作者：伟德官网 日期：2025-11-16 浏览： 来源：伟德APP下载

深海蕴藏着巨量关键矿产资源，合理开发利用可为我国战略性新兴产业提供强大支撑。长距离管道运输是实现海底矿产资源向水面输送的核心技术路径，但深海极端环境与复杂介质使现有管道系统在输运效率与可靠性方面仍面临明显不足。本文对全球在深海矿产资源输运领域的研究进展进行了梳理，围绕输运管道、混输泵与混输系统三大技术专题，分析了当前面临的主要挑战，并对未来的发展方向与重点研究领域提出若干对策与建议，力求推动多相流输运理论、关键装备设计以及工程验证体系的协同提升。 一、深海矿产资源输运研究的总体认识 - 资源与分布特征：深海具有多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳及深海稀土等资源，含镍、钴、钐等关键元素，对提升产业链自主性与科技竞争力具有重要意义。全球在海底矿产探测与开发方面的合同覆盖广泛，我方在若干矿区具备较为完整的开发基础。 - 输运系统的总体框架：矿源通过采矿车等单元进入输运系统，进入管道后需在粒径、岩屑、海水等因素的耦合作用下形成多相流，外部海况的动态扰动又持续影响系统整体运行的稳定性与安全性。当前广泛认可的管道输运模式包括气力提升和水力提升两类，分别以压缩空气驱动与混输泵实现垂直运输。 - 关键单元与耦合关系：底部给料、中部混输泵、贯穿海底至水面的管道及控制单元共同构成完整体系。由于不同矿种、深度与地形的差异，装备与工艺存在差异化，但从海底到水面的提升与输送仍具有共性需求。 二、深海矿产输运的核心技术挑战 1) 高可靠性输运管道 - 空间构型与姿态控制：管道需在承载运输矿浆、抵御海流与波浪作用的同时，与采集机构和中继舱保持合适的几何关系，降低对矿车的制约，提升整体鲁棒性。 - 内外流动耦合效应：矿浆与海水、沉积物的多相流对管壁的冲击、应力分布及管道振动具有显著影响，需深入研究流场对管道力学响应的影响规律及其稳定性。 - 材料与截面设计：柔性软管在结构复杂性、疲劳、腐蚀与涡激振动方面挑战较大，需在分层材料、界面接触、弯曲刚度与失效预测等方面开展系统性研究，提升制造精度与使用寿命。 2) 高通畅高效率的混输泵技术 - 粗颗粒多相输运的核心难题：长通道中的颗粒聚集、堵塞风险高，泵体通过性与输运浓度需在设计中得到兼顾，需进一步开展泵道几何、介质参数与运行工况的耦合优化。 - 耐磨与可靠性挑战：颗粒对叶轮及导叶的冲击与壁面磨损、以及随之出现的电化学磨损，需要通过材料多层复合、表面强化或主动流场控制等手段来提升耐磨性与使用寿命，同时探索模块化、可更换的关键部件以方便水下维护。 - 模块化与驱动新技术：单级混输泵难以满足高扬程需求，未来需发展多源驱动的模块化泵设计，将电机、叶轮、转子实现紧密耦合，并提升在不同深度和介质条件下的适应性。 3) 绿色智能混输系统 - 环境友好与协同作业：在追求高效的同时，需降低对海洋环境的影响，推行尾水处理、降尘、粉尘控制等措施，优化上游采集与下游输运的协同，推动绿色开采与循环利用。伟德APP - 全链路智能调控：实现对管道形态、螺旋扭矩、振动、泵性能等外部参数和内部压力、流速、浓度等内部参数的实时感知、快速传输与智能决策，形成长距离分布式的监控-诊断-调控闭环，提升安全性与运行经济性。 三、发展方向与研究重点 - 基于矿物-海水多相流的系统设计理论与技术：建立针对粗颗粒固液两相流的分析模型和试验平台，明确高扬程工程泵参数与颗粒通过性之间的关系，建立矿浆多相输运的参数匹配与优化原则，针对管道内径、颗粒体积浓度与产量等因素制定适用方案。 - 防堵塞、抗磨损、可调节的混输泵阀装备：构建完整的管道提升试验体系，揭示粗颗粒在管道中的分布与运动规律、浆体流变特性及水击特征，开发无堵塞与低磨损的模块化混输泵结构，并引进多源驱动、联动控制的集成方案，提升系统在复杂海况下的稳定性与可维护性。 - 绿色智能输运与环境监测：建立生态环境监测与评估体系，研究深海多尺度物理过程对海洋生物多样性的影响，为海上试验与商业化开发提供环境合规性依据。推动输运系统的数字化、传感与多源数据融合，形成智慧运维与自主调控的新范式。 - 标准体系与仿真工具自主化：完善深海矿产输运的流体动力学设计标准，推动跨学科融合与国际对话，发展具有自主知识产权的多相流仿真分析软件，提升我国在 underwater pipe transport 技术指标与标准方面的话语权。 四、对策建议与实施路径 1) 强化基础研究与技术创新，服务国家海洋强国战略，联合高校、科研机构与企业，形成产学研用协同创新链，推动多相输运理论、装备与系统设计的全面突破。 2) 推进全水深工程试验与应用验证，搭建从浅水到深水的试验体系，选取具备产业基础的场景开展技术验证，逐步建立全水深、多相混输系统的试验规范与评价准则，为原位开发与商业化提供支撑。 3) 推动多相流体动力学设计与标准体系建设，强化管道-矿物-环境等耦合研究，确立泵-管道在不同工作状态下的试验方法、性能指标与设计参数。 4) 持续发展多相流仿真分析软件平台，破解技术封锁，推动自主可控的高性能仿真工具落地应用，提升海底矿产资源管道输运的数值评估与设计验证能力。 以上内容围绕实现深海矿产资源管道输运的高效、可靠与绿色开发，提出了从基础理论到单体装备再到整体系统的全面设计与验证路径，旨在推进我国深海矿产资源商业化开采的技术支撑与产业化落地。

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