsg(Ps-P1PI)(2)vt=^83dsg(Ps-P1P1)--------------V(2)

式中:ds為礦石顆粒的直徑；P1為海水密度；Ps為礦石的密度；中為球形系數(shù),一般取

中=0.8?0.9;g為重力加速度。

由固/液兩相流理論中的Govier理論可知，當(dāng)最小水流運(yùn)度大于固體顆粒沉降速度的兩倍

時(shí),流體中固體顆粒隨流體一起運(yùn)動(dòng)?？紤]到一些不穩(wěn)定因素的影響，為確保管道不被阻塞,

一般取混合流體的流速vfr為沉降速度的3~5倍。

輸送管道在工作過程中有可能出現(xiàn)水平狀態(tài),流體的速度必須大于某一臨界速度,礦石顆粒

才不會(huì)沉淀而阻塞管道。對(duì)■于顆粒較粗的礦石，臨界流速vk計(jì)算公式為：

vk=8.33VDiJpm-plps-

PIE(中ifi)(3)vk=8.3Di—V3pm-p1ps-P1Z---------------------J(3)

式中：Pm為混合流體密度;fi為一定尺寸的固體顆粒所占的比例，當(dāng)顆粒較為均勻時(shí)取

1；中i為與固體顆粒大小有關(guān)的系數(shù)。

當(dāng)輸送系統(tǒng)的混合流體流速vm確定后，必須采用式(3)進(jìn)行校核，即vm應(yīng)大于vk,保證輸送

系統(tǒng)正常工作。

4.2按水泵揚(yáng)程h的計(jì)算

根據(jù)流體的能量方程、連續(xù)方程和動(dòng)量方程可得管內(nèi)兩相流的伯努利(Bernoulli)方程為：

P1Pnig+amlv2ml2g+Z1=P2Pmg+am2v2m22g+Z2+Ahm(4)PlPmg+Qmlv2ml2g+Zl=P2P

mg+am2v2m22g+Z2+Ahm(4)

式中:Pl和P2分別為管道截面1與截面2上的壓力;vml和vm2分別為截面1與截面2上

混合流體的平均速度;Z1和Z2分別為械面1與截面2到海面的高度；Ahm為截面1到截面

2的距離內(nèi)混合流體的能量損失；?ml和am2分別為截面1和截面2上動(dòng)能修正系數(shù)。

當(dāng)修正系數(shù)ami(i=l,2)取1時(shí),對(duì)系統(tǒng)分析影響不大，可得水泵揚(yáng)程II的計(jì)算公式為:

H=P0APwg+PmhPw-

P1hPw+pmv2m2gPw+APmPwg(5)H=POAPwg+pmhPA-P1hPW+Pmv2m2gPw+APmpwg

(5)

式中：POA為揚(yáng)礦管上端出口壓力；Pw為純水密度；△Pm為輸送管道的壓力損失;h為公泵

進(jìn)水口到海面的高度。

對(duì)「直徑巾30mm左右的礦石顆粒,采用Englcmann理論來預(yù)測輸送系統(tǒng)的壓力損失APm,計(jì)

算式為：

APm(L)=L[(l-

Cv)P1Xlv212Di+CvpsXSv2s2Di](6)APm(L)=L[(l-€v)P1Xlv212Di+CvpsXSv2s2Di]

(6)

式中:L為管段長度；為海水與管道的阻力系數(shù)；As為礦石顆粒與管道的阻力系數(shù)Cv

為流體的礦石體積濃度;vl為海水流速;vs為礦石顆粒流速。

當(dāng)?shù)V石顆粒進(jìn)入管內(nèi)后，由于其直徑小且輸送濃度低,礦石顆粒的流速接近海水的流速,因

此利用上式計(jì)算壓力損失時(shí)可假設(shè)vl和vs相等。

Englemann研究管道兩相流體的摩擦阻力系數(shù),得到Xs/X1經(jīng)驗(yàn)公式為：

XsX1=48.9(dsDi)2.1(vlgDi)-L6(m,sm;1)0.7(PSP1)2.0(7)

式中:m's為管內(nèi)礦石顆粒的重量流速,m'S=QSPS,QS為礦石流量;m'1為管內(nèi)海水的重

量流速1=Q1P1,Q1為海水流量。

假設(shè)海水的密度和雷諾數(shù)與淡水的相同，則海水與管道內(nèi)壁的阻力系數(shù)入1可由尼古拉茲

公式計(jì)算為：

Xl=l[1.74+21g(Di/2A)]2(8)

式中：△為管道內(nèi)壁的粗糙度。

根據(jù)水泵的揚(yáng)程H和系統(tǒng)混合流體流量Qm,可以求得水泵的軸功率N為：

N=HQpwglOOOu(kW)(9)

式中：P為水泵的效率,口=0.8?