CN102410023A - 一种深海充气浮体球 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深海充气浮体球，浮体球壳(1)为薄壁球型结构，采用低密度、高强度的钛合金Ti80或铝合金制作，并根据浮体球所处工作海洋深度的要求，在球壳(1)内冲入相对应压力的氦气以增强抵抗球壳外部深海压力。充气阀座(3)为圆柱结构，通过焊接等方式安装于浮体球壳(1)上，在充气阀座(3)内设有通气道，通气道内设有密封圈(2)安装阀孔，在充气阀座(3)侧面设有可与高压气源相连接的螺纹，在充气阀座上端设有内螺纹用于安装压紧螺钉(4)。压紧螺钉(4)安装于充气阀座(3)上端，其顶端为圆锥结构，起到阀芯的作用。本发明浮体球，性能指标高，超过了我国对深海采矿提出的浮体性能要求。

Description

一种深海充气浮体球
技术领域
本发明涉及深海采矿设备所使用的一种浮体球，特别涉及到深海采矿设备所使用的一种在球体内充高压气体的浮体球。
技术背景
经勘探查明，大洋是丰富的矿产资源基地。世界主要发达国家在20世纪初就开始对深海采矿技术进行研究和开发。普遍认为首先采用采矿车将海底矿石采集，然后采用水力输送方法，通过管道将矿石输送到海面采矿船上的采矿方法，最具工业应用前景。根据矿石输送管道和输送设备的不同，可分为硬管采矿系统和软管采矿系统。
硬管采矿系统由海面采矿船5、海底采矿车11和矿石输送系统组成，矿石输送系统由一根接近海深长度的硬管7、300m左右的软管10、浮体材料8、中继仓9和多台矿浆泵6组成。硬管采矿系统的工作原理如下：首先采用矿浆泵将采矿车采集的矿石输送到矿石中继仓内，然后通过安装于硬管7上的多台矿浆泵6将矿石从中继仓9接力输送到海面采矿船5上，其原理如图3(a)所示。软管采矿系统由海面采矿船(浮动平台12)、海底采矿车11和矿石输送系统组成，其矿石输送系统与硬管采矿系统不同，由一根比海深长的软管10、浮体材料8和安装于采矿车上的矿石输送设备组成，其原理如图3(b)所示。
从上述两种深海采矿系统的工作原理可知，在矿石输送软管上都安装了浮体材料，其目的在于改变软管的空间形状和改善采矿车对海底的作用力，起到了保障深海采矿系统正常工作的关键作用。
深海采矿用浮体长期浸泡在深海中，要求其具备耐压、耐腐蚀能力强，且密度要小、吸水性要小。我国对深海采矿的浮体性能提出了具体要求，其主要技术指标如下：
1、工作深度2060m：密度0.35～0.41g/cm3，抗压强度19MPa，弹性模量15130kg/cm2，破坏深度3089m，吸水率在试验深度24小时内小于3％。
2、工作深度3570m：密度0.417～0.481g/cm3，抗压强度33MPa，弹性模量17500kg/cm2，破坏深度4270m，吸水率在试验深度24小时内小于3％。
3、工作深度7000m：密度0.47～0.54g/cm3，抗压强度66.8MPa，弹性模量36560kg/cm2，环境温度：-20℃～45℃(空气中)，-2℃～32℃(在海水中)。
密度和抗压强度是浮体的两个主要性能指标，密度越小，同等体积浮体提供的浮力越大；抗压强度越高，下潜深度就越深。为了满足深海采矿系统的要求，国内、外对深海浮体都进行了深入的研究。其加工方法有两种，一种为为采用低密度、高强度的材料直接加工出的空心球；另一种为利用材料合成的方法加工出低密度、高强度固体浮力材料，例如采用高强度环树脂作为基材，填充空心玻璃微珠合成加工而成浮力材料。
美、日、俄等国家从60年代末开始研制高强度固体浮体材料，以用于大洋深海海底的开发事业，现在已经采用上述两种方法都解决了深海低密度、高强度固体浮力材料的技术难题。由于球是承受外部均匀压力最理想的结构，通常把浮体加工成球体。
美国海军应用科学实验室、美国洛克希德导弹空间公司和美国Flotec公司采用上述两种方法，已经研制出如下性能的浮体。
1、密度为0.35g/cm3时，抗压强度为5.5MPa。
2、密度0.35g/cm3，抗压强度5.6MPa，可潜水深540m；
3、密度为0.45～0.48g/cm3，抗压强度25MPa，可潜水深2430m。
4、密度为0.55～0.60g/cm3，抗压强度65MPa，可潜水深6000m。
从上述美国研制的深海浮体性能可知，我国对深海采矿的浮体性能要求高于美国已将研制出的浮体性能，由此可见，我国深海采矿浮体材料的研制难度很大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能承受深海高压工作环境，并能最大限度地提供浮力的一种深海充气浮体球。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：其包括浮体球壳、密封圈、充气阀座和压紧螺钉，所述浮体球壳为薄壁球型结构，浮体球壳采用低密度、高强度的钛合金Ti80(Ti2-6Al-2Zr-1Mo-3Nb)或者铝合金(AL-3.4Cu-3.2Li-1.1Mg-0.6Mn)制作，并根据浮体球所处工作海洋深度的要求，在球壳内冲入相对应压力的氦气以增强抵抗球壳外部深海压力。
所述充气阀座为圆柱结构，通过焊接等方式安装于浮体球壳上，在充气阀座内设有通气道，通气道内设有密封圈安装阀孔，在充气阀座侧面设有可与高压气源相连接的螺纹，在充气阀座上端设有内螺纹用于安装压紧螺钉。
所述压紧螺钉安装于充气阀座上端，其顶端为圆锥结构，起到阀芯的作用，当拧开压紧螺钉，压紧螺钉与密封圈处于分开状态时，通气道畅通，可将高压其它通入浮体球内；当浮体球内气体达到额定气压时，拧紧压紧螺钉切断通气道，实现对浮体球的充气。
所述密封圈安装于阀孔内，当压紧螺钉紧压密封圈时，起到切断通气道的作用。
深海充气浮体球具有如下特点：
1.材料为钛合金Ti80(Ti2-6Al-2Zr-1Mo-3Nb)，壁厚4.5mm，直径SΦ＝500mm的浮体球，内充8Mp氮气，工作深度可达深海2060m。
2.材料为铝合金Ti80(AL-3.Cu-3.2Li-1.1Mg-0.6Mn)，壁厚8.5mm，直径SΦ＝500mm的浮体球，内充8Mp氮气，工作深度可达深海3570m。
3.材料为钛合金Ti80(Ti2-6Al-2Zr-1Mo-3Nb)，壁厚8.5mm，直径SΦ＝500mm的浮体球，内充16Mp氮气，工作深度可达深海7000m。
附图说明
图1为深海充气浮体球结构示意图；
图2为充气阀结构示意图；
图3(a)为深海硬管采矿系统整体结构示意图；(b)为深海软管采矿系统整体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
图3(a)为深海硬管采矿系统整体结构示意图，图2为深海软管采矿系统整体结构示意图，两种结构的深海采矿系统都采用了浮体材料8，其目的在于改变软管10的空间形状和改善采矿车11对海底的作用力，浮体材料8是深海采矿不可缺少的设备。
参照图1、图2，本实施例包括其包括浮体球壳1、密封圈2、充气阀座3和压紧螺钉4，所述浮体球壳1为薄壁球型结构，浮体球壳1采用低密度、高强度的钛合金Ti80(Ti2-6Al-2Zr-1Mo-3Nb)或者铝合金(AL-3.4Cu-3.2Li-1.1Mg-0.6Mn)制作，并根据浮体球所处工作海洋深度的要求，在浮体球壳1内冲入相对应压力的氦气以增强抵抗浮体球壳1外部深海压力。所述充气阀座3为圆柱结构，通过焊接等方式安装于浮体球壳1上，在充气阀座3内设有通气道，通气道内设有密封圈2的安装阀孔，在充气阀座3侧面设有可与高压气源相连接的螺纹，在充气阀座3上端设有内螺纹用于安装压紧螺钉4。
采用上述结构本实施例设计有三种用于不同海深工作的充气浮体球。
本第一实施例采用钛合金Ti80(Ti2-6Al-2Zr-1Mo-3Nb)制作直径SΦ＝500mm的球体，壁厚为4.5mm，内充8Mpa氦气，其性能指标为：密度0.218g/cm3，抗压强度21Mpa，工作深度可达海深2060m。
本第二实施例采用铝合金(AL-3.4Cu-3.2Li-1.1Mg-0.6Mn)制作直径SΦ＝500mm的球体，壁厚为8.5mm，内充8Mpa氦气，其性能指标为：密度0.263g/cm3，抗压强度36MPa，工作深度可达海深3570m。
本第三实施例采用钛合金Ti80(Ti2-6Al-2Zr-1Mo-3Nb)制作直径SΦ＝500mm的球体，壁厚为8.5mm，内充16Mpa氦气，其性能指标为：密度0.433g/cm3，抗压强度71MPa，工作深度可达海深7000m。
由上述三个可知，采用低密度、高强度的钛合金Ti80(Ti2-6Al-2Zr-1Mo-3Nb)或者铝合金(AL-3.4Cu-3.2Li-1.1Mg-0.6Mn)制作的空心球壳1，在球内充入合适压强的高压氦气方法，可以制作出高性能的浮体球，其性能指标超过我国对深海采矿的浮体性能提出了具体要求。

Claims (3)

1.一种深海浮充气体球，其包括浮体球壳(1)、密封圈(2)、充气阀座(3)和压紧螺钉(4)。其特征在于，所述浮体球壳(1)为薄壁球型结构，浮体球壳(1)采用低密度、高强度的钛合金Ti80或者铝合金制作，并根据浮体球所处工作海洋深度的要求，在浮体球壳(1)内冲入相对应压力的氦气以增强抵抗浮体球壳(1)外部深海压力。
2.根据权利要求1所述深海充气浮体球，其特征在于，充气阀座(3)为圆柱结构，通过焊接等方式安装于浮体球壳(1)上，在充气阀座(3)内设有通气道，通气道内设有密封圈(2)安装阀孔，在充气阀座(3)侧面设有可与高压气源相连接的螺纹，在充气阀座(3)上端设有内螺纹用于安装压紧螺钉(4)。
3.根据权利要求1所述深海充气浮体球，其特征在于，所述所述压紧螺钉(4)安装于充气阀座(3)上端，其顶端为圆锥结构，起到阀芯的作用。
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