深海采矿举升硬管力学分析与集矿机设计

深海采矿举升硬管力学分析与集矿机设计

随着全球陆地资源的日趋紧张、世界经济和现代科技的飞速发展,开发海洋矿产资源成为世界各国发展的战略目标。随着各国对深海采矿技术研究加深,研究关键聚焦在如何高效、节能的采集输送矿石,

矿石输送的核心部件举升管道受到复杂的海况载荷影响,容易产生共振、疲劳、冲蚀等各种失效,需要对其力学特性进行分析,为减小共振、缓解疲劳、减小冲蚀提供理论基础;同时为提高矿石采集效率,有必要对海底集矿机进行优化设计。针对现有采矿举升方案和集矿机技术的不足,本文广泛调研国内外深海采矿举升系统和集矿机研究现状后,

采用全硬管阶梯式管柱水力举升方式,提高了举升效率、降低了管柱在波浪洋流下的振幅、减小了管柱所受轴向应力;深海采矿集矿机则选用复合双喷式结核获取方式,此方式既能克服纯机械式结构复杂,

可靠性不高的缺点,又能避免纯水力式引起的流场作用受限于集矿机离地高度,提高了矿石采集效率、扩大了集矿机应用范围。本文具体研究内容如下:(1)本文广泛调研国内外深海采矿系统研究现状,确定了全硬管深海采矿系统研究方向,并建立了举升硬管力学模型,对举

升硬管模型进行求解,得到不同管柱结构形式轴向振动、应力规律和不同海浪周期下阶梯举升硬管纵向振动、应力规律,为减小举升硬管振幅及轴向应力、避免共振导致管柱寿命缩短提供了理论基础。(2)运用相似理论,对采矿船拖拽管线情况进行模拟,求解出扬矿管线上

下端连接处弯矩变化曲线,确定集矿机的采矿范围为以采矿船为中心,半径133m～430m的环形区域。(3)对硬管和软管受管内矿浆冲蚀规律

进行分析,发现软管在深海中呈弯曲状,冲蚀程度远大于硬管,验证了采用全硬管结构的合理性;对不同矿石体积浓度、矿浆速度和结核粒径情况下硬管冲蚀情况进行分析,得到不同因素对冲蚀性能的影响规律。(4)在对国内外集矿机现状详细调研的基础上,经过优选确定了复合双喷式采矿方式,对水力采矿可行性进行了验证,对关键部件——

集矿头、破碎模块进行详细设计,集矿头喷嘴采用射流性能优越,能量损失小的圆锥收敛型喷嘴。破碎模块采用螺旋布置的双齿辊破碎方式,将块状物料进行多次破碎,提高了破碎效率、改善了破碎效果。对集矿机周围流场进行分析,为集矿机在海底的矿石采集和自身运移提供了理论基础。