CN116291463A

CN116291463A - 一种用于深海采矿立管的组合式浮体及其采矿系统

Info

Publication number: CN116291463A
Application number: CN202310596730.1A
Authority: CN
Inventors: 曹华德; 夏建新; 魏定邦; 杨强; 刘珅
Original assignee: China University of Geosciences Beijing
Current assignee: China University of Geosciences Beijing
Priority date: 2023-05-25
Filing date: 2023-05-25
Publication date: 2023-06-23

Abstract

本公开涉及深海采矿技术领域，提供一种用于深海采矿立管的组合式浮体及其采矿系统，包括浮体本体、卡扣和定位模块，浮体本体包括多个浮力模块，每个浮力模块上均开设有用于供采矿系统的垂直软管穿过的过管通道，过管通道内设置有卡扣，浮力模块适于通过卡扣与垂直软管连接，至少一个浮力模块上设置有定位模块。该组合式浮体能够分散垂直软管的受力，保证紧急避险期间，水下留置系统下沉避险并维持垂直稳定状态。本公开提供的采矿系统，包括上述的组合式浮体，由于该组合式浮体具有分散垂直软管受力的优点，因此该采矿系统在相应方面也具有较好的品质。

Description

一种用于深海采矿立管的组合式浮体及其采矿系统

技术领域

本公开涉及深海采矿技术领域，尤其涉及一种用于深海采矿立管的组合式浮体及其采矿系统。

背景技术

占地球表面49%的深海海底蕴藏着丰富的矿产资源，多金属结核是人类社会可持续发展的金属资源储备和保障。对海底矿产资源的利用，主要采用海底采集装置将矿产资源收集转运到中继仓中，再由扬矿泵输送固液混合物，沿垂直软管从中继仓提升至海面支撑平台。由于海洋气候环境多变，在收到恶劣天气预警时，水面支撑平台需要提前驶离危险海域，但由于水下系统包含有几千米垂直软管、扬矿泵、海底采集装置以及电缆等设备，无法及时回收，也无法随水面支撑平台快速驶离危险海域，因此往往需要设置水下平台来提供浮力和定位通讯。但是，该类水下平台与垂直软管接触面小或者单一接口，导致水下平台与垂直软管连接部位存在严重应力集中，加速局部管道腐蚀和金属疲劳；而且在水下平台在升沉运动时，受到较大流体阻力，加剧水下平台与垂直软管连接处应力集中问题，极易导致管道破损甚至浮体脱落等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本公开提供了一种用于深海采矿立管的组合式浮体及其采矿系统。

本公开一方面提供了一种用于深海采矿立管的组合式浮体，包括：浮体本体、卡扣和定位模块，所述浮体本体包括多个浮力模块，每个所述浮力模块上均开设有用于供采矿系统的垂直软管穿过的过管通道，所述过管通道内设置有所述卡扣，所述浮力模块适于通过所述卡扣与垂直软管连接，至少一个所述浮力模块上设置有所述定位模块。

可选地，所述浮体本体为回转体结构，所述过管通道沿所述浮体本体的中心轴开设。

可选地，在垂直于所述浮体本体的中心轴的平面上，所述浮体本体两端的截面积小于所述浮体本体中部的截面积，且所述浮体本体两端的截面积均沿中部至端部的方向逐渐减小。

可选地，所述浮体本体为椭球体结构。

可选地，所述浮体本体的长径比为4:1。

可选地，所述浮力模块为纤维强化橡胶形成的腔体结构，所述浮力模块内充有气体，所述气体的压强大于所述浮体本体工作水深压强的1.5倍。

可选地，所述浮体本体由多个所述浮力模块堆叠形成。

可选地，所述浮力模块包括第一拼接部和第二拼接部，所述第一拼接部和所述第二拼接部拼合形成带动浮力模块，沿所述过管通道的轴向，至少一部分的所述过管通道形成于所述第一拼接部上，另一部分的所述过管通道形成于所述第二拼接部上。

本公开另一方面提供了一种采矿系统，包括垂直软管和上述的一种用于深海采矿立管的组合式浮体，所述浮体设置于所述垂直软管用于靠近海面的一端。

可选地，还包括中继舱和扬矿泵，所述扬矿泵设置在所述垂直软管上，所述垂直软管远离海面的一端与所述中继舱连通，所述浮体本体受到的浮力大于所述垂直软管和所述扬矿泵受到的重力之和，且所述浮体本体受到的浮力小于所述重量所述垂直软管、所述扬矿泵和所述中继仓受到的重力之和。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本公开实施例提供的一种用于深海采矿立管的组合式浮体及其采矿系统，通过设置包括多个浮力模块的浮体本体，通过分别安装浮力模块组成一个完整的浮体本体，使浮体本体的组装、维护和更换，以及浮力的调节更加方便；通过在每个所述浮力模块上均开设有用于供采矿系统的垂直软管穿过的过管通道，使多个浮力模块能够沿垂直软管依次排列，并通过卡扣安装在垂直软管上，由于多个浮力模块均通过各自的卡扣与垂直软管连接，分散了浮体本体与垂直软管间的相互作用力位点，避免了浮体与垂直软管连接处产生的应力集中问题；通过在至少一个浮力模块上设置定位模块，能够发出定位信号，以便避险结束恢复生产时，能够准确定位，快速恢复生产。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例所述采矿系统的工作状态示意图；

图2为本公开实施例所述采矿系统的避险状态示意图；

图3为本公开实施例所述组合式浮体的示意图；

图4为本公开实施例所述组合式浮体的爆炸图；

图5为本公开实施例所述组合式浮体的实施例一；

图6为本公开实施例所述组合式浮体的实施例二；

图7为本公开实施例所述组合式浮体的实施例三；

图8为本公开实施例浮体本体形状与升沉运动速度和水动力阻力间的关系。

其中，1、深海矿石采集系统；2、垂直软管输送系统；3、组合式浮体；4、水面支持平台；201、垂直软管；202、扬矿泵；203、中继仓；301、浮力模块；311、第一拼接部；312、第二拼接部；302、卡扣；304、过管通道；303、定位模块；401、柔性连接管。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

结合图1至图4所示，本实施例提供一种用于深海采矿立管的组合式浮体3，包括：浮体本体、卡扣302和定位模块303，浮体本体包括多个浮力模块301，每个浮力模块301上均开设有用于供采矿系统的垂直软管201穿过的过管通道304，过管通道304内设置有卡扣302，浮力模块301适于通过卡扣302与垂直软管201连接，至少一个浮力模块301上设置有定位模块303。浮体本体的多个浮力模块301沿垂直方向依次串连在水下留置系统的垂直软管201上，并且每个浮力模块301至少由一个卡扣302固定在垂直软管201上，以避免浮体本体与垂直软管201间的相对位移，并分散浮体与垂直软管201间相互作用，克服应力集中危害。上述的定位模块303，包括信号发射装置、定位装置和电源，电源与信号发射装置和定位装置电连接，信号发射装置用于向水面支撑平台发送水下留置系统的位置信息，在紧急避险结束后，水面支撑平台能够准确定位，快速恢复生产。可选地，定位模块303还包括信号接收器，由信号接收器接收操作指令，再收到工作指令后，再开启定位装置的定位和发射装置的信号发送功能，降低了定位模块303的对电源的消耗，以及设备长期工作带来的老化和可靠性降低的问题。

本实施例的一种用于深海采矿立管的组合式浮体3通过设置包括多个浮力模块301的浮体本体，通过分别安装浮力模块301组成一个完整的浮体本体，使浮体本体的组装、维护和更换，以及浮力的调节更加方便；通过在每个浮力模块301上均开设有用于供采矿系统的垂直软管201穿过的过管通道304，使多个浮力模块301能够沿垂直软管201依次排列，并通过卡扣302安装在垂直软管201上，由于多个浮力模块301均通过各自的卡扣302与垂直软管201连接，分散了浮体本体与垂直软管201间的相互作用力位点，避免了浮体与垂直软管201连接处产生的应力集中问题；通过在至少一个浮力模块301上设置定位模块303，能够发出定位信号，以便避险结束恢复生产时，能够准确定位，快速恢复生产。

在结合图5至图7所示的实施例中，浮体本体为回转体结构，过管通道304沿浮体本体的中心轴开设，上述的设置方式能够保证浮体本体受力平衡时，过管通道304保持竖直，使紧急避险状态的垂直软管201能够保持垂直姿态，避免矿石倾洒。具体而言，浮体本体的经过过管通道304的截面轮廓可以是如实施例一所示的椭球形，也可以是如实施例二所示的纺锤形或如实施例三所示的梭形。

在一些实施例中，在垂直于浮体本体的中心轴的平面上，浮体本体两端的截面积小于浮体本体中部的截面积，且浮体本体两端的截面积均沿中部至端部的方向逐渐减小，该结构保证浮体本体能够提供足够浮力同时减少系统垂荡过程中所产生的流体阻力。

在一些实施例中，浮体本体为椭球体结构，椭球体的长轴沿垂直软管201的延伸方向设置，浮体本体的总体积可以是20m3，具体而言，浮体本体的长径比可以是2:1、4:1、8:1等。

在一些实施例中，浮体本体的长径比为4:1。对椭球体进行定义时a、b、c分别代表三维笛卡尔坐标中x、y、z轴的一半，椭球体是绕长轴旋转的轴对称图形，因此b=c；而球体是特殊的椭球体，即a=b=c。

根据椭球体体积公式V=

πabc可得浮体几何参数和总阻力系数C_d：

可见，相比于球体，浮体本体为椭球体时不仅降低了总阻力系数，还减少了升沉迎水截面积。

进一步地，在浮体本体上下升沉过程中，所产生的水动力阻力可由下式计算得出：

其中，

为流体密度，A为浮体本体升沉运动中的迎水截面积，v为浮体本体升沉运动速度；考虑不同的升沉运动速度，浮体本体产生的水动力阻力如图8所示。

由图8可见，相比如球体，采用椭球体的浮体本体能显著降低组合式浮体的水动力阻力，从而减少对垂直软管升沉运动中的动荷载。考虑到长径比8:1的浮体本体太过细长，不易于加工和运输，而长径比8:1的浮体本体相较于长径比为4:1的浮体本体水动力性能提升有限，即长径比为4:1的浮体本体已经能够很好地改善其水动力特性，符合实际工况的需求，故认为浮体本体采用长径比为4:1的椭球体为最优。

在一些实施例中，浮力模块301为纤维强化橡胶形成的腔体结构，浮力模块301内充有气体，优选地，浮体模块上设置有通气口，通过通气口可对浮力模块301进行充气或放气，使浮力模块301在闲置时可放气叠置，避免占用空间，气体的压强大于浮体本体工作水深压强的1.5倍，以保证浮力模块301在海底受压后体积减小后，仍然具有足够的浮力维持垂直软管201的水下姿态，同时使扬矿泵202直立于水下。

在一些实施例中，浮体本体由多个浮力模块301堆叠形成，更详细的，浮力模块301可以是浮体本体沿过管通道304延伸方向分隔出的切片结构，浮力模块301的数量和厚度可依据浮体本体的结构和浮体本体的设定装配时间进行灵活设置，通过增加或减少浮力模块301数量，改善垂直软管201的力学分布及其空间构型，优化垂直软管201的水力输送条件。优选地，相邻的两个浮力模块301之间限位配合，具体可以是绑带连接、卡扣302连接、磁吸连接等。

在一些实施例中，浮力模块301包括第一拼接部311和第二拼接部312，第一拼接部311和第二拼接部312拼合形成带动浮力模块301，沿过管通道304的轴向，至少一部分的过管通道304形成于第一拼接部311上，另一部分的过管通道304形成于第二拼接部312上。具体地，第一拼接部311和第二拼接部312拼接形成一个完整的浮力模块301，由于在垂直软管201的周向上，第一拼接部311和第二拼接部312在拼合时能够形成过管通道304，因此简化了浮力模块301的安装，而从垂直软管201的一端套设浮力模块301，以方便对浮力模块301维护和更换、并能够灵活调节浮力模块301的数量和浮体本体的形状，进而调整浮体本体所受到的浮力。优选地，第一拼接部311和第二拼接部312关于浮力模块301的轴向截面对称，由于第一拼接部311和第二拼接部312的拼接面经过管通道304的直径，因此装配时更加便利，同时也节省了设计和加工成本。

本实施例提供的采矿系统，包括垂直软管201和上述的一种用于深海采矿立管的组合式浮体3，浮体设置于垂直软管201用于靠近海面的一端。

在一些实施例中，采矿系统还包括中继舱和扬矿泵202，扬矿泵202设置在垂直软管201上，垂直软管201远离海面的一端与中继舱连通，浮体本体受到的浮力大于垂直软管201和扬矿泵202受到的重力之和，且浮体本体受到的浮力小于重量垂直软管201、扬矿泵202和中继仓203受到的重力之和。另外，该采矿系统还包括采矿车、输送软管和采矿船；其中，采矿车通过输送软管与中间仓连通，中间仓通过垂直软管201与采矿船连通，垂直软管201上设置有扬矿泵202和水下浮体组合式浮体3。组合式浮体3在紧急避险脱离前，可以通过改变浮力模块301数量，调节浮体浮力，使其浮力介于扬矿泵202与垂直软管201水下总重量和扬矿泵202、垂直软管201与中继仓203的水下总重量之间，确保水面平台脱离后，中继仓203在自重作用下能够下沉至触及海底，同时维持垂直软管201直立状态。

本公开提供的采矿系统，包括上述的组合式浮体3，由于该组合式浮体3具有分散垂直软管201受力的优点，因此该采矿系统在相应方面也具有较好的品质。

在本公开的实施方式的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开的实施方式和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构或装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的实施方式的限制。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种用于深海采矿立管的组合式浮体（3），其特征在于，包括：浮体本体、卡扣（302）和定位模块（303），所述浮体本体包括多个浮力模块（301），每个所述浮力模块（301）上均开设有用于供采矿系统的垂直软管（201）穿过的过管通道（304），所述浮体模块上设置有所述卡扣（302），所述浮力模块（301）适于通过所述卡扣（302）与垂直软管（201）连接，至少一个所述浮力模块（301）上设置有所述定位模块（303）。

2.根据权利要求1所述的一种用于深海采矿立管的组合式浮体（3），其特征在于，所述浮体本体为回转体结构，所述过管通道（304）沿所述浮体本体的中心轴开设。

3.根据权利要求2所述的一种用于深海采矿立管的组合式浮体（3），其特征在于，在垂直于所述浮体本体的中心轴的平面上，所述浮体本体两端的截面积小于所述浮体本体中部的截面积，且所述浮体本体两端的截面积均沿中部至端部的方向逐渐减小。

4.根据权利要求3所述的一种用于深海采矿立管的组合式浮体（3），其特征在于，所述浮体本体为椭球体结构。

5.根据权利要求4所述的一种用于深海采矿立管的组合式浮体（3），其特征在于，所述浮体本体的长径比为4:1。

6.根据权利要求1所述的一种用于深海采矿立管的组合式浮体（3），其特征在于，所述浮力模块（301）为纤维强化橡胶形成的腔体结构，所述浮力模块（301）内充有气体，所述气体的压强大于所述浮体本体工作水深压强的1.5倍。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种用于深海采矿立管的组合式浮体（3），其特征在于，所述浮体本体由多个所述浮力模块（301）堆叠形成。

8.根据权利要求7所述的一种用于深海采矿立管的组合式浮体（3），其特征在于，所述浮力模块（301）包括第一拼接部（311）和第二拼接部（312），所述第一拼接部（311）和所述第二拼接部（312）拼合形成带动浮力模块（301），沿所述过管通道（304）的轴向，至少一部分的所述过管通道（304）形成于所述第一拼接部（311）上，另一部分的所述过管通道（304）形成于所述第二拼接部（312）上。

9.一种采矿系统，其特征在于，包括垂直软管（201）和如权利要求1至8任一项所述的一种用于深海采矿立管的组合式浮体（3），所述浮体设置于所述垂直软管（201）用于靠近海面的一端。

10.根据权利要求9所述的采矿系统，其特征在于，还包括中继舱和扬矿泵（202），所述扬矿泵（202）设置在所述垂直软管（201）上，所述垂直软管（201）远离海面的一端与所述中继舱连通，所述浮体本体受到的浮力大于所述垂直软管（201）和所述扬矿泵（202）受到的重力之和，且所述浮体本体受到的浮力小于所述重量所述垂直软管（201）、所述扬矿泵（202）和所述中继仓（203）受到的重力之和。