CN111794753A - 一种深海采矿输送*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深海采矿输送***，包括：输送泵，所述输送泵设置在海底采矿车上；扬矿软管，所述扬矿软管一端连接所述输送泵的输出口；深海离心泵，所述深海离心泵的输入口连接所述扬矿软管的另一端；扬矿硬管，所述扬矿硬管一端连接在所述深海离心泵的输出口上；以及悬挂组件，所述悬挂组件位于所述采矿船上并设置在靠近所述扬矿硬管的出口端，所述悬挂组件用于减小所述扬矿硬管由船体横摇、纵摇以及升沉运动所产生的受力。与现有技术相比，使整个水力管道式矿石提升***结构简单，软管和硬管形成一个整体的管道输送***，参数统一，运动能协调一致，同时也减少布放回收的时间，提高了输送效率。
Description
技术领域
本发明涉及海洋采矿技术领域，尤其涉及的是一种深海采矿输送***。
背景技术
深海中储量丰富的固体矿产资源。它们以多金属结核、深海硫化物、富钴结壳等形式赋存于海底，这些资源中含有锰、镍、钴、铜等十多种金属，其储量为陆地的几十至几百倍，具有光明的商业开采前景。近年来，随着世界对金属资源需求的急剧增长和深海矿产资源开发相关技术的持续发展，世界各国、各企业纷纷加紧对深海矿产资源开发的布局，勘探和开采潜藏在海底的矿产资源已经成为世界各国的重要目标。深海矿产资源位于数千米深的海底，由于海底作业环境十分复杂，海底压力高，各种海流状况等特殊因素，使得深海资源的开发利用必须依靠现代高新技术及其装备。
负责将海底矿石安全运输到海平面上的采矿船上的矿石提升***是深海采矿的重要环节之一，从目前国内外已有的深海采矿技术研究成果来看，通常采用的是水力管道式矿石提升***。现有的水力管道式矿石提升***主要是采用“软管输送泵+软管+中间仓+硬管+扬矿泵”的结构形式。软管输送泵将采矿车收集的矿石经由软管输送至中间仓，中间仓上设置有料仓和给料机，扬矿泵串联于硬管上作为动力装置，将中间矿仓内的矿浆吸入管道泵送到采矿船上。
但现有的水力管道式矿石提升***还存在以下缺点：
采矿船、中间仓、扬矿泵、硬管、管软和采矿车为主组成的水力管道式矿石提升***的运动状况复杂，由于中间仓同时连接硬管和软管，软管连接海底采矿车，硬管连接在采矿船上，这样中间仓将同时受到来自海面采矿船的拖航和海底采矿车行走的双重作用，使得中间仓的运动复杂难以控制，使得海面采矿船、中间仓和海底采矿车三者的运动难以协调一致。因中间仓的存在，软管输送和硬管输送成为两个独立的管道输送***，这两个独立的管道***存在运行参数匹配问题，因而降低了扬矿***的可靠性和输送效率。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种深海采矿输送***，可省掉中间仓结构，与现有技术相比，使整个水力管道式矿石提升***结构简单，软管和硬管形成一个整体的管道输送***，参数统一，运动能协调一致，同时也减少布放回收的时间，提高了输送效率。
本发明的技术方案如下：
一种深海采矿输送***，用于把海底采矿车所采集的矿浆输送到海面上的采矿船上，其中，包括：
输送泵，所述输送泵设置在海底采矿车上；
扬矿软管，所述扬矿软管一端连接所述输送泵的输出口；
深海离心泵，所述深海离心泵的输入口连接所述扬矿软管的另一端；
扬矿硬管，所述扬矿硬管一端连接在所述深海离心泵的输出口上；以及
悬挂组件，所述悬挂组件位于所述采矿船上并连接在所述扬矿硬管上且靠近所述扬矿硬管的出口端，所述悬挂组件用于减小所述扬矿硬管由船体横摇、纵摇以及升沉运动所产生的受力。
进一步，所述输送泵包括：
潜水电机，所述潜水电机的输出轴转动并提供旋转动力；
蜗壳，所述蜗壳固定连接所述潜水电机；
叶轮，所述叶轮转动设置在所述蜗壳内、且固定连接所述潜水电机的输出轴；
螺旋杆，所述螺旋杆沿所述叶轮的轴向延伸设置，所述螺旋杆的一端固定连接所述潜水电机的输出轴；以及
起旋头，所述起旋头固定连接在所述螺旋杆的另一端。
进一步，所述扬矿软管上设置有多个深海浮力模块，多个所述深海浮力模块间隔设置。
进一步，所述深海离心泵设置有多个，多个所述深海离心泵串联设置，多个所述深海离心泵串联后的输入口连接扬矿软管，多个所述深海离心泵串联后的输出口连接扬矿硬管。
进一步，所述扬矿硬管上连接有浅海离心泵。
进一步，所述悬挂组件包括挠性接头和张紧器；
所述挠性接头固定连接所述扬矿硬管与采矿船上的甲板；
所述张紧器连接所述扬矿硬管的外壁，并用于使扬矿管道与采矿船的相对位置不变。
进一步，所述扬矿硬管外壁上固定连接有浅海浮力模块。
进一步，所述深海采矿输送***还包括设置有用于将提升到采矿船的废水打回海底的回水管，所述回水管设置有两条，两条所述回水管与所述扬矿硬管捆绑固定。
进一步，所述浅海浮力模块包括两个半柱形浮力块，两个半柱形浮力块包裹所述回水管及所述扬矿硬管外壁并形成一个柱体。
进一步，所述深海离心泵为轴向流的导叶式离心泵。
本方案的有益效果：本发明提出的一种深海采矿输送***，本方案中直接由采矿车的输送泵给料，经由扬矿软管，直接送达深海离心泵的输入口，再经由扬矿硬管，将矿浆提升至采矿船上，而且在扬矿硬管与采矿船上的连接处采用悬挂组件，有效避免由于采矿车和采矿船的运动而导致的扬矿硬管受力后与采矿船上的管道难以匹配的缺点，使采矿船、中间管道和海底采矿车三者的运动能协调一致，同时减少中间仓结构，使扬矿软管和扬矿硬管直接通过深海离心泵连接，形成一个整体的管道输送***，使管道输送***的运行参数统一，提高深海采矿输送***的可靠性，避免了现有技术中海面采矿船、中间仓和海底采矿车三者由于受力情况复杂而运动协调困难的缺点，与现有技术相比，使整个水力管道式矿石提升***结构简单，同时也减少布放回收的时间，提高了输送效率。
附图说明
图1为本发明的一种深海采矿输送***的实施例在应用时的原理示意图；
图2为本发明的一种深海采矿输送***的实施例中输送泵的剖视图；
图3为本发明的一种深海采矿输送***的实施例中悬挂组件的原理示意图；
图4为本发明的一种深海采矿输送***的实施例中的浅海浮力模块的主视图；
图5为图4的A向视图；
图6为图4的B向视图。
图中各标号：100、采矿车；200、采矿船；210、储料仓；220、甲板；300、输送泵；310、潜水电机；320、蜗壳；330、叶轮；340、螺旋杆；350、起旋头；360、圆管；400、扬矿软管；410、深海浮力模块；500、深海离心泵；510、第一扬矿泵；520、第二扬矿泵；530、浅海离心泵；600、扬矿硬管；700、悬挂组件；710、挠性接头；720、张紧器；721、张紧绳；800、浅海浮力模块；810、半柱形浮力块；900、回水管。
具体实施方式
本发明提供了一种深海采矿输送***，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明提供了一种深海采矿输送***，用于把海底采矿车100所采集的矿浆输送到海面上的采矿船200上，其中，深海采矿输送***包括：输送泵300，扬矿软管400，深海离心泵500，扬矿硬管600，以及悬挂组件700。海底采矿车100在海底进行采矿，所述输送泵300设置在海底采矿车100上，所述扬矿软管400一端连接所述输送泵300的输出口；所述深海离心泵500的输入口连接所述扬矿软管400的另一端；所述扬矿硬管600一端连接在所述深海离心泵500的输出口上；所述悬挂组件700位于所述采矿船200上并连接在所述扬矿硬管600上且靠近所述扬矿硬管的出口端，所述悬挂组件700用于减小所述扬矿硬管600由船体横摇、纵摇以及升沉运动所产生的受力。所述采矿船200上设置有管道，用于与扬矿硬管600的出口端连接，并接收扬矿硬管600内输送的矿浆到达采矿船200上的特定位置的储料仓210。输送泵300吸取海底采矿车100上的矿浆，矿浆由扬矿软管400进行输送，直接送达深海离心泵500的输入口，通过深海离心泵500的抽吸，使矿浆再经由扬矿硬管600输送，从而将矿浆提升至采矿船200上，完成矿浆的输送过程。
本方案中直接由采矿车100的输送泵300给料，经由扬矿软管400，直接送达深海离心泵500的输入口，再经由扬矿硬管600，将矿浆提升至采矿船200上，而且在扬矿硬管600与采矿船200上的管道连接处采用悬挂组件700，有效避免由于采矿车100和采矿船200的运动而导致的扬矿硬管600受力后与采矿船200上的管道难以匹配的缺点，使采矿船200、中间管道和海底采矿车100三者的运动能协调一致，同时减少中间仓结构，使扬矿软管400和扬矿硬管600直接通过深海离心泵500连接，形成一个整体的管道输送***，使管道输送***的运行参数统一，提高深海采矿输送***的可靠性，避免了现有技术中海面采矿船200、中间仓和海底采矿车100三者由于受力情况复杂而运动协调困难的缺点，与现有技术相比，使整个水力管道式矿石提升***结构简单，同时也减少布放回收的时间，提高了输送效率。
本实施例的具体结构中：输送泵300设置在采矿车100上，如图1、图2所示，输送泵300为带高速螺旋流入口的输送泵300，输送泵300作为输送矿浆的动力装置把采矿车100上的矿浆抽吸到扬矿软管中，所述输送泵300包括：潜水电机310，蜗壳320，叶轮330，螺旋杆340，起旋头350。所述潜水电机310通电，使潜水电机310的输出轴转动并提供高速旋转动力；所述蜗壳320固定连接所述潜水电机310。所述叶轮330转动设置在所述蜗壳320内、且固定连接所述潜水电机310的输出轴；这样叶轮330与蜗壳320形成泵体，所述螺旋杆340沿所述叶轮330的轴向延伸设置，所述螺旋杆340的一端固定连接所述潜水电机310的输出轴；所述起旋头350固定连接在所述螺旋杆340的另一端。在潜水电机310的动力作用下，输送泵300进行抽吸，矿浆沿着螺旋杆340进行螺旋上升运动，使矿浆能形成能量较为集中的螺旋流，从而对矿浆不断进行卷吸携带，采用高速螺旋流入口的输送泵300，具有携带力强和输送浓度高的特点，可以高效地输送矿浆。而且，在蜗壳320上固定连接有沿所述螺旋杆340轴向设置的圆管360，所述圆管360套设在螺旋杆340外侧；由于输送泵300具有旋转流场的流动形式，能有效改善圆管360中矿浆的边界条件，旋转角速度较小时，会对矿石起到抬托“旋浮”的作用效果，进而可以防止矿浆的堆积，可以实现扬矿***快速起步且高浓度输送的目的。
采用带有螺旋杆340和起旋头350的输送泵300，使输送泵300在工作时使矿浆具有旋转流场的流动形式，会对矿石起到抬托“旋浮”的作用效果，进而可以防止矿浆的堆积，该螺旋杆340和起旋头350的结构使输送泵300在工作时能形成能量较为集中的螺旋流，相对于常规的深海采矿水力提升***采用直流式起旋的输送泵，本实施例中的输送泵300带有螺旋杆340和起旋头350，具有起旋速度快、携带力强和输送浓度高的特点，可以高效地输送矿浆。
所述输送泵300的输出口连接扬矿软管400，扬矿软管400的下端(输入口)与输送泵300的输出口进行铰接。所述扬矿软管400的外壁上固定连接有多个深海浮力模块410，多个所述深海浮力模块410间隔设置。间隔设置的深海浮力模块410形成分布式结构，这样使扬矿软管400在海中形成上下弯曲的波形结构，即扬矿软管400上设置有深海浮力模块410的部分作为波峰，而位于扬矿软管400位于相邻两深海浮力模块410之间的部分形成抛物线结构，抛物线的波谷位于低点，这种布置方式可以使采矿车100在最大可能的范围内***，即当采矿车100进行移动时，拉伸扬矿软管400，这样扬矿软管400形成的抛物线的低点能慢慢向上运动，相邻两波峰之间的距离被拉长，从而释放采矿车100的运动距离，提高采矿车100的最大运动范围。扬矿软管400本身与采矿车100和扬矿硬管600不缠绕，且扬矿软管400的下端(低点)不触底，并尽可能位于采矿车100推进器尾流范围之外，从而避免被采矿车100影响或影响采矿车100的运动。
如图1所示，扬矿软管400上端与深海离心泵500的输入口铰接，铰接是柔性连接的一种方式，柔性铰接接头在与设备或管道之间连接时减小设备运转时及管道使用时产生的震动对管道接口的破坏，所述深海离心泵500设置有多个，多个所述深海离心泵500串联设置，多个所述深海离心泵500串联后的输入口连接扬矿软管400，多个所述深海离心泵500串联后的输出口连接扬矿硬管600。
深海离心泵500作为扬矿泵均采用轴向流的导叶式离心泵，本实施例中的深海离心泵500设置有两个，分别为第一扬矿泵510和第二扬矿泵520，所述第一扬矿泵510与第二扬矿泵520串联设置，串联设置后的深海离心泵的输入口连接在扬矿软管400的顶部，串联设置后的深海离心泵的输出口连接在扬矿硬管600的底部，深海离心泵500距离海底100m的海水中设置。
所述扬矿硬管600上靠近海面的位置连接有浅海离心泵530。具体的结构中，考虑到浅海离心泵530的输入口不产生气蚀，将浅海离心泵530设置于扬矿硬管600上距离海平面1100米的位置。浅海离心泵530作为扬矿泵采用轴向流的导叶式离心泵。易于想到，为提高输送力，浅海离心泵530也可设置为多个，进行接力传送。
本实施例中通过两个深海离心泵500加大对扬矿软管400中的矿浆进行抽取，产生强大的输送力，从而使矿浆从扬矿软管400中输送到扬矿硬管600中，且矿浆通过扬矿硬管600能从而5900-6000米深的深海中输送到浅海区域，再通过浅海离心泵530进一步对矿浆进行抽取，实现在长管道输送中的接力传送功能，使矿浆能从距海平面1100米的浅海中输送到采矿船200上的储料仓210中，完成采矿。
扬矿硬管600与采矿船200上的固定管道(图示中未标注)进行连接，如图1、图3所示，在扬矿硬管600靠采矿船200的一端上连接悬挂组件700，所述悬挂组件700包括挠性接头710和张紧器720；所述挠性接头710固定连接所述扬矿硬管600与采矿船200上的甲板上；所述张紧器720连接所述扬矿硬管600的外壁，并用于使扬矿管道与采矿船200的相对位置不变。扬矿硬管600通过组件成功连接在采矿船200上，扬矿硬管600顶端穿过采矿船200的月池后在位于采矿船200的甲板220的位置进行悬挂，在悬挂点采用挠性接头710和张紧器720相结合的方式对扬矿硬管600和采矿船200上的管道进行连通，以减小由船体横摇、纵摇以及升沉运动运动引起的立管的受力。
通常采矿船200的船体在受风、浪、流、潮的综合作用，会产生六个自由度的运动：三个转动：纵摇、横摇、艏摇，三个平动：纵荡、横荡、垂荡(升沉运动)。采矿船200的艏摇、纵荡和横荡属于水平平面移动，可以通过动力定位***来进行控制，当采矿船进行纵摇、横摇、垂荡时，管道***随采矿船一同升沉运动，会导致扬矿管的纵向振动。振动时，由于提升管道***的自重的影响，硬管会发生很大的轴向变形，受到很大的轴向应力。管到***的最上端所受的轴向应力最大，最下端的振幅最大。当海浪的周期等于管道***的固有周期而出现共振。管道***的轴向应力和轴向形变易导致管道***的疲劳损坏，严重影响管道***的稳定性、可靠性和使用寿命以及海底采矿车工作的稳定性，进而直接影响到整个采矿***的效率和经济性。如果没有特殊的装置，船体的纵摇、横摇和升沉运动将不可避免地对海水中的提升管道***带来影响。
因此，采用悬挂组件700对扬矿硬管600与采矿船200进行连接，扬矿硬管600在三个平移方向与采矿船200同步，在转动方向上所述挠性接头710允许±15度转角，减小扬矿硬管600的顶部连接处弯矩，挠性接头710能承受1800吨的轴向张力。这样当采矿船200由于海浪的作用进行小范围转动时，由于挠性接头710的扭动，从而避免对扬矿硬管600及海里的管道***进行扯动；张紧器720通常采用张紧绳721与扬矿硬管600的外壁固定连接，张紧绳721设置有多根，且呈对称设置，张紧绳721固定连接张紧施力结构(图示中未画出)，张紧施力结构固定在采矿船200上，张紧施力结构使张紧绳绷紧，从而对管道施加一定拉力，这样使扬矿硬管600能与采矿船200保持上下同步运动，防止管道由于浪、潮作用引起管线震荡、弯曲，进而可以减少采矿船200的升沉运动对管道***带来的影响。相对于现有的升沉补偿***，该悬挂组件700亦能减少了船体的纵摇、横摇和升沉运动对管道***带来影响，使其影响达到扬矿***允许的范围，而且该悬挂组件700结构简单、使用寿命长，具有很强的实用性。
在所述扬矿硬管600外壁上固定连接有浅海浮力模块800。通过浅海浮力模块800在海水中的浮力作用，这样可以减少扬矿硬管600在水中重量，这样减小管道***，特别是扬矿硬管600的输出口的顶部张力。
如图1、图4所示，所述深海采矿输送***还包括设置有用于将提升到采矿船200的废水打回海底的回水管900，所述回水管900设置有两条，两条所述回水管900与所述扬矿硬管600捆绑固定。回水管的一端连通在采矿船200上的储料仓210，另一端伸入到海水中，且通常回水管900的另一端输出到距海面500米的水下，这样通过回水管能够将提升到水面的废水打回海底，保护采矿海面的环境。
如图5、图6所示，所述浅海浮力模块800包括两个半柱形浮力块810，两个半柱形浮力块810包裹所述回水管900及所述扬矿硬管600外壁并形成一个柱体。扬矿硬管600和两根回水管900捆束在一起，外面包裹浅海浮力模块800，通过两片半柱形浮力块810包覆在管道***上形成一个柱体，浮力模块在海水中立式设置，浮力模块的外壁上开设有凹槽(图示中未画出)，凹槽沿所述浮力模块的外壁螺旋延伸，这样达到降低涡激振动和水阻力的效果。
另外，现有的深海水力管道式提升***具有输送距离长、输送粒径大、矿石形态复杂、输送起步慢等特点。一般情况下为了整个***能安全运行，多采用稀相输送，则进一步限制了输送效率，制约了深海采矿技术的进一步发展和商业化进程。而采用本发明的一种深海采矿输送***，优点在于：本发明的深海采矿提升***采用水力管道提升，安装有回水管900，能够将提升到水面的废水打回海底、保护采矿海面的环境；采用通过张紧器720和挠性接头710相结合的悬挂组件700来连接扬矿硬管600与采矿船200，减少了船体的纵摇、横摇和升沉运动对管道***带来影响，使其影响达到扬矿***允许的范围，采用高速螺旋流入口的输送泵300，给水力提升***中提供了螺旋流的起旋方式，螺旋流具有能量集中、起旋速度快、携带力强和输送浓度高等特点，能防止矿浆淤积、减少能源损耗，提高输送效率；由高速螺旋流入口的输送泵300直接将矿浆输送至深海离心泵500入口，无需中间仓，整个提升***结构简单、布放回收速度快、安全性能高、适应性能好，具有很强的实用性。
综上所述，本发明提出的一种深海采矿输送***，通过直接由采矿车的输送泵给料，经由扬矿软管，直接送达深海离心泵的输入口，再经由扬矿硬管，将矿浆提升至采矿船上，而且在扬矿硬管与采矿船连接处采用悬挂组件，有效避免由于采矿车和采矿船的运动而导致的扬矿硬管受力后与采矿船上的管道难以匹配的缺点，使采矿船、中间管道和海底采矿车三者的运动能协调一致，同时减少中间仓结构，使扬矿软管和扬矿硬管直接通过深海离心泵连接，形成一个整体的管道输送***，使管道输送***的运行参数统一，提高深海采矿输送***的可靠性，避免了现有技术中海面采矿船、中间仓和海底采矿车三者由于受力情况复杂而运动协调困难的缺点，与现有技术相比，使整个水力管道式矿石提升***结构简单，同时也减少布放回收的时间，提高了输送效率。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种深海采矿输送***，用于把海底采矿车所采集的矿浆输送到海面上的采矿船上，其特征在于，包括：
输送泵，所述输送泵设置在海底采矿车上；
扬矿软管，所述扬矿软管一端连接所述输送泵的输出口；
深海离心泵，所述深海离心泵的输入口连接所述扬矿软管的另一端；
扬矿硬管，所述扬矿硬管一端连接在所述深海离心泵的输出口上；以及
悬挂组件，所述悬挂组件位于所述采矿船上并连接在所述扬矿硬管上且靠近所述扬矿硬管的出口端，所述悬挂组件用于减小所述扬矿硬管由船体横摇、纵摇以及升沉运动所产生的受力。
2.根据权利要求1所述的深海采矿输送***，其特征在于，所述输送泵包括：
潜水电机，所述潜水电机的输出轴转动并提供旋转动力；
蜗壳，所述蜗壳固定连接所述潜水电机；
叶轮，所述叶轮转动设置在所述蜗壳内、且固定连接所述潜水电机的输出轴；
螺旋杆，所述螺旋杆沿所述叶轮的轴向延伸设置，所述螺旋杆的一端固定连接所述潜水电机的输出轴；以及
起旋头，所述起旋头固定连接在所述螺旋杆的另一端。
3.根据权利要求1所述的深海采矿输送***，其特征在于，所述扬矿软管上设置有多个深海浮力模块，多个所述深海浮力模块间隔设置。
4.根据权利要求1所述的深海采矿输送***，其特征在于，所述深海离心泵设置有多个，多个所述深海离心泵串联设置，多个所述深海离心泵串联后的输入口连接扬矿软管，多个所述深海离心泵串联后的输出口连接扬矿硬管。
5.根据权利要求4所述的深海采矿输送***，其特征在于，所述扬矿硬管上连接有浅海离心泵。
6.根据权利要求1所述的深海采矿输送***，其特征在于，所述悬挂组件包括挠性接头和张紧器；
所述挠性接头固定连接所述扬矿硬管与采矿船上的甲板；
所述张紧器连接所述扬矿硬管的外壁，并用于使扬矿管道与采矿船的相对位置不变。
7.根据权利要求1所述的深海采矿输送***，其特征在于，所述扬矿硬管外壁上固定连接有浅海浮力模块。
8.根据权利要求7所述的深海采矿输送***，其特征在于，所述深海采矿输送***还包括设置有用于将提升到采矿船的废水打回海底的回水管，所述回水管设置有两条，两条所述回水管与所述扬矿硬管捆绑固定。
9.根据权利要求8所述的深海采矿输送***，其特征在于，所述浅海浮力模块包括两个半柱形浮力块，两个半柱形浮力块包裹所述回水管及所述扬矿硬管外壁并形成一个柱体。
10.根据权利要求1-9任一所述的深海采矿输送***，其特征在于，所述深海离心泵为轴向流的导叶式离心泵。
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|---|---|---|---|---|
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- 2020-07-20 CN CN202010702947.2A patent/CN111794753A/zh active Pending
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