海底矿产资源开发技术经济评价模型研究

海底矿产资源技术经济评价研究是当前我国国际海底资源开发工作中必不可少的重要内容。本文针对海底矿产资源及其开发利用技术现状,基于折现现金流量法,建立了适合我国的海底矿产资源开发技术经济评价模型。并利用该评价模型针对具体项目进行了实例评价分析,结果表明海底矿产资源开发项目具有投资大、收益高、高回报率的特点。进一步的敏感性分析表明:对经济效益影响最大的因素依次为矿石产量、矿石品位和金属价格。

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。

从市场、技术和制度看国际海底矿产资源的商业开采时机

探讨了国际海底矿产资源商业开采的影响因素,分析了深海矿产资源中主要金属镍、钴、铜的近中期供需趋势、深海采矿技术和装备的发展现状、国际海底采矿制度制定面临的难题,在此基础上,对国际海底矿产资源商业开采时机进行了预判,并提出我国应积极应对的建议。

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。

深海多金属结核集矿装置水力输送流场分析与试验

对深海多金属结核集矿装置水力输送流场进行了理论计算,得到了多金属结核粒径与输送通道最小输送速度的关系;仿真分析了喷嘴射流速度分别为15、20、25 m/s时输送通道内水流流态分布,给出了流道下表面30 mm处的流速。在实验室进行了输送喷嘴不同射流速度的采集试验,实验结果与理论计算及仿真分析结果相符。

深海采矿中继站底部Y形管流动状态研究

针对深海采矿泵管输送试验系统中Y形管内流场复杂和矿石泄露风险等问题,采用CFD-DEM方法,对不同速度、不同体积浓度和不同粒径的矿石颗粒进行数值模拟计算,分析了Y形管内颗粒群的运动特性和流场分布规律。结果表明,Y形管内流场分布受弯管曲率和Y形管入口流量分配影响;颗粒群在弯管内贴壁流动,受到上升流作用后颗粒向上偏移;当上升流流速不足、颗粒体积浓度高及颗粒粒径较大时,会造成颗粒沿着底部管道流失,随着上升流速减小、颗粒体积浓度增大及颗粒粒径增大,颗粒通过底部管道流失不断增大;颗粒流的存在导致Y形管内低压漩涡区强度和尺度均减弱。

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。

深海采矿立管在波流载荷下的弯矩响应分析

采矿立管是深海采矿系统的重要组成部分,立管的弯矩分析是确保立管正常使用的重要指标。立管所处海洋环境复杂,且立管底部的自由边界条件使得立管弯矩特性难以分析。本文基于波浪理论,使用Abaqus有限元软件建立海洋采矿立管的模型,运用Abaqus中的AQUA海洋工程模块,考虑立管在轴向力、自重、浮力、波浪载荷、海流载荷及模拟海上平台水平和升沉运动共同作用下,对采矿立管进行弯矩分析,计算了提升泵不同安装位置、不同中继仓重量变化对弯矩的影响,结果表明:提升泵会增大安装位置的弯矩幅度,且安装在不同位置对立管弯矩会产生叠加影响;中继仓重量的增加提高了立管整体稳定性,但会使提升泵处弯矩波动产生向中部延伸的不利影响。

深海粗颗粒矿石浮游速度的试验研究

以单颗粒沉降运动为研究基础,采用高速摄影技术对锰结核、富钴结壳、多金属硫化物及模拟结核粗颗粒矿石进行了浮游速度试验研究,得到了粗颗粒矿石单颗粒和群体颗粒浮游速度计算公式,计算结果与试验实测数据吻合较好,对垂直管道水力输送系统参数设计和正常运行有一定参考价值。

深海采矿锰结核泵的试验研究

锰结核泵是深海采矿扬矿系统中的关键设备,为了研究泵结核矿浆工作性能,在实验室构建了一套高30 m、内径204 mm,可提供最大管网阻力2.5 MPa的泵矿浆性能试验系统,采用不同模拟结核粒径进行了泵矿浆工作特性试验。试验结果表明,锰结核泵基本上达到了预期设计指标,分析了模拟结核粒径d≤50 mm矿浆回流试验泵流道堵塞的原因,初步讨论了锰结核泵的环形格栅通道和泵流道问题,可作为我国中试多级锰结核泵的设计依据。

粗颗粒水下管道输送系统振动的实验研究

浸没于水中的粗颗粒管道输送系统,由于受到泵、内部两相流及外部流体三者的耦合激励,管道系统振动将对管道输送参数和安全稳定性产生严重影响。为了深入分析水下管道输送系统工作时振动的特性,设计了一套振动测试,对管道系统振动进行了测试,获取管道在不同工况下的时域波形,通过快速傅里叶变换对振动信号进行频谱分析。试验结果表明:随着输送体积浓度增加,X与Y方向的最大振动幅度随着体积浓度增大而增大,但是Z方向的最大振动幅度则是随着体积浓度增加而降低;同一输送浓度情况下,Y方向振动幅度最大,X方向次之,Z方向最小;随着输送浓度提高,流体紊流引起的管道振动加剧。这些结论将为深海采矿管道支撑结构设计和减振提供参考。

深海底质土-金属界面间黏附特性试验研究

基于取样于太平洋C-C矿区(Clarion-Clipperton Zone)的深海底质土,采用美国INSTRON公司生产的5943型万能材料试验机,选用4种常用的海洋金属,自制金属模具,开展黏附特性试验,研究孔隙比、法向压力和加载速度等因素对深海底质土与金属界面间黏附特性的影响规律。并基于平行圆盘分离力的计算公式,建立了深海底质土-金属界面表层土黏附指数的计算公式。研究结果表明:随着土样孔隙比的增加,黏附力呈增加的趋势,增速先快后慢,最终趋于平缓。随着法向压力的增加,深海底质土与金属界面间的表层土黏附指数呈指数函数增加趋势。随着加载速度的增加,深海底质土与金属界面间的表层土黏附指数反而呈逐渐减小的趋势。4种金属中,铝合金5052和钛合金STi80对深海底质土表层土的黏附能力较弱。该研究结果为我国深海采矿系统的安全运行提供一定的理论依据。

深海矿产矿浆泵矿石颗粒回流性能

针对深海采矿矿浆泵回流较差的问题,本文使用计算流体力学-离散元方法(CFD-DEM)方法,计算球形颗粒在某型矿浆泵单级和两级叶轮导叶内的回流,混合粒径颗粒回流以及非球形颗粒的回流情况。颗粒群在单级叶轮导叶回流时,由于不同导叶叶片与叶轮叶片之间的相对位置差异,不同导叶流道内颗粒群的回流情况不同;颗粒群的回流情况与叶轮导叶的形状有关,高比转速小包角叶片的设计更有利于颗粒回流。颗粒群在两级叶轮导叶内回流时,次级叶轮导叶内颗粒流动情况与单级基本相同,但首级不同导叶流道内的颗粒分布既受到首级叶轮导叶叶片相对位置的影响,还与首级导叶叶片和次级叶轮叶片的相对位置有关。混合粒径颗粒群的回流能力要弱于单一粒径,不同粒径颗粒在不同级叶轮导叶内通过时间也有所差异。相对于球形颗粒,非球形颗粒回流性能要差很多,增大了可回流矿浆泵的设计难度。

海底多金属硫化物采掘机构滚筒切削特性研究

为提高采掘机构滚筒的工作性能,采用离散单元法对不同工况下滚筒的切削过程进行了数值模拟。采用单因素分析法和正交试验法分析了切削厚度、转速、牵引速度对切削阻力、产能及比能耗的影响,以滚筒的切削阻力和比能耗为评价指标,利用矩阵分析法获得了最佳的滚筒工作参数。结果表明,随着切削厚度增加,切削阻力和产能均增大,比能耗减小;随着转速增加,切削阻力和产能均减小,比能耗增大;随着牵引速度增加,切削阻力、产能均增大,比能耗减小。滚筒最佳工作参数为:切削厚度50 mm、转速100 r/min、牵引速度0.06 m/s。

水下铰刀作业流场特性仿真研究

基于固液两相流计算理论,在考虑碰撞效应的基础上,采用VOF模型建立流体力学模型,仿真分析了不同工况下铰刀作业情况。结果表明,铰刀在45°倾角下工作时效果较好,扰动范围为68.32%;随着铰刀转速增大,铰刀上方水域受扰动程度逐渐增加,流域受扰动范围呈现逐渐增大后又减小的趋势。铰刀工作参数为倾角45°、转速45 r/min和横移速度0.2 m/s时,有利于降低铰刀作业对水域的扰动,能够在一定程度上减少对水域的二次污染。

基于AMEsim的多金属结核扬矿泵管紧急排料机构超长液压油管参数设计

针对深海多金属结核扬矿泵管系统海上试验时可能存在的紧急排料需求,开展了海上试验系统紧急排料机构液压系统理论计算,并在AMEsim中进行了仿真试验,结果表明,AMEsim仿真软件对于该系统的可信度系数为0.86。基于AMEsim构建了500 m海上试验执行机构液压系统模型,仿真分析结果表明,液压系统中油管管径为16 mm,设定压力应不低于10.47 MPa,执行机构动作时间为6 s。研究结果可为紧急排料机构的设计提供依据。

稀软底质表面深海采矿作业车触底特性分析

为分析深海采矿作业车在稀软底质表面行走时自身沉陷以及与底质的法向粘附力的触底特性,通过室内小型底板代替作业车底部触底部件,开展了作业车触底沉陷特性以及法向粘附特性试验。结果表明,压陷量随接地比压增大而增大;长宽比较大的底板压陷量明显大于长宽比较小的底板。粘附力与底板面积呈现较好的线性关系,相关系数R2=0.94,回归直线的斜率为894.56 N/m2。

深海粗颗粒矿石垂直管道水力提升技术

全面论述了近30年来国内外深海采矿垂直管道水力提升技术的发展和研究现状,对十几个国家深海采矿垂直管道水力提升系统进行了描述和分析,重点介绍了我国深海采矿垂直管道水力提升技术的研究成果。从管道输送安全角度考虑,论述了垂直管道堵塞的关键问题和解决措施,可为我国深海多金属结核、富钴结壳和热液硫化物等金属矿产资源垂直管道水力提升技术的研究提供参考。

锰结核泵工作对扬矿管道振动影响的研究

为探讨锰结核泵工作对扬矿管道的振动影响,在实验室建立了扬矿管道振动试验系统,进行了扭转和弯曲振动分析,测试了管道振动特性。研究结果表明,泵运行过程中,管道系统作为一动力系统,不仅产生静态力,而且诱发管道振动,动载荷远高于静载荷(振幅放大系数M=6.75)。试验得出的频率峰值随泵转速变化与理论分析基本一致。

垂直提升管道中粗颗粒滑移速度试验研究

为了研究粗颗粒在深海采矿管道系统中的滑移速度,采用粒子图像测速法对粒径为10 mm,30 mm,50 mm的锰结核、富钴结壳、多金属硫化物和模拟结核颗粒在垂直提升管道中的滑移速度进行了研究。试验结果表明,粗颗粒矿石在提升管道中的滑移速度随颗粒形状系数、颗粒粒径和颗粒密度增加而增加,随水流速度增加而减小。得到了粗颗粒矿石滑移速度计算公式,计算结果与试验实测数据吻合较好,对提升管道水力输送系统机理研究有一定参考价值。