深海采矿装备布放回收过程中脐带缆动力学响应特性研究

基于时域耦合分析法,建立了母船-深海采矿装备-脐带缆三维非线性水动力学模型,并对布放及回收过程中脐带缆的水动力响应特性进行了数值计算与分析。结果表明,4级海况时,深海采矿装备(水中重10 t)可以在速度0.8 m/s条件下安全布放和回收;在波浪和海流共同作用下,深海采矿装备在布放开始阶段和回收结束阶段都有强烈的振荡和摆幅,可安装防摇止荡装置来降低振荡和摆动。

深海采矿提升硬管受力特性影响因素敏感性分析

管道提升式深海采矿系统已逐渐成为深海采矿的主流系统,其系统中提升硬管流固耦合力学特性的分析成为深海矿产开发的关键问题。以适用于6 000 m水深深海采矿系统的提升硬管为研究对象,建立包括采矿船、提升硬管、提升泵与中继站等的全系统耦合模型,对硬管运动响应进行时域分析,研究不规则波引起的船舶运动以及水动力作用、海流以及浪流耦合作用对于提升硬管力学性能的影响和各影响因素的敏感性分析。结果表明管系受轴向张力为主,采矿船在波浪影响下的大幅运动将增加张力变化范围,改变管系受力特性,是影响管系受力特性最关键的因素。

深海采矿柔性管力学性能及加工工艺研究综述

海洋蕴藏着储量丰富的矿产资源,深海矿产资源开发逐渐成为学术界和工程界的研究热点。管道提升式开采方案是目前公认的最具商业前景的海洋矿产开发方案。矿产输运管道作为连接海底中继舱和海上采矿平台的纽带,需要承受恶劣的风、浪、流环境载荷和复杂作业工况的工作载荷,其设计制造和力学性能分析一直备受关注。相比于刚性管道,柔性管道的弯曲刚度小、便于安装与回收、使用寿命较长。然而,柔性管道的结构复杂,各层之间相互影响,金属柔性管道由于自身结构的限制,在深海采矿行业中难以广泛应用,人们开始把目光放在非金属柔性管的设计与应用上。本文回顾了柔性管的发展历程,总结阐述了柔性管设计及加工制造中的力学性能分析方法和力学特性,并对柔性管设计制造的未来发展提供力所能及的展望。

深海采矿系统模型水池试验方案

深海采矿系统单一模块研究无法准确反应其实际运行特性。搭建深海采矿系统模型水池试验平台,分析深海采矿系统运动力学特性,提出深海采矿系统模型全流程水池试验方案,为深海采矿系统全流程模拟提供技术支撑。

深海采矿船总强度有限元计算方法及结果分析

为了解深海采矿船在位工况时环境载荷作用下的全船结构响应状态,选取合理的装载工况和波浪特征载荷,基于三维势流理论,对波浪载荷响应进行数值分析,确定设计波载荷并进行总强度计算。结果表明,根据《深海采矿设施指南》,以及CCS、ABS、BV的其他相关规范,可以形成一套可供参考的深海采矿船总强度分析的方法及要求;深海采矿船结构设计应重点关注月池及其相连结构、货舱区纵向桁材向舱壁的过渡结构,以及货舱区角隅等结构区域。

深海采矿转场工况平台——水下系统耦合动力响应特性研究

针对水深6.0 km深海采矿装备,研究其转场工况平台—水下系统耦合动力响应特性。建立深海采矿平台—输浆管—中继站一体化耦合动力模型,其中采用有限元方法离散输浆管,采用势流理论计算平台水动力,基于Kalman滤波对动力定位系统进行参数整定,优化动力定位系统推力。考虑动力定位系统,计算水动力和采矿平台—输浆管—中继站的频域响应和平台—水下系统耦合时域运动响应,计算得到了平台时域运动响应、水下系统动力响应及动力定位系统推力响应。结果表明:建立的一体化耦合动力分析模型是可行的,可以有效预报平台及水下系统响应;转场0°浪向动力定位系统可以有效控制平台运动;中继站运动较小,输浆管轴力较大,建议将输浆管的浮力材料移动到流速较小的水下范围,可降低拖曳力,有利于输浆管的强度性能。

基于MPC算法的深海采矿车轨迹跟踪控制

针对深海采矿车在海底行走作业时受到复杂环境影响而偏离预定路径问题,提出基于模型预测控制(MPC)算法的轨迹跟踪控制器。利用深海采矿车运动学模型在Matlab中进行数值仿真分析,利用深海采矿车多体动力学模型开展Matlab-RecurDyn联合仿真分析。仿真结果表明,在直线与曲线工况下轨迹跟踪控制器都有较好的跟踪效果,并且联合仿真比数值仿真的结果更加符合真实环境。

深海采矿水下巡检ROV水动力特性分析

为了高效稳定开采深海矿物资源,需要对深海采矿系统水下作业进行监测、维护。按照实际应用需要,自主研制了一款辅助海底多金属结核开采的水下巡检机器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)。本文基于计算流体动力学方法,研究了ROV在进退和升沉两种主要运动模式下的阻力、表面压强及流场流线特点,同时采用滑移网格方法对螺旋桨仿真,分析了螺旋桨转动对ROV水动力性能的影响。结果表明:ROV在前进和下潜时具有较好的水动力性能,螺旋桨转动对ROV腔体内部流场及尾流区域产生梳流导流作用,减小了ROV负压区及航行阻力,后退和上升时螺旋桨转动则加剧内部流场紊乱,恶化了ROV水动力性能。

深海采矿中不同成分底质对羽流触发的影响

深海采矿时羽流生成的主要原因在于采集过程中集矿车行走及采集对深海沉积物的扰动。沉积物受扰动后产生羽流,所以可以推断沉积物的物理性质可能对羽状流的生成存在影响。目前,通过已知研究发现,沉积物的抗扰动性主要由沉积物的强度所决定,而研究沉积物的强度必须先了解沉积物的结构。由于深海沉积物处在特殊深海高压含盐环境中,沉积物在沉降过程中形成了特殊的絮状连接结构,土颗粒之间产生胶结作用。胶结作用的强弱以胶结力的形式包含在沉积物所具备的黏聚力中,所以可以假定沉积物的胶结作用会影响沉积物的强度,进而影响羽流的触发。然而不同区域深海沉积物含水率及成分均有所差异,无法对沉积物的胶结作用进行定量分析,因此需通过试验探究不同成分底质的胶结作用强弱随底质成分的变化以及不同底质下羽流的触发规律。首先,选取碳酸钙质量分数与含水率作为变量,选取多种不同成分的模拟底质,探究胶结作用随土体成分的变化规律。其次,开展单射流冲击模拟底质模型试验,观测羽流的触发量与土体成分间的关系。研究结果表明:在射流冲击作用下羽流的触发量与冲击底质的胶结作用有关,模拟底质的胶结作用随着含水率的增大而减小,随着底质中碳酸钙质量分数逐渐增大,胶结作用呈现先增大后减小的趋势。研究结果将为集矿车采集过程中控制羽流触发以及水力采集参数优化提供理论依据。

深海采矿系统分离式和组合式布放对比研究

深海大洋中蕴藏着丰富的矿产资源,如果能实现商业化开采将成为解决能源危机的潜在途径。对矿物进行开采的前提是将采矿设备安全、精准地布放在指定地点,目前提出分离式和组合式2种布放方案,但二者优劣还未可知。基于集中质量法分别建立分离式和组合式深海采矿系统布放模型,根据矿物属性设置1500、3000和4500 m水深3种工况,对2种布放方式进行对比研究。结果表明:1)分离式布放能更好地控制采矿设备位移精度,与组合式布放相比,采矿车精度可平均提高9.92%,中继舱可平均提高11.38%,组合式扬矿管底端弯矩明显大于分离式,平均为分离式的3.5倍,若对布放精度要求较高可优先考虑分离式布放;2)分离式布放遭遇复杂海况时软管和布放缆易发生绞缠,最大绞缠力可达20.91 kN,可能引起管线磨损、破断,因此海况较为复杂时可优先考虑组合式布放。

深海采矿羽状流及其监测试验综述

对深海采矿羽状流进行试验监测,是揭示深海采矿羽状流问题科学机理的重要手段之一,也是开展环境友好型深海采矿的必由之路。通过对多金属结核的采集、采集过程中羽状流的产生以及羽状流试验监测的相关研究进行概述。目前采用履带自行式和水力式采集的采矿车、管道提升系统和水面支持船的技术方案组合是最具商业化前景,也是深海采矿科学研究的重点。深海采矿产生的羽状流可以分为海底扰动羽状流和尾矿羽状流,在不同层面上会对海洋环境产生不同程度的影响,但羽状流的产生源头是矿车对海底沉积物的扰动,环境友好型矿车的研发是解决羽状流对环境影响的根本手段。实验室监测和原位监测应并行互补,且在原位监测时要兼顾监测底栖生物的活动,为深海多金属结核采集过程对海洋环境影响的评估提供更全面的参考;同时深海采矿相关活动过程中的原位监测应被广泛重视,这对深海采矿以及未来潜在的海底未来资源开采要求的环境影响评估均具有重要意义。

深海采矿沉积物羽流环境影响研究现状与展望

随着经济和科技的发展,陆地资源日趋匮乏,深海采矿业成为世界各国关注的焦点。然而,海底勘探开采作业会带来一系列环境影响,特别是开采过程产生的沉积物羽流会对深海生态环境产生影响和破坏,开展深海采矿沉积物羽流研究对深海生态环境的保护具有重要意义。本文对国内外深海采矿及沉积物羽流的研究现状进行了综述:(1)沉积物羽流主要产生于深海采矿作业对海底表层沉积物的搅动过程和矿物预处理的尾矿排回海洋的过程,沉积物羽流会携带大量悬浮颗粒物质,对海洋水环境、海底沉积环境和海洋生物生态环境等产生一定的影响;(2)原位观测、室内实验和数值模拟是目前国内外沉积物羽流研究的主要方法,由于其各自的优缺点,综合采用3种方法开展深海采矿区沉积物羽流环境影响评估,探索羽流输运扩张机制和影响控制因素,成为研究的热点方向;(3)当前沉积物羽流在输运机理研究、原位观测时间尺度、环境影响标准阈值等方面仍存在短板,未来需要加强多学科合作,运用多种手段,深入开展沉积物羽流输运机理、模型精细化预测、深海数字孪生系统和物种扰动影响等方面的研究,以期丰富深海勘探开发活动环境影响评价方法,促进深海矿产资源开发与环境保护可持续发展。

CC区深海采矿羽流扩散的数值模拟研究

深海采矿可能带来深海矿区生物栖息地退化或生物多样性丧失等潜在风险,评估和预测深海采矿可能导致的环境影响成为国际社会普遍关注的问题。其中,预测采矿羽流的扩散程度是深海采矿环境影响评价的重要内容。本研究研发了适用于东太平洋克拉里昂-克利珀顿区(CC区)中国大洋协会多金属结核合同区深海模拟需求的高分辨率水动力数值模型,对商业采矿规模情景下的采矿羽流的源强进行了测算,以及开展了羽流扩散的数值模拟研究。结果表明:采矿尾水在大洋协会合同区底层排放,排放深度距底6 m、排放量63 kg/s、连续采矿1个月、采矿面积5.35 km^(2)、平均流速大小约5 cm/s的情景下,再沉积厚度最大值约4.3 mm,再沉积厚度大于1 mm和大于0.1 mm的范围分别为9.4 km^(2)和63 km^(2);在采矿作业结束后有约60%的颗粒物仍悬浮在水体中,然而因为被海水稀释,悬浮物浓度值非常低,均小于0.01 mg/L;沉降速率的敏感性实验表明,沉降速率从0.08 mm/s增加至0.30 mm/s时,再沉积厚度增加,最大值约12.9 mm,再沉积厚度大于1 mm和大于0.1 mm的范围分别为16.5 km^(2)和98 km^(2),水体中的悬浮物也相应减少,采矿作业结束后80%的颗粒物沉降到了海床上。

深海采矿输送软管空间构型及力学性能分析

为了分析深海采矿输送软管在作业过程中的力学特性,基于Abaqus软件建立了不同工况下中继仓-软管-采矿车的力学模型,以研究浮力施加位置及大小、海流流速和输送介质体积分数对软管构型和软管对采矿车作用力的影响。结果表明:浮力施加位置离采矿车较远,软管易拖地,较近时软管易缠绕;浮力施加位置离采矿车越近,浮力越大,软管对采矿车的作用力越大;海流流速越小,软管越易出现构型问题;海流流速会影响软管对采矿车作用力的方向、大小和变化趋势。建议在海流流速0.2 m/s时,选取浮力1500 N、浮力施加位置距离中继仓12 m,此时,软管对采矿车的最大水平和垂向拉力分别为941 N和1258 N。

国际社会深海采矿反对之声的演变、根源与应对

伴随深海采矿业迈入关键阶段,各方围绕深海采矿的立场分歧也愈发凸显,形成开发促进派、环保至上派、开发观望派与开发霸权派等不同立场。深海采矿反对之声历经初现、扩散阶段后,开始在国际海底管理局中扩大影响力。因受生态环境认知不足、自身利益分化以及地缘政治意识等因素影响,环保至上派对深海开发持消极态度,呼吁预防性暂停、暂停或禁止深海采矿,并在国际海底管理局内阻扰深海开发议题的推进,影响深海资源开采相关法律法规的有序出台,加剧国际海底战略博弈。国际社会应增进深海科学领域合作研究,发展绿色采矿技术,提升发展中国家参与国际海底事务的能力,促进“深海采矿规章”谈判工作,并构建深海采矿伙伴关系,维护和平稳定、利益共享的国际海底秩序。中国作为深海采矿的支持者,应不断提升深海开发能力,增强在国际海底管理局中的影响力,成为国际海底事务的引领者与贡献者。

国际海底管理局开发规章草案制定中深海采矿相关条款浅析

大洋多金属结核是区域内最具开发前景的矿物资源,由国际海底管理局对其勘探和开发有关活动进行管理。目前正值多金属结核资源从勘探到开发的转型阶段,开发规章草案正在紧锣密鼓地修订。针对草案所涉及的“利益攸关方协商、沿海国权利与义务、水下文化遗产保护、环境影响评价范围和步骤、试采、关闭计划、有效控制、检查机制”等条款的背景和案文修订情况进行解读。2023年7月10日至21日,国际海底管理局第28届理事会第二期会议在牙买加金斯顿举行,会议继续聚焦开发规章的协商和修订工作,理事会还就“两年期规则”和“开发规章制定路线图”达成了一致并通过了决议草案。虽然目前在开发规章草案的修订过程中各方对诸多条款及相关问题还存在一些争议,但如果可以证实深海采矿对深海生态系统的影响有限,同时充分考虑到其开发对全球能源经济格局的影响,这种深海矿物资源的开发便可为全人类造福。

向海图强 探索深海采矿中国方案——记全国工人先锋号中国船舶科学研究中心上海分部深海采矿装备研制班组

中国船舶科学研究中心上海分部深海采矿装备研制班组,2021年荣获中国科学院科技创新先锋团队称号,2023年荣获中国科学院“科苑名匠”团队称号。2021年研制出具有自主知识产权的高速磁浮牵引与控制系统,成功牵引国产时速600公里高速磁浮列车。2022年成功研制出世界首个电磁推进的地面超高速试验设施——“电磁橇”。2024年被授予全国工人先锋号。

深海采矿的国际治理动向

什么是深海采矿?深海采矿通常是指在国际海底区域开采矿产资源的活动。国际海底区域是指大陆架以外的海床及底土,该区域蕴藏着丰富的矿产资源,对于解决人类面临的资源紧张问题具有至关重要的作用。国际海底区域的矿物资源主要有三类,即多金属结核、多金属硫化物与富钴铁锰结壳。其中,多金属结核分布在大洋底部水深4000米-6000米的海底表层,含有锰、镍.

深海采矿水下输送系统提升硬管选型及水动力校核研究

为了研究深海采矿水下输送系统提升硬管选型设计的可靠性,以输送指标为设计输入,通过水动力学进行校核,根据多金属结核沉降速度确定提升硬管选用外径244.48 mm的P110钢级抗疲劳螺纹连接套管(壁厚20.24 mm),水池拖曳试验结果表明提升电泵上端硬管阻力系数为1.4,提升电泵下端硬管阻力系数为1.3。对水下输送系统按作业工况和布放工况分别进行水动力学计算,在海试作业环境下提升硬管安全系数满足API RP 2RD规范要求。在深海多金属结核采矿试验工程海上验收试验中,提升硬管满足各项输送指标要求,各接口间连接可靠,验证了提升硬管选型设计的合理性。

复杂工况下深海采矿混输泵有限元分析

采用流固耦合及有限元方法对布放和混输等复杂工况下3级深海采矿混输泵进行强度计算,分析了泵内流场分布、转子部件应力应变及临界转速,并进行了500 m级深海采矿混输系统海上试验.结果表明:设计流量下,混输泵的计算扬程为124.30 m,相对误差为0.27%;布放工况时,混输泵最大变形仅为0.36500 mm,最大应力为73.971 MPa;混输工况时,泵最大变形为0.31500 mm,最大应力为58.860 MPa;转子部件前3阶模态仅沿泵轴方向变形,并未发生扭曲,而后3阶模态呈“S”形扭曲变形;转子部件1阶固有频率对应临界转速为2476 r/min;海试布放过程中混输泵安全可靠,混输工况下泵稳定运行时长超过57 h,实现了2次24 h连续无故障运行,且矿石颗粒体积浓度达到11.7%.