CN108049874A - 一种用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，主要包括月池活门装置、电缆布放回收装置、采矿车布放回收装置、管道自动化对接与拆卸装置、管道存储转运及辅助联接装置、塔架与提升装置、软管布放回收装置、辅助作业装置，各装置布置在月池周围和船舶尾部甲板上。本发明用于在规定海况把水下采矿系统的全部设备和辅助设施安全地布放到水下规定作业点，且能在规定海况把上述全部设备设施安全地回收到水面母船上来。水面支持布放回收系统可通过中央控制室进行操作协同控制，也可在装置机旁进行操作。本发明空间安排合理，工作流程衔接紧密，既能安全可靠地完成布放回收作业，又能有效提高布放回收效率。

Description

一种用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统

技术领域

本发明涉及一种用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，该系统可实现对深海采矿和扬矿输送的水面支持和技术保障。

背景技术

海洋采矿是多学科、高新技术、多领域融合的系统工程，水面支持布放回收系统是海洋采矿系统最主要的组成部分，在深海采矿工程中起着极其重要的作用。根据深海多金属结核开采模型的技术特点，水面支持布放回收系统主要功能是：在预定海况条件下，从水面试验母船上将全部水下采矿设备及辅助设施安全地布放到水下预定作业点，并且能在预定海况下将所有水下采矿设备及辅助设施安全地回收到水面试验母船上来。目前，深海多金属结核开采的诸多技术还处于探索阶段，还没有成熟的用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统见诸报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，在允许海况条件下，实现水下采矿系统和扬矿输送系统的安全布放与回收，为深海采矿工程提供必要的条件保障。

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，包括月池活门装置，提升装置，塔架，管道自动化对接与拆卸装置，管道存储转运及辅助联接装置，提升泵，集成式电缆布放回收装置，软管布放回收装置；

月池的上方安装月池活门装置，月池活门装置上安装塔架，塔架上吊装提升装置，所述提升装置用于提升硬管；

所述管道自动化对接与拆卸装置设在月池活门装置上；所述管道自动化对接与拆卸装置用于硬管与硬管的对接与拆卸，硬管与软管的对接与拆卸；

月池活门装置右侧的甲板上安装了管道存储转运及辅助联接装置，管道存储转运及辅助联接装置用于存放、转运硬管，以及硬管与提升泵的联结；

月池前侧的甲板上安装集成式电缆布放回收装置，所述集成式电缆布放回收装置用于多种电缆的布放与回收；

月池旁边的甲板上还安装有软管布放回收装置，所述软管布放回收装置用于软管的布放与回收。

进一步的，所述月池活门装置包括月池工作平台、活动门、夹持装置；

所述月池工作平台包括平台顶面和支撑架，所述平台顶面为中空框，所述中空框在月池上方直通月池，所述支撑架支撑在所述平台顶面下，支撑架的基脚安装在月池周围；

所述中空框处设有所述活动门，所述活动门包括两扇对开的门体，所述两扇门体分别通过链接在月池工作平台顶面上，所述两扇门体分别向下翻转对开，闭合的两扇门体中心处设有通孔，所述通孔处设有夹持装置，用于夹持硬管。

进一步的，所述夹持装置为对开式的万向节和动力卡瓦，所述动力卡瓦安装在万向节上。

所述两扇门体分别使用液压油缸实现开启和关闭，所述液压油缸底座安装在所述平台顶面下方支撑架上，所述液压油缸头铰接在所述门体远离门轴处的下端，所述液压油缸由液压泵站驱动，液压泵站受电气控制系统控制。

进一步的，所述集成式电缆布放回收装置包括结构基座,所述结构基座分别安装了海底采矿车光电复合脐带缆绞车、中继站动力通讯复合电缆绞车、提升输送泵动力通讯复合缆绞车和排缆器组,所述海底采矿车光电复合脐带缆绞车、中继站动力通讯复合电缆绞车、提升输送泵动力通讯复合缆绞车各自的缆线分别连接所述排缆器组中的一个排缆器；三台对绞车、排缆器按空间顺序的刚性固定安装在结构基座上，三种电缆的布放回收互不干扰。

进一步的，所述软管布放回收装置包括导向架，止滑结，软管限位圈；

所述导向架为整体为弧形，固定安装在月池旁边的甲板面上，所述导向架上设有凹槽，凹槽直径大于软管直径，为软管导向；

所述止滑结为螺旋圈形，内圈通孔直径大于软管接头最大直径，所述止滑结由牵引绳牵引连接；

所述软管限位圈的圈座以刚性固定的方式安装在所述导向架上，圈体口径大于软管接头最大直径。

优化的，所述软管布放回收装置还包括限位挡板，所述限位挡板以刚性固定的方式连接在所述导向架上，软管及软管接头能穿过马蹄形限位挡板。

进一步优化的，所述软管布放回收装置还包括刹车气缸；所述的刹车气缸安装在导向架的基脚部位，设有圆形通孔，通孔直径大于软管接头最大直径，通孔内安装有位置可调的一组活动摩擦块，如卷车主轴转速过快，可操作刹车气缸使摩擦块组靠近，增加摩擦力使软管减速。

更加优化的，所述的用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统包括采矿车布放回收装置，水下机器人布放回收装置，ROV脐带缆绞车；所述采矿车布放回收装置，水下机器人布放回收装置，ROV脐带缆绞车分别安装在船首上不同部位。

更加优化的，所述的用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统还包括辅助作业装置、中继站；月池左侧的甲板上安装所述辅助作业装置，辅助作业装置通过中继电缆联结所述中继站。

本发明用于在规定海况把水下采矿系统的全部设备和辅助设施安全地布放到水下规定作业点，且能在规定海况把上述全部设备设施安全地回收到水面母船上来。水面支持布放回收系统可通过中央控制室进行操作协同控制，也可在装置机旁进行操作。本发明空间安排合理，工作流程衔接紧密，既能安全可靠地完成布放回收作业，又能有效提高布放回收效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1为用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统整体的主视图。

图2为用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统整体的俯视图。

图3为用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统整体设备布放状态下的主视图。

图4为月池活门装置关闭状态时的主视图。

图5为月池活门装置打开状态时的主视图。

图6为集成式电缆布放回收装置的主视图。

图7为软管布放回收装置的主视图。

具体实施方式

如图1、图2，结合图3所示的用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，包括采矿车布放回收装置1，管道自动化对接与拆卸装置2，月池活门装置3，集成式电缆布放回收装置4，管道存储转运及辅助联接装置5，提升装置6，软管布放回收装置7，塔架8，辅助作业装置9，月池10，提升泵11，中继站12，水下机器人布放回收装置13，ROV脐带缆绞车14，采矿车15，硬管16，水下机器人17，中继站电缆18。

月池10的上方安装月池活门装置3，月池活门装置3上安装塔架8，塔架8上吊装提升装置6，提升装置用于提升硬管。

管道自动化对接与拆卸装置设在月池活门装置上；所述管道自动化对接与拆卸装置用于硬管与硬管的对接与拆卸，硬管与软管的对接与拆卸。

月池活门装置3右侧的甲板上安装了管道存储转运及辅助联接装置5，管道存储转运及辅助联接装置5用于存放、转运硬管16，以及硬管16与提升泵11的联结。月池10前侧的甲板上安装集成式电缆布放回收装置4，集成式电缆布放回收装置用于多种电缆的布放与回收。左侧的甲板上安装辅助作业装置9，辅助作业装置9上放置中继站12，当中继站12布放到水下时，辅助作业装置通过中继电缆联结所述中继站。月池旁边的甲板上还安装有软管布放回收装置7，软管布放回收装置用于软管的布放与回收。采矿车布放回收装置1，水下机器人布放回收装置13，ROV脐带缆绞车14，采矿车15等属于现有装置，可根据需要布放在甲板上。

布放工作流程如下：在月池附近将软管和电缆捆绑放入月池内，利用水下机器人将软管和电缆拖曳至船尾与采矿车连接好；采矿车布放回收装置将采矿车从甲板吊起，稳定后下放采矿车入水，软管和电缆随采矿车协同布放；利用辅助作业装置将中继站运行至月池活门装置正下方，将软管与中继站对接，电缆与中继站捆扎，提升装置提升中继站在月池活门装置处卡紧悬挂，辅助作业装置回归原位让出月池空间；管道储存转运及辅助连接装置将硬管运送到月池活门装置上方，提升装置提升硬管使其竖直并对准中继站；利用管道对接与拆卸装置完成硬管与中继站对接，打开月池活门装置，提升装置下放中继站和硬管到预定位置，绑扎电缆，关闭月池活门装置卡紧硬管，同时船尾下放采矿车；重复硬管转运、提升、对接工序，在预定的高度处采用布放硬管类似方式完成提升泵与硬管的对接和布放，同时绑扎电缆，直至硬管布放完毕，整个水下设备悬挂在月池活门装置上；水面支持布放回收系统进入补偿模式，布放工作完成。最终完成布放后的工作状态见图2。

回收工作流程如下：电缆解绑，月池活门装置打开，提升装置下放抓取管道并缓慢提升，启动采矿车布放回收装置回收采矿车，保持采矿车与中继站相对稳定位置，同时启动电缆布放回收装置对电缆进行回收；提升硬管到预定位置，关闭月池活门装置卡紧硬管，启动管道对接与拆卸装置拆卸硬管，提升装置将硬管放置到管道存储转运及辅助联接装置内，转运回原位并储存；重复以上提升、拆卸、转运工序，完成硬管、中继站、提升泵的回收，同时完成采矿车、电缆的协同回收；硬管回收完毕后，在软管弯曲半径允许的前提下，在月池附近对软管进行回收，最后利用采矿车布放回收装置提升采矿车回收到甲板面；各设备设施归位，完成整个水面支持回收作业。

结合图4、图5所示的月池活门装置3，包括月池工作平台包括平台顶面21和支撑架27，平台顶面21为中空框，在一定高度上直通下方的月池，支撑架27支撑在平台顶面24下，支撑架的基脚安装在月池10周围。中空框处设有活动门，活动门包括两扇对开的门体21，两扇门体分别通过铰链链接在月池工作平台顶面上，两扇门体分别向下翻转对开，闭合的两扇门体中心处设有通孔，通孔处设有夹持装置，用于夹持硬管夹持。活动门的通孔直径大小按照海洋采矿工程所使用的硬管的大小进行设计，无需补芯或换芯。夹持装置为对开形式，门式液压操作，主要作用是支撑管道，辅助实现快速连接和拆卸管道。

夹持装置为对开式的万向节23和动力卡瓦22，动力卡瓦22安装在万向节23上。对开式的万向节为门式液压操作，能够支持动力卡瓦与整个管道的重量，以补充由于海流产生的管道偏移，便于管道连接。

两扇门体分别使用液压油缸实现开启和关闭，液压油缸28的底座安装在平台顶面24下方支撑架27上，液压油缸头铰接在门体远离门轴处的下端。活动门使用液压油缸实现开启和关闭，液压油缸由液压泵站驱动，液压泵站受电气控制系统控制。

通常情况下活动门处于关闭状态，这样能够利用安装在活动门上的卡盘装置、万向节，悬持包括硬管、软管、中继站、提升泵在内的设备。为管道连接、电缆捆扎等提供工作平台。在活动门关闭状态，能够利用安装在活动门上的卡盘装置、万向节，悬持包括硬管、软管、中继站、提升泵在内的设备。为管道连接、电缆捆扎等提供工作平台。

如图6所示的集成式电缆布放回收装置4，包括海底采矿车光电复合脐带缆绞车31、中继站动力通讯复合电缆绞车32、提升输送泵动力通讯复合缆绞车33、排缆器组34、结构基座35。基座底部35本体为钢结构，以螺栓固定的形式安装在甲板结构上，结构基座35上分别安装了海底采矿车光电复合脐带缆绞车31、中继站动力通讯复合电缆绞车32、提升输送泵动力通讯复合缆绞车33和排缆器组34。海底采矿车光电复合脐带缆绞车、中继站动力通讯复合电缆绞车、提升输送泵动力通讯复合缆绞车各自的缆线分别连接排缆器组34中的一个排缆器。排缆器组中每个排缆器由固定底座、导缆轮和限缆器组成，成上下排列，安装在结构基座的边缘位置，方便电缆的布放回收。三台绞车和三个排缆器按一定空间顺序的以刚性固定的方式安装在结构基座上，使三种电缆的布放回收互不干扰。

海底采矿车光电复合脐带缆绞车采用高压轴向柱塞式液压马达驱动，带张力控制和调节功能,减速机内置式刹车。中继站动力通讯复合电缆绞车采用高压轴向柱塞式液压马达驱动，带张力控制和调节功能,减速机内置式刹车。提升输送泵动力通讯复合缆绞车采用高压轴向柱塞式液压马达驱动，带张力控制和调节功能,减速机内置式刹车。

将该集成式绞车按总体的要求安装在甲板指定位置，启动液压系统，使海底采矿车光电复合脐带缆绞车31转动，将电缆接头穿过排缆器34，与采矿车接头连接，采矿车光电复合脐带缆绞车持续工作，同时排缆器在结构基座35的丝杆上以一定速度往复运动，布放电缆。中继站动力通讯复合电缆绞车32、提升输送泵动力通讯复合缆绞车33以同样的作业方式进行工作，完成电缆布放，最后将电缆的另一端接头接入指定电源。

电缆回收时，将电缆接头与电源断开，再连接相应的绞车接头，驱动液压系统使提升输送泵动力通讯复合缆绞车33、中继站动力通讯复合电缆绞车32和采矿车光电复合脐带缆绞车31反向转动，同时排缆器在结构基座35的丝杆上以一定速度往复运动，同步回收电缆，待提升泵升至甲板面以上时，将提升泵复合缆的另一端接头与提升泵断开，并从排缆器退回。中继站动力通讯复合电缆绞车32和采矿车光电复合脐带缆绞车31以同样的作业方式进行工作，完成电缆回收。

如图7所示的软管布放回收装置7，导向架43底部设有基座41，基座41以螺栓连接的形式安装在甲板面的支座上。导向架为弧形或半圆形，导向架上设有圆弧形凹槽轨道，便于为软管48导向。

软管限位圈42的圈座刚性固定在导向架43上圈体口径大于软管接头最大直径。限位挡板44刚性固定在导向架上，既可使软管48圆滑通过，又能防止软管48滑脱或崩起。卷车47与导向架43之间有一定距离，软管又有一定重量，容易在甲板上发生堆集，止滑结46由牵引绳连接船舶自带的风动绞车，张紧牵引绳49使止滑结距离甲板一定高度，使其成为平滑向下的导向趋势，防止软管因自身重力堆集在卷车和导向架之间。在导向架3的基脚处安装刹车气缸45，通过调节摩擦块之间的距离来控制软管布放回收速度。如卷车主轴转速过快，可操作刹车气缸使摩擦块组靠近，增加摩擦力使软管减速。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，其特征在于，包括月池活门装置，提升装置，塔架，管道自动化对接与拆卸装置，管道存储转运及辅助联接装置，提升泵，集成式电缆布放回收装置，软管布放回收装置；

月池的上方安装月池活门装置，月池活门装置上安装塔架，塔架上吊装提升装置，所述提升装置用于提升硬管；

所述管道自动化对接与拆卸装置设在月池活门装置上；所述管道自动化对接与拆卸装置用于硬管与硬管的对接与拆卸，硬管与软管的对接与拆卸；

月池活门装置右侧的甲板上安装了管道存储转运及辅助联接装置，管道存储转运及辅助联接装置用于存放、转运硬管，以及硬管与提升泵的联结；

月池前侧的甲板上安装集成式电缆布放回收装置，所述集成式电缆布放回收装置用于多种电缆的布放与回收；

月池旁边的甲板上还安装有软管布放回收装置，所述软管布放回收装置用于软管的布放与回收。

2.根据权利要求1所述的用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，其特征在于，所述月池活门装置包括月池工作平台、活动门、夹持装置；

所述月池工作平台包括平台顶面和支撑架，所述平台顶面为中空框，所述中空框在月池上方直通月池，所述支撑架支撑在所述平台顶面下，支撑架的基脚安装在月池周围；

所述中空框处设有所述活动门，所述活动门包括两扇对开的门体，所述两扇门体分别通过链接在月池工作平台顶面上，所述两扇门体分别向下翻转对开，闭合的两扇门体中心处设有通孔，所述通孔处设有夹持装置，用于夹持硬管。

3.根据权利要求2所述的深海采矿输送硬管夹持摇摆装置，其特征在于，所述夹持装置为对开式的万向节和动力卡瓦，所述动力卡瓦安装在万向节上。

4.根据权利要求3所述的用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，其特征在于，所述两扇门体分别使用液压油缸实现开启和关闭，所述液压油缸底座安装在所述平台顶面下方支撑架上，所述液压油缸头铰接在所述门体远离门轴处的下端，所述液压油缸由液压泵站驱动，液压泵站受电气控制系统控制。

5.根据权利要求1所述的用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，其特征在于，所述集成式电缆布放回收装置包括结构基座,所述结构基座分别安装了海底采矿车光电复合脐带缆绞车、中继站动力通讯复合电缆绞车、提升输送泵动力通讯复合缆绞车和排缆器组,所述海底采矿车光电复合脐带缆绞车、中继站动力通讯复合电缆绞车、提升输送泵动力通讯复合缆绞车各自的缆线分别连接所述排缆器组中的一个排缆器；三台对绞车、排缆器按空间顺序的刚性固定安装在结构基座上，三种电缆的布放回收互不干扰。

6.根据权利要求1所述的用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，其特征在于，所述软管布放回收装置包括导向架，止滑结，软管限位圈；

所述导向架为整体为弧形，固定安装在月池旁边的甲板面上，所述导向架上设有凹槽，凹槽直径大于软管直径，为软管导向；

所述止滑结为螺旋圈形，内圈通孔直径大于软管接头最大直径，所述止滑结由牵引绳牵引连接；

所述软管限位圈的圈座以刚性固定的方式安装在所述导向架上，圈体口径大于软管接头最大直径。

7.根据权利要求6所述的用于深海采矿软管布放回收的导向装置，其特征在于，还包括限位挡板，所述限位挡板以刚性固定的方式连接在所述导向架上，软管及软管接头能穿过马蹄形限位挡板。

8.根据权利要求7所述的用于深海采矿软管布放回收的导向装置，其特征在于，还包括刹车气缸；所述的刹车气缸安装在导向架的基脚部位，设有圆形通孔，通孔直径大于软管接头最大直径，通孔内安装有位置可调的一组活动摩擦块，如卷车主轴转速过快，可操作刹车气缸使摩擦块组靠近，增加摩擦力使软管减速。

9.根据权利要求1所述的用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，其特征在于，还包括采矿车布放回收装置，水下机器人布放回收装置，ROV脐带缆绞车；所述采矿车布放回收装置，水下机器人布放回收装置，ROV脐带缆绞车分别安装在船首上不同部位。

10.根据权利要求1所述的用于深海采矿工程的水面支持布放回收系统，其特征在于，还包括辅助作业装置、中继站；月池左侧的甲板上安装所述辅助作业装置，辅助作业装置通过中继电缆联结所述中继站。