用于在大深度处从海床采集矿藏并将所述矿藏输送至浮船的水下采矿运载工具和方法

摘要

本申请涉及一种用于在大深度处从海床采集矿藏并将所述矿藏输送至浮船的水下采矿运载工具和方法。所述运载工具包括承载结构，所述承载结构具有用于在所述海床上推进所述运载工具的装置和所述矿藏的拾取单元。还设置了升降架且一端装配有连接器，所述连接器用以连接至设置在所述浮船和所述运载工具之间的悬挂线缆。所述升降架的另一端通过铰接连接件连接至所述承载结构，所述铰接连接件由致动装置致动，使得当所述运载工具从所述悬挂装置悬挂时，所述承载结构的相对于所述升降架的角位置能够被固定在多个不同角度位置处。所述升降架允许以受控方式投放并定位水下运载工具。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在大深度处从海床采集矿藏并将所述矿藏输送至浮船的水下采矿运载工具。本发明还涉及一种用于在大深度处从海床采集矿藏并将所述矿藏输送至浮船的方法。

背景技术

深海开采涉及采集矿藏，诸如海底4,000m-6,000m(以下)处的多金属结核、钻石、黄金和稀土。多金属结核可例如包括镍、铜、钴锰结核。在深海采矿中，海底可能距离海面高达5000m或更远，且深海采矿的开发设备会面对许多挑战。

深海采矿船需要将水下采矿设备带至海底并在采矿作业结束之后从海底将水下采矿设备回收。通常的船包括从对接井操作的一些类型的投放和对接设备。这种对接井穿过船体并由船体包围，并且在其底侧向海开放，从而限定对接井的所谓的飞溅区。如果需要，对接井可由可动闸门跨越底部关闭。深海采矿船通常还包括泵送设备，该泵送设备通过输送管道系统将开采的矿藏从海底带至船存储舱。立管柱从船延伸至采矿设备以朝向海面传送开采的矿物结核。提升系统通常可操作地使立管柱升起和投放。

US4,232,903公开了一种用于从海床采集矿藏并将所述矿藏输送至浮船的水下采矿运载工具。采矿运载工具包括承载结构，该承载结构设有用于在海床上推进该运载工具的推进装置。该运载工具配备有拾取单元和用于将运载工具附连至牵引线缆的框架。在运载工具的部署过程中，框架与从其上悬挂的线缆保持在一条竖直线上。当运载工具停靠在海底时，框架被丢弃至更加水平拖曳或牵引位置处。

WO 2012/134275 A2公开了采矿或疏浚运载工具。运载工具可从海底线缆和立管悬挂来从海底挖掘或疏浚材料。运载工具包括具有支撑表面的滑架结构，其取向可由液压缸相对于运载工具的框架来调节。设置吸入高度控制器以控制挖掘头的高度并因此在“滑架模式”和“滑翔模式”之间切换。运载工具还设有布置为机械地连接至牵引线缆的可调节悬挂装置。可调节悬挂装置允许控制牵引线缆在沿海床移动的过程中对运载工具施加牵引力并实现更好微控制的角度。

WO 2012/158028 A1公开了公知的吸入疏浚船，该吸入疏浚船设有吸入管，远程控制的采矿或疏浚运载工具附连至所述吸入管。连接通过柔性立管来实现。

在投放式水下采矿设备中，最大环境情况往往受限于一些波浪高度，且在等待天气窗口来部署或回收设备的时候，会流失相当长时间。此外，在投放和回收过程中，会对海底采矿设备发生最大损坏。假设采矿运载工具的尺寸、复杂性和成本，这是不可接受的。

在投放和回收水下采矿设备过程中，会在更高程度上发生上述缺点。事实上，深海采矿设备优选具有相对较小重量，这使得在突然接触大量移动的水时难以控制这样的设备。与船的部件或其它结构碰撞的风险很高。

因此，本发明的目的是提供用于将水下采矿设备从浮船的对接井投放至水中并以更可控的方式从水中回收所述设备的装置和方法。

发明内容

本发明提供了一种用于在大深度处从海床采集矿藏并将所述矿藏输送至浮船的水下采矿运载工具，运载工具包括承载结构，所述承载结构设有用于在海床上推进运载工具的装置和矿藏的拾取单元，运载工具还包括升降架，所述升降架的一端设有悬挂连接器，所述悬挂连接器用以连接至设置在浮船和运载工具之间的悬挂线缆，且另一端通过铰接连接件连接至承载结构，所述升降架由致动装置致动，使得当所述运载工具从所述悬挂装置悬挂时，承载结构可相对于升降架的角位置被固定在多个不同角度位置处。根据本发明，升降架和致动装置适于改变运载工具框架相对于运载工具从其上悬挂的线缆的角位置。通过为根据本发明的运载工具提供升降架(其允许使承载结构绕基本水平轴(约平行于海床的轴)旋转并将其固定至基本上任何角位置，同时该升降架挂在悬挂线缆上)，可能在约任何角位置(优选在基本竖直位置)处投放并回收采矿运载工具。这已被证明提高投放和回收操作的可控性。

本发明的一个有用实施例提供装置的一个实施例，其还包括连接器，所述连接器用于连接至设置在运载工具和浮船之间的矿藏输送系统。

在本发明的另一实施例中，提供了一种装置，其中升降架装配有用于拾取矿藏的输送装置，升降架的一端设有连接器且另一端连接至拾取装置。设置在升降架上的输送装置可例如包括附连至升降架的框架构件并通过连接器与矿藏输送系统连接的刚性输送管。

在本发明的一个实施例中，提供了一种水下采矿运载工具，其中致动装置包括在框架和承载结构之间延伸的液压缸。

本发明的另一实施例提供一种水下采矿运载工具，其中运载工具具有重心且在运载工具完全潜入水中时，铰接连接件定位为使得框架和承载结构之间的枢轴线基本上穿过重心。在本申请的上下文中，词“基本上”意指1.5m、更优选1m内，且最优选0.5m内。

根据本发明的另一实施例，提供了一种水下采矿运载工具，其包括浮力装置，优选以多个浮力元件的形式，最优选地布置在运载工具的部件上。合适的浮力元件需要能够承受海底的高压，优选大于500巴。

本发明的另一实施例提供一种水下采矿运载工具，其中承载结构和/或升降架基本上是平面的。

在根据本发明的水下采矿运载工具的一个具体实施例中，承载结构包括纵向梁构件的叉形架，所述纵向梁构件在叉形架的根部连接；和横向梁构件，所述横向梁构件在与叉形架的根部的一定距离处跨越纵向梁构件之间的距离。

水下采矿运载工具的一个有用实施例的特征在于，横向构件可枢转地连接至叉形架的根部。

根据本发明的水下采矿运载工具的另一实施例包括运载工具的每侧处的至少一个推进装置。

推进装置可以是本领域中已知的任何装置，但在一个优选实施例中包括履带组件。

根据本发明的水下采矿运载工具的另一特别有用的实施例包括悬挂装置的悬挂连接器，在从所述悬挂装置悬挂时，所述悬挂连接器适于允许运载工具绕平行于悬挂装置轴的轴自由转动。合适的悬挂装置包括悬挂线缆。

根据本发明的另一实施例，水下采矿运载工具的悬挂连接器包括回转环，所述回转环可附连至悬挂装置并包括转动压盖。

本发明还涉及一种用于在大深度处从海床采集矿藏并将所述矿藏输送至浮船的方法。根据本发明的方法包括以下连续步骤：提供根据本发明的水下采矿运载工具；将所述采矿运载工具的升降架连接至设置在浮船和运载工具之间的悬挂线缆；以第一角度位置由承载结构朝向海床降低运载工具；致动升降架和承载结构之间的铰接连接件以相对于升降架将承载结构固定在不同于承载结构的第一角位置的第二角度位置处；将运载工具定位在海床上并在海床上推进运载工具来拾取矿藏。

在一个实施例中，采矿运载工具连接至设置在运载工具和浮船之间的矿藏输送系统。矿藏输送系统可根据本领域中已知的任何系统来构造并优选地包括相互连接、设置在运载工具和浮船之间的刚性管部分的立管柱。

方法的一个特别优选实施例的特征在于，第一角位置平行于竖直方向。更优选地，第二角度位置相对于竖直方向成90°或以上的角度。

在根据本发明的方法的又另一实施例中，第二角度位置相对于竖直方向成90°以上的角度，使得运载工具以其后端首先接触海床。

附图说明

现在将参考附图更详细地阐述本发明，而不受限于此。在附图中：

图1是本发明的水下采矿运载工具的一个实施例的透视图；

图2是图1的水下采矿运载工具与附连至其上的柔性立管的组件的透视图；

图3是示出根据本发明的一个实施例处于断开状态的承载结构和升降架的运载工具的透视图；

图4是设有推进装置的图1的运载工具的承载结构的透视图；

图5是设有推进装置和升降架的图1的运载工具的承载结构的俯视图；

图6是透视图；和

图7A、图7B和图7C是不同角位置处的根据本发明的一个实施例的运载工具的横向示图。

具体实施方式

在图1中示出可由浮船上的对接装置投放和回收的采矿运载工具1的一个实施例的整体布置。采矿运载工具1包括其前侧的收集器2。所示实施例的“液压”收集器2仅是适用的收集器的一个实例，其它可用的收集器也在本发明的范围之内。运载工具1还包括承载结构3(见图3)，该承载结构设有四个履带组件4的形式的推进装置。一对履带组件4在运载工具1的一侧彼此独立地移动，而另一对履带组件4在运载工具1的相对侧移动。旋转履带组件4将在海床5上推进运载工具1。

承载结构3还容纳了泵、电气设备、液压设备等，和将运载工具1连接至立管的互连软管组件7的铰接升降架6。四个运载工具引导托架8安装在运载工具1的各侧且旨在部署期间通过设置在船上的对接装置中的导轨(未示出)引导运载工具1。托架8安装在履带组件4的基座上，每个履带组装两个托架。

为了减少运载工具1的水下重量和履带组件4的土壤支承力，在一个实施例中，加入了密度是约300-700kg/m³的耐压浮力元件(未示出)。浮力优选平均分布在运载工具上并减少主承载结构3中的附着水。运载工具1的前部的收集器2可由放置在其周围的浮力元件中立地补偿。适当地定位多个浮力元件使得整个运载工具1的重心几乎处于运载工具1的中间。所有浮力元件或块都优选定位在承载结构3的横梁上或横梁处。

图2示意地示出将运载工具1连接至其上的互连软管组件7。组件7包括适于将由运载工具1收集的矿物结核输送至刚性立管8的柔性软管70。柔性软管70本身包括例如10m-15m长的多个软管单元，这些软管单元由栓接的法兰相互连接。当采矿运载工具1不运行时，整个软管70优选地存储在设置在浮船上的卷轴中。

在一个实施例中，多个浮力元件或块71通过一个或多个软管70分隔开(例如约50m的相等的长度)。每个浮力块的重量都优选在500kg和1000kg之间，或甚至更高，可具有约1m的高度和约1.6m的直径。柔性软管70的总长度可在大范围内选择且可例如是约150m，且成形为像低弯度的S形以断开立管8的端部的竖直移动(例如由于升沉)以及运载工具1的水平移动。在软管70的一部分中产生向上力的浮力块71可用于产生S形。

为了在投放或回收过程中支持运载工具1，提升钢缆(优选两跟分离的提升线72)附连至运载工具1以产生足够的纵向强度并提供提升力。钢制提升线72沿软管70设置并且被设计为比软管70本身稍短，以确保它们占据了大部分纵向应力。钢线72优选不固定至软管70，但与软管70一起被捆绑在一个包装里。软管夹73或浮力块71负责捆绑。钢线72的一端连接至互连软管70的顶部法兰，法兰适于传递较大的力。

中央缆线沿互连软管70设置以在浮船和安装在运载工具1上的电子设备之间提供电力并传送信号。中央缆线很方便是包装的一部分并由夹73保持。所需电力一般在浮动采矿船上产生并通过中央缆线传导至运载工具。此外，(PLC的)光纤元件和用于勘测设备(水下摄像机、传感器，照明...)的缆线也可包括在中央缆线中。

法兰或联接器也设置在立管8的下端，互连软管组件70可连接至法兰或联接器。还设置有中央缆线的防水接合点，防水接合点用于将互连软管组件70的相对较短中央缆线连接至相对较长(例如2000m-5000m)中央缆线(其附连至立管柱8并通向船)。

如图3(分解图)所示，高强度钢(例如RQT701)的钢箱梁元件在一个实施例中用于构建采矿运载工具1的基本平坦承载结构3。可替代地，结构元件可由碳纤维增强复合材料制成。承载结构3呈叉状，其具有连接在叉形架的根部的两个纵向梁(3a、3b)，和在纵向梁(3a、3b)之间设置并与其刚性地连接的两个横向梁(3c、3d)。横向梁(3c、3d))承载收集器2。

承载结构3进一步承载横向梁(8a、8b)，后和前履带组件4可分别安装至所述横向梁。运载工具1的后部的横梁8a可绕整合在叉形架的根部的枢轴30枢转。运载工具1的后部的枢轴30由法兰31连接至承载结构，这在故障或损坏的情况下能比较容易的更换部件。

升降架9是经由两个铰接连接件(90a、90b)连接至主承载结构3的钢结构。在部署或回收运载工具1时，它将从升降架9悬挂。将立管8与运载工具1的相互连接的柔性软管70和钢缆72的组件连接至提升架9。所示实施例中的升降架9引导将柔性软管70连接至结核收集器2的管道91。

当处于甲板上或在投放和回收过程中，升降架9优选与基本上平坦的主承重底盘3(图7A)平行延伸。当运载工具1相对靠近海底5，两个液压缸92(见图1)在一个优选的实施例中将架9提升至例如高达105°的角度100(图7B)，使得运载工具后部在海底5着陆。在着陆在海底5之后，架9优选以与主底盘3成约90°的角度100保持直立(图7C)。

参考图4，合适的推进装置包括底盘，该底盘设有四个独立履带驱动器4(其优选独立地控制速度)。如图5所示，与传统履带系统相比，这样的推进装置4提供了改进的可操作性和较高的牵引力。在非均质土的情况下，多个独立履带4也具有优势。本实施例的推进装置的益处是其四个独立履带4允许使用转向机构，从而避免了对其它土壤的扰动。运载工具1的后面的枢转点(见图5)允许平滑转向并最小化对柔软海底的扰动。可实现约160m或更小的转弯半径。在所示的实施例中，衔接通过两个液压缸40来实现，两个液压缸配备有内部弹簧以便在将发生机械故障时将转向梁自动重新定位于中心。枢转点位于后面，而不是运载工具的中间，因此这简化了运载工具的布局设计，且对转向没有不良后果。运载工具的转向能力是足够的，因为船和立管的惯性不允许快速方向改变且运载工具通常会在长直车道上运行。稳态转弯可通过在底盘的左侧和右侧施加速度差来实现。由于运载工具的长矩形形状，可在履带链上产生高侧向力且可能产生推土机效果。

参考图6，在一个优选实施例中，升降架9的顶端包括连接件11，该连接件包括在其周围设置回转环111的转动压盖110。这种组合允许运载工具1具有绕基本竖直的轴112的转动自由度。转动压盖110在提供了位于升降架9上的刚性管道91和具有完全旋转自由度的柔性互连软管70之间的连接。升降架9由设置在回转环111上的耳件112连接至钢线72。以这种方式，力可通过回转环111而不是通过转动压盖110引导。

回转环基于钢表面的钢和钢或塑料之间的滑动轴承。回转环可机械地耦接到转动压盖，以确保两者的平行旋转。这样的布置可避免中央缆线和提升线的缠结。柔性软管还优选地具有至转动压盖的法兰连接。在本实施例中，由于沿柔性互连软管设置的中央缆线，总旋转自由度被限制为270°。

本发明不限于上文所描述和表示的实施例且在不超出本发明的范围的情况下，可对其作出各种修改。