一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验方法与流程

1.本发明属于海洋采矿装备技术领域，涉及一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验方法。


背景技术：

2.大洋底部蕴藏着丰富的矿产资源，如锰结核、多金属硫化物等，是工业发展必不可少的原材料，随着陆地资源的日益减少，未来世界各国对于海底矿产资源的争夺将更加激烈，进而刺激海洋采矿装备技术的发展。
3.海洋采矿立管系统是海洋矿产资源开发的关键装备之一，在工作中受到水面浮式平台的升沉、摇摆以及海浪、洋流等作用，同时也受到海底集矿车运动、矿浆输送等作业工况的影响，动态响应十分复杂。目前，针对海洋采矿立管系统的研究多限于理论分析或是部分系统的模拟试验，对于整个海洋采矿立管系统研究的理论指导作用有限，还未有一种试验方法能真实地模拟立管系统在不同环境工况、不同作业工况以及各种组合工况下的动态响应。为此，需要研究出一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验方法，能够真实地模拟其动态特性，加深对海洋采矿立管系统的理论分析，降低研究成本，提高系统设计的安全性和可靠性。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验方法，实现真实地模拟海洋采矿立管系统在不同工况下的动态特性，用于验证海洋采矿立管系统设计的可靠性和安全性。
5.本发明所采用的技术方案是，一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验方法，通过模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置进行模拟，模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置包括海底采矿模拟机构、支撑系统、波浪洋流模拟机构、平台管汇、管船连接模拟机构、补偿系统、张紧系统、硬管系统、软管系统、电力控制系统、液压控制系统、数据采集系统及中央控制室；
6.支撑系统包括水池，水池边缘固定有支撑座，支撑座上通过支撑腿设置有支撑平台，支撑平台中央开设有预留开口，所示支撑平台位于水池上方；
7.海底采矿模拟机构包括位于水池底的集矿车；
8.波浪洋流模拟机构包括设置在水池侧壁的电潜泵；
9.平台管汇包括连接在一起的弯管和输送软管，弯管和输送软管位于支撑平台上方；
10.管船连接模拟机构包括座放设置在支撑平台预留开口中的立管夹持器；
11.补偿系统包括依次连接的调整短节管、球接头和伸缩节管，调整短节管由立管夹持器固定，且调整短节管与弯管连接，伸缩节管由内筒和外筒套接组成，内筒和外筒可相对滑动，伸缩节管上设置有锁紧装置，球接头和伸缩节管均位于支撑平台下方；
12.张紧系统包括固定于支撑平台下底面的张紧器，还包括套装在伸缩节管外筒的张力环，张力环通过钢丝绳与张紧器悬吊连接；
13.硬管系统包括依次连接的采矿硬管、提升泵和中继站；
14.软管系统包括采矿软管，中继站与集矿车通过采矿软管连接；
15.中央控制室包括信号传输与数据处理中心和工作站，信号传输与数据处理中心将所有数据汇总到工作站，并根据工作站发出的指令将控制信号传递到与其连接的系统；
16.电力控制系统包括电气控制柜，集矿车、电潜泵、提升泵和中继站分别接入电气控制柜，电气控制柜与信号传输与数据处理中心连接；
17.数据采集系统包括设置在弯管上的流量计、设置在中继站内的液位计、设置在球接头上的角度传感器、设置在采矿硬管上的应变片，上述各部件共同连接有数据采集中心，数据采集中心与信号传输与数据处理中心连接；
18.具体包括以下步骤：
19.步骤1、在水池底部堆积泥沙，将集矿车放置在水池底部，并将集矿车与采矿软管连接；
20.步骤2、将支撑座、支撑腿、支撑平台依次安装在水池上，将张紧器悬挂在支撑平台下方，并将立管夹持器放在支撑平台预留的开口处；
21.步骤3、依次将中继站、采矿硬管、提升泵、伸缩节、球接头和调整短节下入水池，并将立管夹持在立管夹持器上，依次连接弯管、输送软管和采矿软管，检查各连接处密封性，将锁紧装置随伸缩节一同下入安装，并接入液压控制系统；
22.步骤4、将液位计装在中继站内，将应变片贴于采矿硬管表面，将角度传感器安装在球接头上，将流量计安装在弯管上，液位计、应变片、角度传感器和流量计分别接入数据采集中心，再接到工作站；
23.步骤5、将张力环安装在伸缩节外筒上，并用钢丝绳连接，调节张紧器张力；
24.步骤6、将集矿车、中继站、提升泵和电潜泵分别接到电气控制柜，再接到中央控制室，向水池中注水，直到满足试验要求的水面高度；
25.步骤7、在中央控制室内，利用工作站和信号传输与数据处理中心来进行在线监控和远程数据采集；
26.步骤8、分别开启电潜泵、集矿车、中继站和提升泵，模拟海底采矿及矿浆输送；
27.步骤9、开启液压控制系统，控制伸缩节内外筒的锁紧与解锁；
28.步骤10、通过控制或改变模拟试验装置中各单元的部件的启停、工作状态或配置关系，模拟海洋采矿立管系统在不同作业工况、不同环境工况、不同立管配置及各种组合因素作用下的动态响应，记录并分析试验过程中监测的液位、流量、角度及应力应变数据，实现海洋采矿立管系统动态特性的试验模拟。
29.本发明的特点还在于，
30.液压控制系统包括设置在锁紧装置上且与信号传输与数据处理中心连接的监视器，监视器用于监视锁紧装置的开闭状态。
31.锁紧装置通过管线依次连接有双向液压锁、换向阀、减压阀、球阀、液压泵，减压阀和球阀之间设置有压力表，液压泵依次连接有过滤器和液压泵控制器，过滤器连接有油箱，液压泵控制器与信号传输与数据处理中心连接。
32.电潜泵由上至下设置有四个。
33.采矿硬管设置有两节，一节采矿硬管连接在伸缩节管与提升泵之间，另一节采矿硬管连接在提升泵与中继站之间。
34.本发明的有益效果是：
35.本发明一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验方法，能够真实地模拟海洋采矿立管系统在不同作业工况、不同环境工况及不同组合工况下的动态响应过程，通过监测系统实时掌握立管系统的动态变化，如液位、流量、角度及应力应变数据，并根据试验需要进行在线调控，采集立管系统的动态变化数据，研究海洋采矿立管系统动态特性的影响规律。该试验方法为真实海洋采矿立管系统的设计提供理论依据，为海洋采矿立管系统动态特性研究提供有效的技术手段，试验效果稳定可靠。
附图说明
36.图1是本发明一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验方法的结构示意图；
37.图2是本发明一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的局部张紧系统结构示意图；
38.图3是本发明一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验方法的电力控制系统、液压控制系统、数据采集系统及中央控制室结构示意图。
39.图中，1.集矿车，2.电潜泵，3.支撑座，4.支撑腿，5.支撑平台，6.伸缩节，7.采矿硬管，8.应变片，9.提升泵，10.液位计，11.中继站，12.采矿软管，13.水池，14.立管夹持器，15.输送软管，16.弯管，17.流量计，18.调整短节，19.张紧器，20.球接头，21.角度传感器，22.锁紧装置，23.张力环，24.钢丝绳，25.监视器，26.双向液压锁，27.换向阀，28.压力表，29.减压阀，30.球阀，31.液压泵，32.过滤器，33.油箱，34.液压泵控制器，35.信号传输与数据处理中心，36.工作站，37.数据采集中心，38.电气控制柜。
具体实施方式
40.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
41.实施例
42.本实施例提供一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验方法，通过如图1所示的模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置进行模拟，包括海底采矿模拟机构、支撑系统、波浪洋流模拟机构、平台管汇、管船连接模拟机构、补偿系统、张紧系统、硬管系统、软管系统、电力控制系统、液压控制系统、数据采集系统及中央控制室。
43.支撑系统包括水池13，水池13边缘固定有支撑座3，支撑座3上通过支撑腿4设置有支撑平台5，支撑平台5中央开设有预留开口，所示支撑平台5位于水池上方。
44.海底采矿模拟机构，用于模拟在海底采矿并输送矿浆包括位于水池13底的集矿车1。
45.波浪洋流模拟机构用于模拟制造波浪、洋流工况，包括设置在水池13侧壁的电潜泵2，电潜泵2由上至下设置有四个。
46.平台管汇包括连接在一起的弯管16和输送软管15，弯管16和输送软管15位于支撑平台5上方。
47.管船连接模拟机构用于模拟连接立管与船，是立管与支撑平台5的连接纽带，包括
座放设置在支撑平台5预留开口中的立管夹持器14。
48.补偿系统用于模拟抵消船体的升沉、摇摆和偏移对立管的影响，包括依次连接的调整短节管18、球接头20和伸缩节管6，调整短节管18由立管夹持器14固定，且调整短节管18与弯管16连接，伸缩节管6由内筒和外筒套接组成，内筒和外筒可相对滑动，伸缩节管6上设置有锁紧装置22，球接头20可以在一定角度内自由摆动，球接头20和伸缩节管6均位于支撑平台5下方。
49.张紧系统用于支撑和张紧伸缩节管6外筒及外筒以下立管系统，如图2所示，包括固定于支撑平台5下底面的张紧器19，还包括套装在伸缩节管6外筒的张力环23，张力环23通过钢丝绳24与张紧器19悬吊连接。
50.硬管系统包括依次连接的采矿硬管7、提升泵9和中继站11，采矿硬管7设置有两节，一节采矿硬管7连接在伸缩节管6与提升泵9之间，另一节采矿硬管7连接在提升泵9与中继站11之间，提升泵9根据需要设置在一定水深；
51.软管系统包括采矿软管12，中继站11与集矿车1通过采矿软管12连接。
52.软管系统、硬管系统与海底采矿模拟机构用于形成矿浆输送通道。
53.如图3所示，中央控制室包括信号传输与数据处理中心35和工作站36，信号传输与数据处理中心35将所有数据汇总到工作站36，并根据工作站36发出的指令将控制信号传递到与其连接的系统。
54.电力控制系统用于控制集矿车1、电潜泵2、提升泵9和中继站11的工作启停，包括电气控制柜38，集矿车1、电潜泵2、提升泵9和中继站11分别接入电气控制柜38，电气控制柜38与信号传输与数据处理中心35连接。
55.液压控制系统包括设置在锁紧装置22上且与信号传输与数据处理中心35连接的监视器25，监视器25用于监视锁紧装置22的开闭状态，锁紧装置22通过管线依次连接有双向液压锁26、换向阀27、减压阀29、球阀30、液压泵31，所述减压阀29和球阀30之间设置有压力表28，液压泵31依次连接有过滤器32和液压泵控制器34，过滤器32连接有油箱33，液压泵控制器34与信号传输与数据处理中心35连接。
56.数据采集系统包括设置在弯管16上的流量计17、设置在中继站11内的液位计10、设置在球接头20上的角度传感器21、设置在采矿硬管7上的应变片8，上述各部件共同连接有用于数据汇总的数据采集中心37，所述数据采集中心37与信号传输与数据处理中心35连接。
57.具体包括以下步骤：
58.步骤1、在水池(13)底部堆积泥沙，将集矿车(1)放置在水池(13)底部，并将集矿车(1)与采矿软管(12)连接；
59.步骤2、将支撑座(3)、支撑腿(4)、支撑平台(5)依次安装在水池(13)上，将张紧器(19)悬挂在支撑平台(5)下方，并将立管夹持器(14)放在支撑平台(5)预留的开口处；
60.步骤3、依次将中继站(11)、采矿硬管(7)、提升泵(9)、伸缩节(6)、球接头(20)和调整短节(18)下入水池(13)，并将立管夹持在立管夹持器(14)上，依次连接弯管(16)、输送软管(15)和采矿软管(12)，检查各连接处密封性，将锁紧装置(22)随伸缩节(6)一同下入安装，并接入液压控制系统；
61.步骤4、将液位计(10)装在中继站(11)内，将应变片(8)贴于采矿硬管(7)表面，将
角度传感器(21)安装在球接头(20)上，将流量计(17)安装在弯管(16)上，液位计(10)、应变片(8)、角度传感器(21)和流量计(17)分别接入数据采集中心(37)，再接到工作站(36)；
62.步骤5、将张力环(23)安装在伸缩节(6)外筒上，并用钢丝绳(24)连接，调节张紧器(19)张力；
63.步骤6、将集矿车(1)、中继站(11)、提升泵(9)和电潜泵(2)分别接到电气控制柜(38)，再接到中央控制室，向水池(13)中注水，直到满足试验要求的水面高度；
64.步骤7、在中央控制室内，利用工作站(36)和信号传输与数据处理中心(35)来进行在线监控和远程数据采集；
65.步骤8、分别开启电潜泵(2)、集矿车(1)、中继站(11)和提升泵(9)，模拟海底采矿及矿浆输送；
66.步骤9、开启液压控制系统，控制伸缩节(6)内外筒的锁紧与解锁；
67.步骤10、控制电潜泵2的开启顺序、数量和排量，集矿车1采集速度，中继站11的液位和提升泵9的功率，改变采矿硬管7的通径、节数及配置比例，采矿软管12的通径和冗余长度，控制锁紧装置22调节伸缩节6内外筒的开闭状态，调节张紧器19的张力大小，模拟海洋采矿立管系统在不同作业工况、不同环境工况、不同立管配置及各种组合因素作用下的动态响应，记录并分析试验过程中监测的液位、流量、角度及应力应变数据，实现海洋采矿立管系统动态特性的试验模拟。
68.通过上述内容可知，本发明一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验方法实现模拟采矿立管系统运行采矿的过程，分析立管系统在复杂海洋环境作用下的动态特性，有效验证海洋采矿立管系统设计的可靠性和安全性。