CN114920010B - 深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海机械‑水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，包括海平面上出料装置、海平面上进料装置、输送管道、海底进料装置、海底出料装置、运载体、机械驱动机构和旋射泵机构；所述运载体包括上圆盘、下圆盘和固定连接上圆盘和下圆盘的连接杆，若干运载体以首尾接触但无刚性连接的方式分布于输送管道内并可沿输送管道轴线移动，在输送管道大变形等情况下运载体间可脱离接触；所述机械驱动机构通过传动销推动某一运载体移动，并通过后一运载体推动前一运载体移动的方式使所有运载体沿输送管道轴线闭环循环运动；所述旋射泵机构包括水泵及绕输送管道轴线设置于输送管道外侧的若干个切向水流注射孔。

Description

深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统

技术领域

本发明涉及深海矿产资源开发领域，具体为一种深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，用于提升输送多金属硫化物、多金属结核和富钴结壳三种深海矿石。

背景技术

深海丰富的矿产资源已引起国际社会的广泛关注。深海矿产资源开发技术近年来获得快速发展。典型的深海矿产资源开发系统由海底采矿车、连接软管、中继舱、矿石提升输送系统和水面支持船等组成。从深海矿产资源开发的发展历程来看，深海矿产资源开发系统主要有拖斗式采矿系统、连续链斗式采矿系统、穿梭艇式采矿系统、管道提升式采矿系统。上述采矿系统中拖斗式、连续链斗式、穿梭艇式和气力式因其经济性和效率低而逐渐被放弃。管道提升式采矿系统按提升方式又分为水力式、气力式和机械式三类。水力式提升输送系统采用离心泵或正排量泵作为动力源，将深海开采的矿石经破碎后与海水混合，通过封闭管道提升至海平面上。气力式提升输送系统中，高压被注入输送管道，利用空气的浮力实现矿石提升。

目前国内外主要开展了水力式提升输送系统的研究，进行了原理样机实验室测试以及与实际工作相类似环境的海试。然而水力式提升输送系统存在效率低、允许提升的矿石颗粒小(粒径<20mm)、管道易堵塞、泵磨损严重等缺点。

另一方面，深海矿石提升输送管道长期暴露在洋流、波浪等环境载荷以及水面支持船的动载荷作用下。由于这些载荷的作用，提升输送管道会受到周期性和非周期性的拖曳力、升沉力和涡激振动，导致管道发生多种振动叠加现象:多模态振动、低频振动、高阶模态振动、非对称大变形等。

针对上述问题，中国专利《一种机械式提矿装置》(专利号：CN201610218511.X)中公开了一种机械式提矿装置，该专利将提矿装置安装在固定管道中，解决了连续绳斗式采矿系统中缆绳容易缠绕、矿物污染海水的问题；装置直接连接中继舱并从中提升矿石，提高了效率；同时在水下无需采用用电设备进而提高了系统的可靠性。该装置不存在水力式管道提升系统中提升泵堵塞或管道堵塞的风险。不过整个管道中由一中央线缆连接采集桶，线缆在管道弯曲处阻力大，运动可能受阻；同时没有考虑深海的作业环境，波浪流多种载荷会使圆筒管道出现大变形，造成中央线缆产生过大的变形拉应力，造成线缆破断。此外，装置是非连续输送，输送效率低。

发明内容

为了克服上述技术问题所存在的不足之处，本发明提出了一种高效率、适应水下大变形能力强、能耗低、环保的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统。

本发明的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，包括海平面上出料装置、海平面上进料装置、输送管道、海底进料装置、海底出料装置、运载体、机械驱动机构和旋射泵机构；

所述输送管道呈环形结构，其部分管道节段位于海平面以上，其余部分位于海平面以下；所述运载体包括上圆盘、下圆盘和固定连接上圆盘和下圆盘的中间连接杆，且上圆盘与下圆盘之间形成物料承载区；若干所述运载体以首尾接触但无刚性连接的形式分布于输送管道内并可沿输送管道轴线移动，运载体向上运动提升输送矿石，向下运动输送尾矿；所述运载体相互独立，运载体之间没有连接件，可适应输送管道在深海中受波浪流载荷下大变形；所述运载体之间的接触连接方式可采用相互啮合的凸伸体和凹陷体、可分离式万向球头结构、具有卡扣的公头和母头连接等；

所述机械驱动机构包括两个平行设置的带/链式输送机和连接于两带/链式输送机的皮带/链条之间的传动销；所述机械驱动机构通过传动销推动运载体沿输送管道轴线移动，并通过后一运载体推动前一运载体移动的方式使所有运载体沿输送管道轴线闭环循环运动；为确保运载体能够平衡受力，机械驱动机构可成对设置并对称分布在输送管道的两侧，从而通过两根传动销同时推动运载体运动。另外，布置有机械驱动机构的输送管道处应设有一长段开口供传动销与运载体的下圆盘相接触。

所述旋射泵机构包括水泵和绕输送管道轴线设置于输送管道外侧的切向水流注射孔；所述切向水流注射孔用于引导来自水泵的高压水流沿阿基米德螺旋线方向注入输送管道中心处交汇，以推动细颗粒浆体向管道中心集中并驱动细颗粒浆体向上流动，从而可有效减少输送时运输系统的摩阻损失和矿石颗粒与管壁的摩擦。

所述海底进料装置用于在水下将中继舱中完成破碎和脱水的矿石根据运载体上圆盘和下圆盘之间的容积间歇性输送一定体积的矿石至运载体的物料承载区，进料体积量由海底进料装置中的叶轮转速和容积腔体积控制，叶轮由水下电机和传动机构控制，在容积腔内做回转运动，容积腔上方有进料口，下方有出料口；所述海平面上出料装置将提升的矿石粗颗粒和细颗粒浆体送入水面支持船以完成矿浆的卸料；所述海平面上进料装置用于在水面支持船上将通过环保处理后的尾矿根据运载体上圆盘和下圆盘之间的容积间歇性输送一定体积的矿石至运载体的物料承载区，进料体积量由海底进料装置中的叶轮转速和容积腔控制，叶轮由水下电机和传动机构控制，在容积腔内做回转运动，容积腔上方有进料口，下方有出料口。尾矿随运载体沿输送管道输送至海底后通过所述海底出料装置卸料。

进一步，相邻两所述运载体之间通过相互啮合的凸伸体和凹陷体实现连接，例如可在所述上圆盘的前端设有凸伸体，所述下圆盘的末端设有用于与凸伸体啮合的凹陷体，反之亦可。所述凸伸体和凹陷体均位于所在圆盘的中央，与输送管道轴线保持一致，本发明的运载体之间优选相互配合的凸伸体和凹陷体进行连接，其能够有效的使相邻运载体之间传递推力，同时在输送管道遭受复杂载荷作用出现大变形或者振动时，所述运载体之间可相互脱开，易于分离，避免管道大变形引起的附加载荷在运载体间传递。

进一步，所述上圆盘和下圆盘的外圆面与输送管道内壁之间形成滑动接触配合，即上下圆盘的边缘与输送管道内壁保持接触，仅留有极少的缝隙确保能够滑动；这样，在管道遭受复杂载荷作用出现大变形或者振动时，运载体的圆盘结构能够支撑管道减小变形。

进一步，所述上圆盘上分布有海水过孔，所述海水过孔允许海水透过，而矿石粗颗粒无法通过；例如上圆盘中部可设计为轮辐结构，相邻辐条之间为海水过孔；或者可在上圆盘上均有分布通孔使海水通过，当运载体沿输送管道移动时，海水过孔的设置能有效减小其运行阻力。

进一步，所述带/链式输送机的带轮/链轮通过水下电机或液压马达及传动机构驱动。

进一步，所述带/链式输送机的长度至少为运载体长度的4至8倍；所述机械驱动机构中两相邻传动销之间的距离至少是运载体沿输送管道轴线间距的1.2倍，保证任何时刻都仅有一个运载体直接被传动销所推动，避免因多个传动销与多个运载体同时接触引起运载体相互碰撞造成能量损耗和运载体损失。

进一步，当所述输送管道遭受复杂环境载荷作用出现大变形时，所述运载体可相互分离并间隔分布于输送管道中；因此，相邻运载体之间的连接应为易于分离的连接；在管道出现大变形时，运载体可由紧密排列变为松弛分布，分散在输送管道中，运载体的圆盘结构可增加管道横截面的抗弯模量，从而减小管道的变形量；在停电或其它突发状况时，驱动机构停止工作，运载体排列在输送管道中，仍停留在当前位置，矿石在运载体的承载区域内，不存在气力式或水力式管道提升系统因断电紧急停泵而导致矿浆颗粒回流堵塞扬矿泵或管道的情况。

进一步，所述旋射泵机构沿输送管道长度方向间隔分布多组，相邻两旋射泵机构的间距优选为50到100米。

进一步，所述机械驱动机构设置有若干组，优选间隔200至300米，且布置位置不限于输送管道的海底水平管道段，也可布置在垂直管道任意位置，机械驱动机构的最优布置位置包括但不限于海底进料装置处，弯管位置处，垂直管道间隔200至300米位置，海平面上出料口处，海平面上进料口处。

进一步，所述机械驱动机构用来以段塞流提升输送矿石粗颗粒，旋射泵机构用于输送细颗粒浆体。

本发明的有益效果：本发明的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，在输送管道中布置连续运载体，通过机械驱动机构驱动运载体实现矿石粗颗粒从海底到水面支持船的提升，通过旋射泵产生水力实现细颗粒浆体的提升，从而实现深海矿石的高效提升。与水力式提升系统相比，矿石体积比可从15％提高到35％,提高提升输送效率；与水力式提升技术相比，可提升的矿石粒径更大(>30cm)，从而降低深海底矿石破碎工艺要求；与水力式提升相比，所述系统向上提升矿石和向下输送尾矿两个过程恰好抵消重力做功，提升输送能耗低；与水力式提升相比，所述系统可减少从海底提升到水面支持船的海水量，降低尾水处理的成本及尾水对环境的影响；运载体采用易于分离的接触连接结构，能够有效应对输送管道在深海复杂环境载荷影响下出现的大变形；此外，所述系统机械驱动机构和旋射泵采用分布式布置，可根据工况、提升高度、输送量等调整驱动数量及位置，是一种高效、低能耗、环保的深海矿石提升输送系统。

附图说明

图1为本发明的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统的整体示意图。

图2为本发明的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统的机械驱动机构示意图。

图3为本发明的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统的运载体的示意图。

图4为本发明的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统的运载体的运行示意图。

图5为本发明的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统的运载体相互啮合的示意图。

图6为本发明的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统的运载体在弯曲管道排列的示意图。

图7为本发明的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统的运载体松弛分布的示意图。

图8为本发明的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统的切向水流注射孔的示意图。

图中：1-海平面上出料装置；2-输送管道；3-海底进料装置；4-机械驱动机构；5-海底出料装置；6-运载体；7-海平面上进料装置；8-旋射泵机构；11-连接杆；12-下圆盘；13-上圆盘；14-凸伸体；15-凹陷体；21-带轮；22-皮带；23-传动销；24-旋射水流注射孔。

如图1所示，本发明的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，包括海平面上出料装置1、海平面上进料装置7、输送管道2、海底进料装置3、海底出料装置5、运载体6、机械驱动机构4和旋射泵机构8；

所述输送管道2呈环形结构，其部分管道节段位于海平面以上，其余部分位于海平面以下。输送管道2的外层有防腐蚀涂层，设计寿命不少于20年；结构强度宜参考APIRP2RD、APIRP16Q、APISpec17J和APIRP1111标准要求，在百年一遇环境下的安全系数宜大于1.5；管道内壁以及运载体侧表面需要经过金属表面硬化处理，使其具有较好的耐磨性。

如图3所示，所述运载体6包括上圆盘13、下圆盘12和固定连接上圆盘13和下圆盘12连接杆11，连接杆11的长度取决于输送管道2的弯管处转弯半径，优选连接杆11的长度使两相邻运载体的轴线在弯管处的夹角不超过2度，且上圆盘13与下圆盘12之间形成物料承载区；本实施例中的上圆盘13设计有过水孔，可以使海水通过，减小运载体的运动阻力。当运载体6沿输送管道2移动时，海水过孔的设置能有效减小其运行阻力；若干所述运载体6以首尾接触形成环形链结构的方式分布于输送管道2内并可沿输送管道2轴线移动；如图5所示，相邻两所述运载体6之间通过相互啮合的凸伸体14和凹陷体15实现接触连接。本实施例中，在所述上圆盘13的前端设有凸伸体14，在所述下圆盘12的末端设有与凸伸体14啮合的凹陷体15。所述凸伸体14与凹陷体15均位于所在圆盘的中央，与输送管道2的轴线保持一致，采用这种啮合接触连接方式能够有效地在相邻运载体6之间传递推力，同时，如图6所示，所述运载体6借助于圆盘结构上的凸伸体14和凹陷体15，在输送管道2的弯曲段也能以一定的角度啮合并有效地将机械驱动机构4施加在运载体6上的力依次传递下去。另外，如图7所示，在输送管道2遭受环境载荷作用出现大变形时，相互接触的凸伸体14和凹陷体15可相互分离，并由紧密排列变为松弛分布，分散在输送管道2中，而所述上圆盘13和下圆盘12的外圆面与输送管道2内壁之间形成滑动接触配合，即上下圆盘12的边缘与输送管道2内壁保持密接，仅留有极少的缝隙，优选输送管道内径的0.5％至1％；在停电或其它突发状况时，驱动机构停止工作，运载体6分散排列在输送管道2中，并仍停留在当前位置，矿石在运载体6的承载区域内，不存在管道提升法中因断电紧急停泵而导致矿浆颗粒回流堵塞扬矿泵或输送管道的情况。

如图2和4所示，所述机械驱动机构4包括两个平行设置的带/链式输送机和连接于两带/链式输送机的皮带/链条22之间的传动销23；所述机械驱动机构4通过传动销23推动运载体6沿输送管道2轴线移动，并通过后一运载体6推动前一运载体6移动的方式使所有运载体6沿输送管道2轴线闭环循环运动；所述带/链式输送机包括两带轮21和连接于两带轮/链轮21之间的皮带/链条22，带轮/链轮21通过水下特种电机驱动；为确保运载体6能够平衡受力，机械驱动机构4可成对设置并对称分布在输送管道2的两侧，从而通过两根传动销23同时推动运载体6运动。另外，布置有机械驱动机构4的输送管道2处应设有一长段开口供传动销23与运载体6的下圆盘12相接触，驱动机构4的壳体使传动机构与管道2封闭保证物料无法从系统中泄露。所述带/链式输送机的长度至少为运载体6长度的4至8倍；所述机械驱动机构中两相邻传动销之间的距离至少是运载体沿输送管道轴线间距的1.2倍，保证任何时刻都仅有一个运载体直接被传动销所推动，避免因多个传动销与多个运载体同时接触引起运载体相互碰撞造成能量损耗及运载体损伤。所述机械驱动机构4可位于海底出料装置5和海底进料装置3之间，但其布置位置不局限于海底管道段，位置不固定，数量也不固定，可根据需要配置驱动数量及位置。

如图8所示，所述旋射泵机构8包括水泵24和绕输送管道2轴线设置于管道2外侧的入射管25；水泵从管道外抽取海上，并将加压后的海水送入所述入射管25；入射管25沿阿基米德螺旋线方向绕输送管道1至2圈，通过入射孔将海水注入输送管道2内，推动浆体向管道中心集中并驱动细颗粒浆体向上流动，本实施例中旋射泵机构8以间隔约50至100米的方式分布在输送管道2的水下部分，可以有效减少输送时矿石粗颗粒和运载体与管壁的摩擦以及流体阻力。

所述海底进料装置3用于在水下将中继舱中完成破碎和脱水的矿石输送至运载体6的物料承载区，所述海平面上出料装置1将提升的矿浆送入水面支持系统中以完成矿石的卸料；所述海平面上进料装置7用于在水面支持船上将环保处理过的尾矿输送至运载体6的物料承载区，所述海底出料装置5用于在海底将尾矿卸料至海水中。

采用本实施例的提升输送系统进行矿石提升的具体方法如下：首先将破碎和脱水后的矿石通过海底进料装置3送入输送管道2中，使矿石落入运载体6的物料承载区中，运载体6由机械驱动机构4推动，运载体6之间通过凸伸体14和凹陷体15相互啮合，依次将推力传递下去，运载矿石并沿输送管道2实现闭环循环运动，选射泵机构8通过抽取管道外海水并注入管道内，提升输送细颗粒浆体，与运载体共同将矿石提升至水面支持船，最后从海平面上出料装置1卸料。所提升的矿石在水面支持系统经加工处理后，获得有工业利用价值的结核以及没有价值的尾矿，尾矿由海平面以上进料装置送入管道，沿输送管道2被送至海底，再由海底出料装置5通过海底出料管道卸料进入尾矿处理仓，整个系统闭环循环运动，实现了深海矿产资源开发作业的连续输送。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，其特征在于：包括海平面上出料装置、海平面上进料装置、输送管道、海底进料装置、海底出料装置、运载体、机械驱动机构和旋射泵机构；

所述输送管道呈环形结构，其部分管道节段位于海平面以上，其余部分位于海平面以下；

所述运载体包括上圆盘、下圆盘和固定上圆盘和下圆盘的中间连接杆，且上圆盘与下圆盘之间形成物料承载区；若干所述运载体以首尾接触但无刚性连接的形式分布于输送管道内并可沿输送管道轴线移动；

所述机械驱动机构包括两个平行设置的带/链式输送机和连接于两带/链式输送机的皮带/链条之间的传动销；所述机械驱动机构通过传动销推动运载体沿输送管道轴线移动，并通过后一运载体推动前一运载体移动的方式传递驱动力，使所有运载体沿输送管道轴线闭环循环运动；

所述旋射泵机构包括水泵和绕输送管道轴线设置于输送管道外侧的切向水流注射孔；所述切向水流注射孔用于引导来自水泵的高压水流沿阿基米德螺旋线方向注入输送管道中心处交汇，以推动细颗粒浆体向管道中心集中并驱动细颗粒浆体向上流动；

所述海底进料装置用于在水下将中继舱中完成破碎和脱水的矿石输送至运载体的物料承载区，并控制进料的矿石体积不超过运载体的承载能力；所述海平面上出料装置将提升的粗颗粒矿石和细颗粒浆体送入水面支持船以完成矿浆的卸料；所述海平面上进料装置用于在水面支持船上将通过环保处理后的尾矿输送至运载体的物料承载区，并控制进料的矿石体积不超过运载体的承载能力；所述海底出料装置用于在海底将尾矿卸到海水中。

2.根据权利要求1所述的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，其特征在于：相邻两所述运载体之间通过相互啮合但无刚性连接的凸伸体和凹陷体实现连接，两所述运载体之间有速度差时可互相脱离。

3.根据权利要求1所述的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，其特征在于：所述上圆盘和下圆盘的外圆面与输送管道内壁之间形成滑动接触配合。

4.根据权利要求1所述的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，其特征在于：所述上圆盘上分布有海水过孔，所述海水过孔允许海水透过，而矿石粗颗粒无法通过。

5.根据权利要求1所述的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，其特征在于：所述机械驱动机构中的带/链式输送机的带轮/链轮通过水下电机或液压马达驱动。

6.根据权利要求1所述的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，其特征在于：所述带/链式输送机的长度至少为运载体长度的4至8倍；所述机械驱动机构中两相邻传动销之间的距离至少是运载体沿输送管道轴线间距的1.2倍。

7.根据权利要求1所述的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，其特征在于：当所述输送管道遭受复杂载荷作用出现大变形时，所述相邻运载体可相互分离并间隔分布于输送管道中。

8.根据权利要求1所述的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，其特征在于：所述旋射泵机构沿输送管道长度方向间隔分布多组，相邻两旋射泵机构的间距为50至100米。

9.根据权利要求1所述的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，其特征在于：所述机械驱动机构设置有若干组，相邻机械驱动机构间隔200至300米。

10.根据权利要求1所述的深海机械-水力混合式圆盘管道矿石提升输送系统，其特征在于：所述机械驱动机构用来以段塞流提升输送矿石粗颗粒，旋射泵机构用于输送细颗粒浆体。