作者：伟德官网 日期：2025-11-21 浏览： 来源：伟德APP下载

聚焦深海矿产资源输运系统的硬件结构，其核心单元包括底部给料系统、中部的混输泵与注气装置，以及贯穿海底与海面的长管道及其控制单元。矿物经给料设备进入输运通道后，在管道内不同粒径的矿粒、沉积物和海水混合，形成复杂的多尺度多相流。同时，外部环境因素如风浪流持续作用于系统，使管道、混输泵及整体输运体系的可靠性成为关键。

1.1 采矿管道输运技术

深海矿物在管道中的粒径通常较大，需在漫长输运距离中克服温度差、高压、腐蚀及恶劣海况等影响，追求更高的提升能力、更高的提升效率以及更安全稳定的传输。管道的空间构型与姿态安全是关键，输运管道可分为刚性硬管与柔性软管。工作过程中，管道承受多种载荷包括重力、浮力、海水阻力与压力、海流及内流等，需维持空间结构的平衡。轴向拉力、曲率分布、浮力位置与采矿车运动等因素对管道的力学响应均有影响。国内外研究多从管道受力与上下游耦合出发，涉及柔性软管的空间构型动力学、以及用于预测与优化的改进理论。管道内部流动对管壁的作用力会随内外流共同作用而改变管道的应力-应变与构型，影响输运性能。粗颗粒-海水两相输运、动态响应、输运参数与管壁应力的关系是研究重点。结论显示，外部环境荷载诱发的涡激振动对管道的整体力学行为有显著影响，且对沿管体振动强度影响较大，但不一定改变主振模态。

管道材料与截面结构方面，刚性硬管结构相对简单，柔性软管需要更复杂的多层材料与截面设计，以承受粒子冲击、外部水动力冲击、腐蚀磨损与涡激振动等挑战。尽管现有分析可给出层间接触压力、临界曲率、弯曲刚度及失效预测等参数，成品制造精度与寿命仍待提升。

1.2 采矿混输泵技术

为降低不确定性，需在大规模投资前对提升系统的工艺参数与核心装备进行深入研究与大量测试。混输工艺涉及矿粒粒径分布、矿浆浓度、输运流量与速度、管道输运损失与水力坡度等，通常矿浆体积浓度需控制在一定范围内。主体泵型分为离心式与容积式。离心式在效率方面具优势，但通过性和最大输送浓度受限；容积式理论上可输送更高固相浓度，但磨损与可靠性挑战更大。多相输运过程中，泵内壁面磨损、转子系统故障及紧急工况下的流动保障是关键难题伟德APP。为提升抗磨性，可采用多层复合材料或主动流场控制来减小壁面冲击与磨损。未来需建立颗粒-壁面及颗粒-颗粒之间的碰撞-反弹模型，制定磨损量化指标，推动无轴多级驱动模块化混输泵设计，实现结构可靠性与颗粒通过性的统一。为满足高扬程需求，单级混输泵往往难以胜任，需发展多级结构并考虑模块化电机型式，以适应不同水深与介质条件，并将叶轮与驱动单元实现更紧密耦合，提升整体性能与可靠性。

1.3 输运系统工程试验

输运系统复杂且耦合度高，单体可靠性验证之外还需评估系统各单元的兼容性以及原位环境对系统的实际影响。因此，原位海试与全系统工程试验对验证能力至关重要。全球范围的海上试验展现出深海采矿输运技术的演进与应用前景，推动了从单机试验到系统联合海试的逐步落地。通过海试可以检验矿浆输送、泵管耦合、管道姿态控制及系统协同运行等关键环节的绩效，为后续商业化开发提供实证依据。

2 面临的挑战

深海长距离矿产资源输运管道系统极为复杂，需在确保安全、稳定与高效的前提下，兼顾环境保护与经济性。系统包含管道（硬管与软管）、混输泵、阀门、给料单元及中继舱等，海洋风浪、内波及温度、盐度等因素对设备运行影响显著。内部流场的尾流与涡旋演化、外部荷载作用下的管壁力学响应、以及颗粒在管道中的运动规律和能量损失等均直接决定系统的性能与寿命。

2.1 高可靠性输运管道技术挑战

管道的空间构型与姿态安全至关重要，必须在潮汐、海流及扬沉等条件下保持稳定的载荷分布并降低对采集装置的约束。需开展不同构型与振动边界条件下的输运特性研究，评估内外流对管道载荷的耦合影响，以及管道流固耦合的动力响应，为深海输运管道的空间布局与结构优化提供技术支撑。

涡激振动是常见的外部荷载造成的疲劳源，海流引起的涡脱落与振动会加速管道疲劳损伤。当前涡激抑制技术尚不完善，需建立非线性涡激振动模型，提出有效的抑制策略与技术路线。

管道内部粗颗粒对管壁的冲击、外部海流冲击及盐度高氧化环境带来的磨损与腐蚀，都会显著降低管道寿命。国内在耐磨耐压材料与层结构方面仍有较大差距，需要发展高强度耐磨材料、轻量化复合增强层及低成本制备工艺，同时探索抗蠕变纤维材料等新型材料体系。

2.2 高通畅高效混输泵技术挑战

大颗粒多相混输需要在复杂工况下实现无堵塞运行。多级增压流道导致结构冗长，粗颗粒易在入口处聚集，造成堵塞与故障风险增加。需要综合考虑介质特性、运行工况与流道几何参数，开展多学科协同的流道优化设计，建立反映内流特性与过流能力的加权模型，明确各参数对性能的影响权重，改进泵的设计以提升无堵塞能力。

颗粒在泵内外壁面造成的磨损与电化学反应耦合，常导致关键部件磨损过快，替换困难。提升抗磨损需要从材料、结构与流场控制综合入手，探索多层复合材料、主动流场控制等方案，建立颗粒-壁面与颗粒-颗粒之间的相互作用模型，并制定磨损量化指标，从而延长部件寿命。

单级混输泵难以同时满足高扬程与高通过性需求，需开发模块化设计、跨水深与介质适应性强的驱动方案。可参考先进无轴驱动与叶轮-驱动单元一体化耦合的理念，发展新型模块化结构，以提升可靠性与适应性。

2.3 绿色智能混输系统总体技术挑战

系统需在追求高效的同时实现绿色低碳目标。应加强环境保护研究，优化尾水排放与颗粒回收策略，提升泵管系统的密封性，降低泄漏风险，并推动与上游采集的协同筛选，形成“怎么采、采哪些、运哪些”的科学决策流程。应开展原位环境影响试验与多方位监测，建立绿色矿业的评价与验证体系。

在系统层面，安全不仅来自单机设计，更来自全局的智能调控能力。需建立实时感知、快速数据传输、智能算法与分布式控制的闭环体系，掌握管道外部动力学与内部多相输运的综合状态，确保长距离管道的安全与高效运行。

3 发展方向及研究重点

- 基于矿物-海水多相流的输运设计理论与技术：建立固液两相模型与试验平台，研究粗粒子在泵内的运动轨迹、分布与通过时间，明确高扬程与粗粒粒径的匹配原则，优化整体输运参数以实现高效稳定的运行。

- 防堵塞抗磨损可调混输泵阀装备：建立固液两相管道提升试验系统，分析粗粒子在管道中的分布特征、流变行为与水击特征，推动无轴多级驱动的模块化泵设计，提升系统的整体可靠性，并开展多装备协同控制。

- 环保与经济性的智能输运调节模式：建立生态环境监测与评估体系，研究深海生态过程在多尺度物理过程下的响应与变化，推动绿色开采试验与应用。结合数字化建模、智能传感与多源数据融合，构建智能调控体系，实现安全高效的海上运维。

对策建议

- 强化复杂多相介质长距离输运的基础研究，推动顶层规划与技术创新，整合高校、科研机构与企业资源，打造产学研用协同的创新链，推动设计理论与关键装备的突破。

- 推动全水深工程试验与应用，建立长距离海底输运技术的试验链，结合实际场景开展技术验证与迭代，逐步实现工程化应用，并完善从设备设计到运维的全流程技术体系。

- 构建多相流体动力学标准体系与设计指标，促进跨学科融合，制定泵管耦合下的试验、评估与参数标准，提升国际话语权与技术自主性。

- 推进多相流仿真软件的自主研发，建立拥有自主知识产权的高精度仿真工具，破除对外技术依赖，支撑水动力设计與优化，提升国产化水平与国际竞争力。

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