深海采矿扬矿管几何非线性静力分析

徐海良，周刚，吴万荣，吴波

(中南大学 机电工程学院 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙，410083)

大洋蕴藏着丰富的矿产资源，陆地资源的日益贫乏使人类将目光转向海底资源[1−3]。世界主要发达国家在20世纪初就开始对5 000 m深海采矿技术进行研究和开发[4]。经过理论和实验研究，普遍认为通过管道将矿石输送到海面采矿船上的水力输送方法最具工业应用前景[5−6]。根据国内外研究和试验情况，我国多金属结核开采采用自行式集矿机加水力管道输送系统[7]。采矿系统扬矿管一般采用高强度钢管，用螺纹连接。管道在自重、泵组和中继仓等重力的作用下，扬矿管承受很大的轴向载荷，同时受到波浪、海流和采矿船的拖航等动载荷的作用，加剧了管道的轴向负荷。Shaw[8]通过研究后认为，由于扬矿管的轴向载荷很大，无论采用何种截面的N80扬矿钢管，当长度超过3 000 m后，管道都会被拉断。针对扬矿管轴向力过大的情况，各国学者对扬矿管结构和连接方式进行了研究，通常把扬矿管设计成自上而下递减的阶梯钢管。凌胜等[9]采用伽辽金(Galerkin)方法对带有集中质量的阶梯式扬矿管的横向偏移进行建模，发现刚性连接的扬矿系统承受很大的弯曲应力，连接部位容易出现应力集中、应力腐蚀，影响管道系统的强度。阶梯钢管采用管接头通过螺纹连接，管接头作为阶梯管的重要部位，如果某一接头处受到破坏，将直接影响到整个采矿系统的作业安全[10]。为此，本文作者提出了一种低密度，高强度的碳纤维复合管应用于深海采矿系统，并结合深海采矿矿石输送管道的受力特点，对碳纤维复合管和阶梯扬矿管进行几何非线性静力分析。……