CC BY
43
Общая и прикладная механика Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 79-81
УДК 531/534, 531.3, 534.1
ДИНАМИКА СИСТЕМЫ ПОДВОДНОГО ВЕРТИКАЛЬНОГО ГИДРОТРАНСПОРТА
© 2011 г. С.Н. Веричев1, А.В. Метрикин2, H. Hendrikse2, R G. van de Ketterij3
Нижегородский филиал Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН 2Delft University of Tehnology (Holland)
3MTI Holland B.V
s_veritchev@front.ru
Поступила в редакцию 16.05.2011
Подводные месторождения морей и океанов богаты залежами серебра, золота, меди, цинка, свинца, газовых гидратов и других полезных ископаемых. Наиболее ценные минералы находятся на больших глубинах, начиная от 1000 метров и более. Таким образом, ведущие оффшорные компании в настоящее время занимаются проектированием систем для освоения глубоководных месторождений полезных ископаемых дна мирового океана. Глубоководная добыча минералов является в целом сложной задачей и, несмотря на ряд относительно успешных научно-исследовательских проектов, она никогда еще не была реализована в коммерческих масштабах. Одна из ключевых проблем проектирования заключается в понимании и предотвращении проблем, связанных с динамикой системы подводного вертикального гидротранспорта (СПВГ), осуществляющей транспортировку шлама (смеси воды и твердой фракции) с морского дна на добычное судно. СПВГ состоит из вертикального погружного трубопровода, через который шлам транспортируется наверх, и некоторого числа погружных грунтонасосных станций, которые создают необходимый профиль давления в трубопроводе. СПВГ подвержена ряду динамических возмущений, таких как движения судна, поток шлама в трубопроводе, подводные течения, а также корректировка положения нижнего конца вертикального трубопровода. Таким образом, для корректного описания динамики СПВГ необходимо рассмотреть математическую модель, учитывающую влияние всех вышеупомянутых механизмов возбуждения, что и является предметом данного исследования.
Ключевые слова: глубоководная добыча, вихревая вибрация, взаимодействие текучая среда-конструкция, гидроперенос, система вертикального переноса.
Истощение континентальных запасов полезных ископаемых вынуждает промышленность рассматривать возможность освоения подводных месторождений, которые, как известно, богаты такими полезными ископаемыми, как цинк, медь, серебро, свинец, марганец, фосфаты, алмазы и др. (рис. 1).
Рис. 1. Типы полезных ископаемых дна мирового океана
Так как цены и спрос на природные ресурсы непрерывно растут, то становится экономически целесообразно разрабатывать глубоководные месторождения. В конце XX века интерес проявлялся к разработкам месторождений железомарганцевых конкреций и кобальтомарганцевых корок, в настоящее же время в свете последних технологических разработок основное внимание уделяется гидротермальным сульфидным рудам, богатым цинком и медью, которые в большинстве случаев могут быть найдены на дне Атлантического и Тихого океанов. Эксплуатация этих месторождений тормозится, в основном, в силу технических сложностей, связанных непосредственно с разработкой и доставкой на поверхность этих полезных ископаемых. В большинстве случаев комплекс для глубоководной добычи полезных ископаемых из трех основных компонентов: донного краулера, осуществляющего разработку и/или сбор материала, системы подводного вертикального гидротранспорта (СПВГ) и добычного судна, одной из функций которого является обогащение руд и отделение хвостов (рис. 2).
Рис. 2. Комплекс для глубоководной добычи полезных ископаемых
В зависимости от особенностей подводного месторождения, а также свойств добываемого материала возможны качественно различные технические реализации СПВГ Один из наиболее перспективных вариантов СПВГ представляет собой вертикальный трубопровод с некоторым числом установленных на нем погружных грунтонасосных станций. В реальных условиях, динамика СПВГ и, как следствие, ее усталостный ресурс существенным образом зависят от следующих источников возмущений:
- колебаний, вызванных течением шлама в трубопроводе;
- колебаний, вызванных вихреобразованием (КВВ), как следствие подводных течений;
- динамических возмущений, вызываемых погружными грунтонасосными (бустерными) станциями;
- динамических возмущений, вызываемых системой позиционирования СПВГ, корректирующей, в частности, положение ее конца;
- гидродинамического сопротивления жидкости, окружающей СПВГ;
- движения судна;
- прямого и непрямого действия поверхностных волн;
- профиля давления в трубопроводе и его временных флуктуаций.
Хорошо известно, что колебания консольно закрепленных трубопроводов со свободным кон -цом, всасывающих жидкость, могут быть неустойчивыми в случае, если скорость прокачки достаточно велика. Наиболее ярким практическим примером таких колебаний являются неустойчивые колебания труб системы охлаждения судна, осуществляющего добычу и сжижение природного газа. В случае СПВГ ситуация усугубляется
большей плотностью прокачиваемой смеси, ее пространственно-временной неоднородностью, существенно большим соотношением длины к радиусу трубопровода, а также наличием погружных грунтонасосных станций, существенно влияющих на два основных параметра, определяющих устойчивость всей системы: натяжение трубопровода и профиль внутреннего давления. Кроме того, флуктуации плотности прокачиваемого шлама, а также концентрации твердой фракции в смеси вызывают соответствующие флуктуации давления, производимого бустерными станциями. В случае достаточно сильных подводных течений имеют также место КВВ. Для снижения КВВ на внешнюю сторону трубопровода обычно устанавливаются спиралевидные ребра. В то же время, присутствие данных гасителей также приводит к существенному увеличению гидродинамического сопротивления. Адекватное моделирование КВВ уже само по себе представляет собой весьма сложную задачу.
С точки зрения моделирования основной трудностью является, безусловно, интегральное описание динамического поведения СПВГ как следствие воздействия всех вышеуказанных источников возмущений (рис. 3).
Источники возмущений СПВГ I
_г
,инамическое нагружение
Движение судна Волны
Бустерные станции Система позиционирования
Статическое нагружение Вес
Гидростатическое давление Гидродинамическое сопротивление
■с
Течение жидкости
I----------
КВВ
Поток шлама
Рис. 3. Схемы зависимости СПВГ от источников возмущений
Интегральное описание является ключевым элементом, так как динамический отклик СПВГ не является просто суперпозицией динамических откликов различного типа. Наоборот, отклик на один источник возмущений может существенно влиять на другой. Например, неоднородный поток шлама ведет к изменению собственных частот системы, тем самым изменяя условия, способствующие возникновению КВВ. Таким образом, для того чтобы разработать надежную СПВГ, совершенно необходимо уметь адекватно моделировать ее динамику
DYNAMICS OF THE SUBSEA VERTICAL HYDRAULIC TRANSPORT SYSTEM S.N. Verichev, A.V. Metrikine, H. Hendrikse, R.G. van de Ketterij
Extractable deposits of silver, gold, copper, zinc, lead, gas hydrates and other valuable materials can be found at the ocean floor. The most valuable minerals are found at large depths, starting from 1000 m and deeper. Therefore, the leading offshore companies are currently designing systems and tools for deep sea mining. The mining at the desired depth of a few kilometers is a great challenge though as it has never been attempted before at the commercial scale. One of the fundamental design challenges lays in the understanding of and preventing from the problems associated with the dynamics of a subsea Vertical Transport System (VTS). The function of the VTS is to transport slurry (a thin mixture of water and finely divided minerals) from the seafloor to the mining support vessel. The VTS consists of a vertically hanging submerged pipe through which the slurry is transported upwards and a number of booster stations which maintain the pressure in the pipe that enables the desired slurry flow. The VTS system is subject to a number of the dynamic excitations such as the vessel motion, the slurry flow in the pipe, the sea current and a propulsion device that is envisaged to control the position of the lower end of the pipe at the desired location. To design a reliable VTS system the effect of all the above-mentioned excitation mechanisms has to be accounted for.
Keywords: deep sea mining, vortex induced vibrations, fluid-structure interaction, hydraulic transport, vertical transport system.
