1.本公開涉及深海采礦技術領域，尤其涉及一種用于深海采礦立管的組合式浮體及其采礦系統(tǒng)。

背景技術：

2.占地球表面49%的深海海底蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，多金屬結核是人類社會可持續(xù)發(fā)展的金屬資源儲備和保障。對海底礦產(chǎn)資源的利用，主要采用海底采集裝置將礦產(chǎn)資源收集轉運到中繼倉中，再由揚礦泵輸送固液混合物，沿垂直軟管從中繼倉提升至海面支撐平臺。由于海洋氣候環(huán)境多變，在收到惡劣天氣預警時，水面支撐平臺需要提前駛離危險海域，但由于水下系統(tǒng)包含有幾千米垂直軟管、揚礦泵、海底采集裝置以及電纜等設備，無法及時回收，也無法隨水面支撐平臺快速駛離危險海域，因此往往需要設置水下平臺來提供浮力和定位通訊。但是，該類水下平臺與垂直軟管接觸面小或者單一接口，導致水下平臺與垂直軟管連接部位存在嚴重應力集中，加速局部管道腐蝕和金屬疲勞；而且在水下平臺在升沉運動時，受到較大流體阻力，加劇水下平臺與垂直軟管連接處應力集中問題，極易導致管道破損甚至浮體脫落等問題。

技術實現(xiàn)要素：

3.為了解決上述技術問題，本公開提供了一種用于深海采礦立管的組合式浮體及其采礦系統(tǒng)。

4.本公開一方面提供了一種用于深海采礦立管的組合式浮體，包括：浮體本體、卡扣和定位模塊，所述浮體本體包括多個浮力模塊，每個所述浮力模塊上均開設有用于供采礦系統(tǒng)的垂直軟管穿過的過管通道，所述過管通道內設置有所述卡扣，所述浮力模塊適于通過所述卡扣與垂直軟管連接，至少一個所述浮力模塊上設置有所述定位模塊。

5.可選地，所述浮體本體為回轉體結構，所述過管通道沿所述浮體本體的中心軸開設。

6.可選地，在垂直于所述浮體本體的中心軸的平面上，所述浮體本體兩端的截面積小于所述浮體本體中部的截面積，且所述浮體本體兩端的截面積均沿中部至端部的方向逐漸減小。

7.可選地，所述浮體本體為橢球體結構。

8.可選地，所述浮體本體的長徑比為4:1。

9.可選地，所述浮力模塊為纖維強化橡膠形成的腔體結構，所述浮力模塊內充有氣體，所述氣體的壓強大于所述浮體本體工作水深壓強的1.5倍。

10.可選地，所述浮體本體由多個所述浮力模塊堆疊形成。

11.可選地，所述浮力模塊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帶動浮力模塊，沿所述過管通道的軸向，至少一部分的所述過管通道形成于所述第一拼接部上，另一部分的所述過管通道形成于所述第二拼接部上。

12.本公開另一方面提供了一種采礦系統(tǒng)，包括垂直軟管和上述的一種用于深海采礦立管的組合式浮體，所述浮體設置于所述垂直軟管用于靠近海面的一端。

13.可選地，還包括中繼艙和揚礦泵，所述揚礦泵設置在所述垂直軟管上，所述垂直軟管遠離海面的一端與所述中繼艙連通，所述浮體本體受到的浮力大于所述垂直軟管和所述揚礦泵受到的重力之和，且所述浮體本體受到的浮力小于所述重量所述垂直軟管、所述揚礦泵和所述中繼倉受到的重力之和。

14.本公開實施例提供的技術方案與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點：本公開實施例提供的一種用于深海采礦立管的組合式浮體及其采礦系統(tǒng)，通過設置包括多個浮力模塊的浮體本體，通過分別安裝浮力模塊組成一個完整的浮體本體，使浮體本體的組裝、維護和更換，以及浮力的調節(jié)更加方便；通過在每個所述浮力模塊上均開設有用于供采礦系統(tǒng)的垂直軟管穿過的過管通道，使多個浮力模塊能夠沿垂直軟管依次排列，并通過卡扣安裝在垂直軟管上，由于多個浮力模塊均通過各自的卡扣與垂直軟管連接，分散了浮體本體與垂直軟管間的相互作用力位點，避免了浮體與垂直軟管連接處產(chǎn)生的應力集中問題；通過在至少一個浮力模塊上設置定位模塊，能夠發(fā)出定位信號，以便避險結束恢復生產(chǎn)時，能夠準確定位，快速恢復生產(chǎn)。

附圖說明

15.此處的附圖被并入說明書中并構成本說明書的一部分，示出了符合本公開的實施例，并與說明書一起用于解釋本公開的原理。

16.為了更清楚地說明本公開實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領域普通技術人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

17.圖1為本公開實施例所述采礦系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖；圖2為本公開實施例所述采礦系統(tǒng)的避險狀態(tài)示意圖；圖3為本公開實施例所述組合式浮體的示意圖；圖4為本公開實施例所述組合式浮體的爆炸圖；圖5為本公開實施例所述組合式浮體的實施例一；圖6為本公開實施例所述組合式浮體的實施例二；圖7為本公開實施例所述組合式浮體的實施例三；圖8為本公開實施例浮體本體形狀與升沉運動速度和水動力阻力間的關系。

18.其中，1、深海礦石采集系統(tǒng)；2、垂直軟管輸送系統(tǒng)；3、組合式浮體；4、水面支持平臺；201、垂直軟管；202、揚礦泵；203、中繼倉；301、浮力模塊；311、第一拼接部；312、第二拼接部；302、卡扣；304、過管通道；303、定位模塊；401、柔性連接管。

具體實施方式

19.為了能夠更清楚地理解本公開的上述目的、特征和優(yōu)點，下面將對本公開的方案進行進一步描述。需要說明的是，在不沖突的情況下，本公開的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

20.在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本公開，但本公開還可以采

用其他不同于在此描述的方式來實施；顯然，說明書中的實施例只是本公開的一部分實施例，而不是全部的實施例。

21.結合圖1至圖4所示，本實施例提供一種用于深海采礦立管的組合式浮體3，包括：浮體本體、卡扣302和定位模塊303，浮體本體包括多個浮力模塊301，每個浮力模塊301上均開設有用于供采礦系統(tǒng)的垂直軟管201穿過的過管通道304，過管通道304內設置有卡扣302，浮力模塊301適于通過卡扣302與垂直軟管201連接，至少一個浮力模塊301上設置有定位模塊303。浮體本體的多個浮力模塊301沿垂直方向依次串連在水下留置系統(tǒng)的垂直軟管201上，并且每個浮力模塊301至少由一個卡扣302固定在垂直軟管201上，以避免浮體本體與垂直軟管201間的相對位移，并分散浮體與垂直軟管201間相互作用，克服應力集中危害。上述的定位模塊303，包括信號發(fā)射裝置、定位裝置和電源，電源與信號發(fā)射裝置和定位裝置電連接，信號發(fā)射裝置用于向水面支撐平臺發(fā)送水下留置系統(tǒng)的位置信息，在緊急避險結束后，水面支撐平臺能夠準確定位，快速恢復生產(chǎn)。可選地，定位模塊303還包括信號接收器，由信號接收器接收操作指令，再收到工作指令后，再開啟定位裝置的定位和發(fā)射裝置的信號發(fā)送功能，降低了定位模塊303的對電源的消耗，以及設備長期工作帶來的老化和可靠性降低的問題。

22.本實施例的一種用于深海采礦立管的組合式浮體3通過設置包括多個浮力模塊301的浮體本體，通過分別安裝浮力模塊301組成一個完整的浮體本體，使浮體本體的組裝、維護和更換，以及浮力的調節(jié)更加方便；通過在每個浮力模塊301上均開設有用于供采礦系統(tǒng)的垂直軟管201穿過的過管通道304，使多個浮力模塊301能夠沿垂直軟管201依次排列，并通過卡扣302安裝在垂直軟管201上，由于多個浮力模塊301均通過各自的卡扣302與垂直軟管201連接，分散了浮體本體與垂直軟管201間的相互作用力位點，避免了浮體與垂直軟管201連接處產(chǎn)生的應力集中問題；通過在至少一個浮力模塊301上設置定位模塊303，能夠發(fā)出定位信號，以便避險結束恢復生產(chǎn)時，能夠準確定位，快速恢復生產(chǎn)。

23.在結合圖5至圖7所示的實施例中，浮體本體為回轉體結構，過管通道304沿浮體本體的中心軸開設，上述的設置方式能夠保證浮體本體受力平衡時，過管通道304保持豎直，使緊急避險狀態(tài)的垂直軟管201能夠保持垂直姿態(tài)，避免礦石傾灑。具體而言，浮體本體的經(jīng)過過管通道304的截面輪廓可以是如實施例一所示的橢球形，也可以是如實施例二所示的紡錘形或如實施例三所示的梭形。

24.在一些實施例中，在垂直于浮體本體的中心軸的平面上，浮體本體兩端的截面積小于浮體本體中部的截面積，且浮體本體兩端的截面積均沿中部至端部的方向逐漸減小，該結構保證浮體本體能夠提供足夠浮力同時減少系統(tǒng)垂蕩過程中所產(chǎn)生的流體阻力。

25.在一些實施例中，浮體本體為橢球體結構，橢球體的長軸沿垂直軟管201的延伸方向設置，浮體本體的總體積可以是20m3，具體而言，浮體本體的長徑比可以是2:1、4:1、8:1等。

26.在一些實施例中，浮體本體的長徑比為4:1。對橢球體進行定義時a、b、c分別代表三維笛卡爾坐標中x、y、z軸的一半，橢球體是繞長軸旋轉的軸對稱圖形，因此b=c；而球體是特殊的橢球體，即a=b=c。

27.根據(jù)橢球體體積公式v=πabc可得浮體幾何參數(shù)和總阻力系數(shù)cd：

可見，相比于球體，浮體本體為橢球體時不僅降低了總阻力系數(shù)，還減少了升沉迎水截面積。

28.進一步地，在浮體本體上下升沉過程中，所產(chǎn)生的水動力阻力可由下式計算得出：其中，為流體密度，a為浮體本體升沉運動中的迎水截面積，v為浮體本體升沉運動速度；考慮不同的升沉運動速度，浮體本體產(chǎn)生的水動力阻力如圖8所示。

29.由圖8可見，相比如球體，采用橢球體的浮體本體能顯著降低組合式浮體的水動力阻力，從而減少對垂直軟管升沉運動中的動荷載。考慮到長徑比8:1的浮體本體太過細長，不易于加工和運輸，而長徑比8:1的浮體本體相較于長徑比為4:1的浮體本體水動力性能提升有限，即長徑比為4:1的浮體本體已經(jīng)能夠很好地改善其水動力特性，符合實際工況的需求，故認為浮體本體采用長徑比為4:1的橢球體為最優(yōu)。

30.在一些實施例中，浮力模塊301為纖維強化橡膠形成的腔體結構，浮力模塊301內充有氣體，優(yōu)選地，浮體模塊上設置有通氣口，通過通氣口可對浮力模塊301進行充氣或放氣，使浮力模塊301在閑置時可放氣疊置，避免占用空間，氣體的壓強大于浮體本體工作水深壓強的1.5倍，以保證浮力模塊301在海底受壓后體積減小后，仍然具有足夠的浮力維持垂直軟管201的水下姿態(tài)，同時使揚礦泵202直立于水下。

31.在一些實施例中，浮體本體由多個浮力模塊301堆疊形成，更詳細的，浮力模塊301可以是浮體本體沿過管通道304延伸方向分隔出的切片結構，浮力模塊301的數(shù)量和厚度可依據(jù)浮體本體的結構和浮體本體的設定裝配時間進行靈活設置，通過增加或減少浮力模塊301數(shù)量，改善垂直軟管201的力學分布及其空間構型，優(yōu)化垂直軟管201的水力輸送條件。優(yōu)選地，相鄰的兩個浮力模塊301之間限位配合，具體可以是綁帶連接、卡扣302連接、磁吸連接等。

32.在一些實施例中，浮力模塊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拼合形成帶動浮力模塊301，沿過管通道304的軸向，至少一部分的過管通道304形成于第一拼接部311上，另一部分的過管通道304形成于第二拼接部312上。具體地，第一拼接部311和第二拼接部312拼接形成一個完整的浮力模塊301，由于在垂直軟管201的周向上，第一拼接部311和第二拼接部312在拼合時能夠形成過管通道304，因此簡化了浮力模塊301的安裝，而從垂直軟管201的一端套設浮力模塊301，以方便對浮力模塊301維護和更換、并能夠靈活調節(jié)浮力模塊301的數(shù)量和浮體本體的形狀，進而調整浮體本體所受到的浮力。優(yōu)選地，第一拼接部311和第二拼接部312關于浮力模塊301的軸向截面對稱，

由于第一拼接部311和第二拼接部312的拼接面經(jīng)過管通道304的直徑，因此裝配時更加便利，同時也節(jié)省了設計和加工成本。

33.本實施例提供的采礦系統(tǒng)，包括垂直軟管201和上述的一種用于深海采礦立管的組合式浮體3，浮體設置于垂直軟管201用于靠近海面的一端。

34.在一些實施例中，采礦系統(tǒng)還包括中繼艙和揚礦泵202，揚礦泵202設置在垂直軟管201上，垂直軟管201遠離海面的一端與中繼艙連通，浮體本體受到的浮力大于垂直軟管201和揚礦泵202受到的重力之和，且浮體本體受到的浮力小于重量垂直軟管201、揚礦泵202和中繼倉203受到的重力之和。另外，該采礦系統(tǒng)還包括采礦車、輸送軟管和采礦船；其中，采礦車通過輸送軟管與中間倉連通，中間倉通過垂直軟管201與采礦船連通，垂直軟管201上設置有揚礦泵202和水下浮體組合式浮體3。組合式浮體3在緊急避險脫離前，可以通過改變浮力模塊301數(shù)量，調節(jié)浮體浮力，使其浮力介于揚礦泵202與垂直軟管201水下總重量和揚礦泵202、垂直軟管201與中繼倉203的水下總重量之間，確保水面平臺脫離后，中繼倉203在自重作用下能夠下沉至觸及海底，同時維持垂直軟管201直立狀態(tài)。

35.本公開提供的采礦系統(tǒng)，包括上述的組合式浮體3，由于該組合式浮體3具有分散垂直軟管201受力的優(yōu)點，因此該采礦系統(tǒng)在相應方面也具有較好的品質。

36.在本公開的實施方式的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”、等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本公開的實施方式和簡化描述，而不是指示或暗示所指的結構或裝置必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本公開的實施方式的限制。

37.需要說明的是，在本文中，諸如“第一”和“第二”等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個

……”

限定的要素，并不排除在包括要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

38.以上僅是本公開的具體實施方式，使本領域技術人員能夠理解或實現(xiàn)本公開。對這些實施例的多種修改對本領域的技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本公開的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本公開將不會被限制于本文的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。技術特征：

1.一種用于深海采礦立管的組合式浮體（3），其特征在于，包括：浮體本體、卡扣（302）和定位模塊（303），所述浮體本體包括多個浮力模塊（301），每個所述浮力模塊（301）上均開設有用于供采礦系統(tǒng)的垂直軟管（201）穿過的過管通道（304），所述浮體模塊上設置有所述卡扣（302），所述浮力模塊（301）適于通過所述卡扣（302）與垂直軟管（201）連接，至少一個所述浮力模塊（301）上設置有所述定位模塊（303）。2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于深海采礦立管的組合式浮體（3），其特征在于，所述浮體本體為回轉體結構，所述過管通道（304）沿所述浮體本體的中心軸開設。3.根據(jù)權利要求2所述的一種用于深海采礦立管的組合式浮體（3），其特征在于，在垂直于所述浮體本體的中心軸的平面上，所述浮體本體兩端的截面積小于所述浮體本體中部的截面積，且所述浮體本體兩端的截面積均沿中部至端部的方向逐漸減小。4.根據(jù)權利要求3所述的一種用于深海采礦立管的組合式浮體（3），其特征在于，所述浮體本體為橢球體結構。5.根據(jù)權利要求4所述的一種用于深海采礦立管的組合式浮體（3），其特征在于，所述浮體本體的長徑比為4:1。6.根據(jù)權利要求1所述的一種用于深海采礦立管的組合式浮體（3），其特征在于，所述浮力模塊（301）為纖維強化橡膠形成的腔體結構，所述浮力模塊（301）內充有氣體，所述氣體的壓強大于所述浮體本體工作水深壓強的1.5倍。7.根據(jù)權利要求1至6任一項所述的一種用于深海采礦立管的組合式浮體（3），其特征在于，所述浮體本體由多個所述浮力模塊（301）堆疊形成。8.根據(jù)權利要求7所述的一種用于深海采礦立管的組合式浮體（3），其特征在于，所述浮力模塊（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）拼合形成帶動浮力模塊（301），沿所述過管通道（304）的軸向，至少一部分的所述過管通道（304）形成于所述第一拼接部（311）上，另一部分的所述過管通道（304）形成于所述第二拼接部（312）上。9.一種采礦系統(tǒng)，其特征在于，包括垂直軟管（201）和如權利要求1至8任一項所述的一種用于深海采礦立管的組合式浮體（3），所述浮體設置于所述垂直軟管（201）用于靠近海面的一端。10.根據(jù)權利要求9所述的采礦系統(tǒng)，其特征在于，還包括中繼艙和揚礦泵（202），所述揚礦泵（202）設置在所述垂直軟管（201）上，所述垂直軟管（201）遠離海面的一端與所述中繼艙連通，所述浮體本體受到的浮力大于所述垂直軟管（201）和所述揚礦泵（202）受到的重力之和，且所述浮體本體受到的浮力小于所述重量所述垂直軟管（201）、所述揚礦泵（202）和所述中繼倉（203）受到的重力之和。

技術總結

本公開涉及深海采礦技術領域，提供一種用于深海采礦立管的組合式浮體及其采礦系統(tǒng)，包括浮體本體、卡扣和定位模塊，浮體本體包括多個浮力模塊，每個浮力模塊上均開設有用于供采礦系統(tǒng)的垂直軟管穿過的過管通道，過管通道內設置有卡扣，浮力模塊適于通過卡扣與垂直軟管連接，至少一個浮力模塊上設置有定位模塊。該組合式浮體能夠分散垂直軟管的受力，保證緊急避險期間，水下留置系統(tǒng)下沉避險并維持垂直穩(wěn)定狀態(tài)。本公開提供的采礦系統(tǒng)，包括上述的組合式浮體，由于該組合式浮體具有分散垂直軟管受力的優(yōu)點，因此該采礦系統(tǒng)在相應方面也具有較好的品質。較好的品質。較好的品質。

技術研發(fā)人員：曹華德 夏建新 魏定邦 楊強 劉珅

受保護的技術使用者：中國地質大學（北京）

技術研發(fā)日：2023.05.25

技術公布日：2023/6/26