本發(fā)明涉及一種在大深度處從海床采集礦藏并將所述礦藏輸送至浮船的水下采礦運(yùn)載工具。本發(fā)明還涉及一種用于在大深度處從海床采集礦藏并將所述礦藏輸送至浮船的方法。

背景技術(shù)：

深海開采涉及采集礦藏，諸如海底4,000m-6,000m(以下)處的多金屬結(jié)核、鉆石、黃金和稀土。多金屬結(jié)核可例如包括鎳、銅、鈷錳結(jié)核。在深海采礦中，海底可能距離海面高達(dá)5000m或更遠(yuǎn)，且深海采礦的開發(fā)設(shè)備會面對許多挑戰(zhàn)。

深海采礦船需要將水下采礦設(shè)備帶至海底并在采礦作業(yè)結(jié)束之后從海底將水下采礦設(shè)備回收。通常的船包括從對接井操作的一些類型的投放和對接設(shè)備。這種對接井穿過船體并由船體包圍，并且在其底側(cè)向海開放，從而限定對接井的所謂的飛濺區(qū)。如果需要，對接井可由可動閘門跨越底部關(guān)閉。深海采礦船通常還包括泵送設(shè)備，該泵送設(shè)備通過輸送管道系統(tǒng)將開采的礦藏從海底帶至船存儲艙。立管柱從船延伸至采礦設(shè)備以朝向海面?zhèn)魉烷_采的礦物結(jié)核。提升系統(tǒng)通?？刹僮鞯厥沽⒐苤鸷屯斗?。

US4,232,903公開了一種用于從海床采集礦藏并將所述礦藏輸送至浮船的水下采礦運(yùn)載工具。采礦運(yùn)載工具包括承載結(jié)構(gòu)，該承載結(jié)構(gòu)設(shè)有用于在海床上推進(jìn)該運(yùn)載工具的推進(jìn)裝置。該運(yùn)載工具配備有拾取單元和用于將運(yùn)載工具附連至牽引線纜的框架。在運(yùn)載工具的部署過程中，框架與從其上懸掛的線纜保持在一條豎直線上。當(dāng)運(yùn)載工具停靠在海底時，框架被丟棄至更加水平拖曳或牽引位置處。

WO 2012/134275 A2公開了采礦或疏浚運(yùn)載工具。運(yùn)載工具可從海底線纜和立管懸掛來從海底挖掘或疏浚材料。運(yùn)載工具包括具有支撐表面的滑架結(jié)構(gòu)，其取向可由液壓缸相對于運(yùn)載工具的框架來調(diào)節(jié)。設(shè)置吸入高度控制器以控制挖掘頭的高度并因此在“滑架模式”和“滑翔模式”之間切換。運(yùn)載工具還設(shè)有布置為機(jī)械地連接至牽引線纜的可調(diào)節(jié)懸掛裝置?？烧{(diào)節(jié)懸掛裝置允許控制牽引線纜在沿海床移動的過程中對運(yùn)載工具施加牽引力并實(shí)現(xiàn)更好微控制的角度。

WO 2012/158028 A1公開了公知的吸入疏浚船，該吸入疏浚船設(shè)有吸入管，遠(yuǎn)程控制的采礦或疏浚運(yùn)載工具附連至所述吸入管。連接通過柔性立管來實(shí)現(xiàn)。

在投放式水下采礦設(shè)備中，最大環(huán)境情況往往受限于一些波浪高度，且在等待天氣窗口來部署或回收設(shè)備的時候，會流失相當(dāng)長時間。此外，在投放和回收過程中，會對海底采礦設(shè)備發(fā)生最大損壞。假設(shè)采礦運(yùn)載工具的尺寸、復(fù)雜性和成本，這是不可接受的。

在投放和回收水下采礦設(shè)備過程中，會在更高程度上發(fā)生上述缺點(diǎn)。事實(shí)上，深海采礦設(shè)備優(yōu)選具有相對較小重量，這使得在突然接觸大量移動的水時難以控制這樣的設(shè)備。與船的部件或其它結(jié)構(gòu)碰撞的風(fēng)險很高。

因此，本發(fā)明的目的是提供用于將水下采礦設(shè)備從浮船的對接井投放至水中并以更可控的方式從水中回收所述設(shè)備的裝置和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種用于在大深度處從海床采集礦藏并將所述礦藏輸送至浮船的水下采礦運(yùn)載工具，運(yùn)載工具包括承載結(jié)構(gòu)，所述承載結(jié)構(gòu)設(shè)有用于在海床上推進(jìn)運(yùn)載工具的裝置和礦藏的拾取單元，運(yùn)載工具還包括升降架，所述升降架的一端設(shè)有懸掛連接器，所述懸掛連接器用以連接至設(shè)置在浮船和運(yùn)載工具之間的懸掛線纜，且另一端通過鉸接連接件連接至承載結(jié)構(gòu)，所述升降架由致動裝置致動，使得當(dāng)所述運(yùn)載工具從所述懸掛裝置懸掛時，承載結(jié)構(gòu)可相對于升降架的角位置被固定在多個不同角度位置處。根據(jù)本發(fā)明，升降架和致動裝置適于改變運(yùn)載工具框架相對于運(yùn)載工具從其上懸掛的線纜的角位置。通過為根據(jù)本發(fā)明的運(yùn)載工具提供升降架(其允許使承載結(jié)構(gòu)繞基本水平軸(約平行于海床的軸)旋轉(zhuǎn)并將其固定至基本上任何角位置，同時該升降架掛在懸掛線纜上)，可能在約任何角位置(優(yōu)選在基本豎直位置)處投放并回收采礦運(yùn)載工具。這已被證明提高投放和回收操作的可控性。

本發(fā)明的一個有用實(shí)施例提供裝置的一個實(shí)施例，其還包括連接器，所述連接器用于連接至設(shè)置在運(yùn)載工具和浮船之間的礦藏輸送系統(tǒng)。

在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，提供了一種裝置，其中升降架裝配有用于拾取礦藏的輸送裝置，升降架的一端設(shè)有連接器且另一端連接至拾取裝置。設(shè)置在升降架上的輸送裝置可例如包括附連至升降架的框架構(gòu)件并通過連接器與礦藏輸送系統(tǒng)連接的剛性輸送管。

在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，提供了一種水下采礦運(yùn)載工具，其中致動裝置包括在框架和承載結(jié)構(gòu)之間延伸的液壓缸。

本發(fā)明的另一實(shí)施例提供一種水下采礦運(yùn)載工具，其中運(yùn)載工具具有重心且在運(yùn)載工具完全潛入水中時，鉸接連接件定位為使得框架和承載結(jié)構(gòu)之間的樞軸線基本上穿過重心。在本申請的上下文中，詞“基本上”意指1.5m、更優(yōu)選1m內(nèi)，且最優(yōu)選0.5m內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種水下采礦運(yùn)載工具，其包括浮力裝置，優(yōu)選以多個浮力元件的形式，最優(yōu)選地布置在運(yùn)載工具的部件上。合適的浮力元件需要能夠承受海底的高壓，優(yōu)選大于500巴。

本發(fā)明的另一實(shí)施例提供一種水下采礦運(yùn)載工具，其中承載結(jié)構(gòu)和/或升降架基本上是平面的。

在根據(jù)本發(fā)明的水下采礦運(yùn)載工具的一個具體實(shí)施例中，承載結(jié)構(gòu)包括縱向梁構(gòu)件的叉形架，所述縱向梁構(gòu)件在叉形架的根部連接；和橫向梁構(gòu)件，所述橫向梁構(gòu)件在與叉形架的根部的一定距離處跨越縱向梁構(gòu)件之間的距離。

水下采礦運(yùn)載工具的一個有用實(shí)施例的特征在于，橫向構(gòu)件可樞轉(zhuǎn)地連接至叉形架的根部。

根據(jù)本發(fā)明的水下采礦運(yùn)載工具的另一實(shí)施例包括運(yùn)載工具的每側(cè)處的至少一個推進(jìn)裝置。

推進(jìn)裝置可以是本領(lǐng)域中已知的任何裝置，但在一個優(yōu)選實(shí)施例中包括履帶組件。

根據(jù)本發(fā)明的水下采礦運(yùn)載工具的另一特別有用的實(shí)施例包括懸掛裝置的懸掛連接器，在從所述懸掛裝置懸掛時，所述懸掛連接器適于允許運(yùn)載工具繞平行于懸掛裝置軸的軸自由轉(zhuǎn)動。合適的懸掛裝置包括懸掛線纜。

根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，水下采礦運(yùn)載工具的懸掛連接器包括回轉(zhuǎn)環(huán)，所述回轉(zhuǎn)環(huán)可附連至懸掛裝置并包括轉(zhuǎn)動壓蓋。

本發(fā)明還涉及一種用于在大深度處從海床采集礦藏并將所述礦藏輸送至浮船的方法。根據(jù)本發(fā)明的方法包括以下連續(xù)步驟：提供根據(jù)本發(fā)明的水下采礦運(yùn)載工具；將所述采礦運(yùn)載工具的升降架連接至設(shè)置在浮船和運(yùn)載工具之間的懸掛線纜；以第一角度位置由承載結(jié)構(gòu)朝向海床降低運(yùn)載工具；致動升降架和承載結(jié)構(gòu)之間的鉸接連接件以相對于升降架將承載結(jié)構(gòu)固定在不同于承載結(jié)構(gòu)的第一角位置的第二角度位置處；將運(yùn)載工具定位在海床上并在海床上推進(jìn)運(yùn)載工具來拾取礦藏。

在一個實(shí)施例中，采礦運(yùn)載工具連接至設(shè)置在運(yùn)載工具和浮船之間的礦藏輸送系統(tǒng)。礦藏輸送系統(tǒng)可根據(jù)本領(lǐng)域中已知的任何系統(tǒng)來構(gòu)造并優(yōu)選地包括相互連接、設(shè)置在運(yùn)載工具和浮船之間的剛性管部分的立管柱。

方法的一個特別優(yōu)選實(shí)施例的特征在于，第一角位置平行于豎直方向。更優(yōu)選地，第二角度位置相對于豎直方向成90°或以上的角度。

在根據(jù)本發(fā)明的方法的又另一實(shí)施例中，第二角度位置相對于豎直方向成90°以上的角度，使得運(yùn)載工具以其后端首先接觸海床。

附圖說明

現(xiàn)在將參考附圖更詳細(xì)地闡述本發(fā)明，而不受限于此。在附圖中：

圖1是本發(fā)明的水下采礦運(yùn)載工具的一個實(shí)施例的透視圖；

圖2是圖1的水下采礦運(yùn)載工具與附連至其上的柔性立管的組件的透視圖；

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例處于斷開狀態(tài)的承載結(jié)構(gòu)和升降架的運(yùn)載工具的透視圖；

圖4是設(shè)有推進(jìn)裝置的圖1的運(yùn)載工具的承載結(jié)構(gòu)的透視圖；

圖5是設(shè)有推進(jìn)裝置和升降架的圖1的運(yùn)載工具的承載結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖6是透視圖；和

圖7A、圖7B和圖7C是不同角位置處的根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的運(yùn)載工具的橫向示圖。

具體實(shí)施方式

在圖1中示出可由浮船上的對接裝置投放和回收的采礦運(yùn)載工具1的一個實(shí)施例的整體布置。采礦運(yùn)載工具1包括其前側(cè)的收集器2。所示實(shí)施例的“液壓”收集器2僅是適用的收集器的一個實(shí)例，其它可用的收集器也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。運(yùn)載工具1還包括承載結(jié)構(gòu)3(見圖3)，該承載結(jié)構(gòu)設(shè)有四個履帶組件4的形式的推進(jìn)裝置。一對履帶組件4在運(yùn)載工具1的一側(cè)彼此獨(dú)立地移動，而另一對履帶組件4在運(yùn)載工具1的相對側(cè)移動。旋轉(zhuǎn)履帶組件4將在海床5上推進(jìn)運(yùn)載工具1。

承載結(jié)構(gòu)3還容納了泵、電氣設(shè)備、液壓設(shè)備等，和將運(yùn)載工具1連接至立管的互連軟管組件7的鉸接升降架6。四個運(yùn)載工具引導(dǎo)托架8安裝在運(yùn)載工具1的各側(cè)且旨在部署期間通過設(shè)置在船上的對接裝置中的導(dǎo)軌(未示出)引導(dǎo)運(yùn)載工具1。托架8安裝在履帶組件4的基座上，每個履帶組裝兩個托架。

為了減少運(yùn)載工具1的水下重量和履帶組件4的土壤支承力，在一個實(shí)施例中，加入了密度是約300-700kg/m³的耐壓浮力元件(未示出)。浮力優(yōu)選平均分布在運(yùn)載工具上并減少主承載結(jié)構(gòu)3中的附著水。運(yùn)載工具1的前部的收集器2可由放置在其周圍的浮力元件中立地補(bǔ)償。適當(dāng)?shù)囟ㄎ欢鄠€浮力元件使得整個運(yùn)載工具1的重心幾乎處于運(yùn)載工具1的中間。所有浮力元件或塊都優(yōu)選定位在承載結(jié)構(gòu)3的橫梁上或橫梁處。

圖2示意地示出將運(yùn)載工具1連接至其上的互連軟管組件7。組件7包括適于將由運(yùn)載工具1收集的礦物結(jié)核輸送至剛性立管8的柔性軟管70。柔性軟管70本身包括例如10m-15m長的多個軟管單元，這些軟管單元由栓接的法蘭相互連接。當(dāng)采礦運(yùn)載工具1不運(yùn)行時，整個軟管70優(yōu)選地存儲在設(shè)置在浮船上的卷軸中。

在一個實(shí)施例中，多個浮力元件或塊71通過一個或多個軟管70分隔開(例如約50m的相等的長度)。每個浮力塊的重量都優(yōu)選在500kg和1000kg之間，或甚至更高，可具有約1m的高度和約1.6m的直徑。柔性軟管70的總長度可在大范圍內(nèi)選擇且可例如是約150m，且成形為像低彎度的S形以斷開立管8的端部的豎直移動(例如由于升沉)以及運(yùn)載工具1的水平移動。在軟管70的一部分中產(chǎn)生向上力的浮力塊71可用于產(chǎn)生S形。

為了在投放或回收過程中支持運(yùn)載工具1，提升鋼纜(優(yōu)選兩跟分離的提升線72)附連至運(yùn)載工具1以產(chǎn)生足夠的縱向強(qiáng)度并提供提升力。鋼制提升線72沿軟管70設(shè)置并且被設(shè)計為比軟管70本身稍短，以確保它們占據(jù)了大部分縱向應(yīng)力。鋼線72優(yōu)選不固定至軟管70，但與軟管70一起被捆綁在一個包裝里。軟管夾73或浮力塊71負(fù)責(zé)捆綁。鋼線72的一端連接至互連軟管70的頂部法蘭，法蘭適于傳遞較大的力。

中央纜線沿互連軟管70設(shè)置以在浮船和安裝在運(yùn)載工具1上的電子設(shè)備之間提供電力并傳送信號。中央纜線很方便是包裝的一部分并由夾73保持。所需電力一般在浮動采礦船上產(chǎn)生并通過中央纜線傳導(dǎo)至運(yùn)載工具。此外，(PLC的)光纖元件和用于勘測設(shè)備(水下攝像機(jī)、傳感器，照明...)的纜線也可包括在中央纜線中。

法蘭或聯(lián)接器也設(shè)置在立管8的下端，互連軟管組件70可連接至法蘭或聯(lián)接器。還設(shè)置有中央纜線的防水接合點(diǎn)，防水接合點(diǎn)用于將互連軟管組件70的相對較短中央纜線連接至相對較長(例如2000m-5000m)中央纜線(其附連至立管柱8并通向船)。

如圖3(分解圖)所示，高強(qiáng)度鋼(例如RQT701)的鋼箱梁元件在一個實(shí)施例中用于構(gòu)建采礦運(yùn)載工具1的基本平坦承載結(jié)構(gòu)3。可替代地，結(jié)構(gòu)元件可由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制成。承載結(jié)構(gòu)3呈叉狀，其具有連接在叉形架的根部的兩個縱向梁(3a、3b)，和在縱向梁(3a、3b)之間設(shè)置并與其剛性地連接的兩個橫向梁(3c、3d)。橫向梁(3c、3d))承載收集器2。

承載結(jié)構(gòu)3進(jìn)一步承載橫向梁(8a、8b)，后和前履帶組件4可分別安裝至所述橫向梁。運(yùn)載工具1的后部的橫梁8a可繞整合在叉形架的根部的樞軸30樞轉(zhuǎn)。運(yùn)載工具1的后部的樞軸30由法蘭31連接至承載結(jié)構(gòu)，這在故障或損壞的情況下能比較容易的更換部件。

升降架9是經(jīng)由兩個鉸接連接件(90a、90b)連接至主承載結(jié)構(gòu)3的鋼結(jié)構(gòu)。在部署或回收運(yùn)載工具1時，它將從升降架9懸掛。將立管8與運(yùn)載工具1的相互連接的柔性軟管70和鋼纜72的組件連接至提升架9。所示實(shí)施例中的升降架9引導(dǎo)將柔性軟管70連接至結(jié)核收集器2的管道91。

當(dāng)處于甲板上或在投放和回收過程中，升降架9優(yōu)選與基本上平坦的主承重底盤3(圖7A)平行延伸。當(dāng)運(yùn)載工具1相對靠近海底5，兩個液壓缸92(見圖1)在一個優(yōu)選的實(shí)施例中將架9提升至例如高達(dá)105°的角度100(圖7B)，使得運(yùn)載工具后部在海底5著陸。在著陸在海底5之后，架9優(yōu)選以與主底盤3成約90°的角度100保持直立(圖7C)。

參考圖4，合適的推進(jìn)裝置包括底盤，該底盤設(shè)有四個獨(dú)立履帶驅(qū)動器4(其優(yōu)選獨(dú)立地控制速度)。如圖5所示，與傳統(tǒng)履帶系統(tǒng)相比，這樣的推進(jìn)裝置4提供了改進(jìn)的可操作性和較高的牽引力。在非均質(zhì)土的情況下，多個獨(dú)立履帶4也具有優(yōu)勢。本實(shí)施例的推進(jìn)裝置的益處是其四個獨(dú)立履帶4允許使用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，從而避免了對其它土壤的擾動。運(yùn)載工具1的后面的樞轉(zhuǎn)點(diǎn)(見圖5)允許平滑轉(zhuǎn)向并最小化對柔軟海底的擾動?？蓪?shí)現(xiàn)約160m或更小的轉(zhuǎn)彎半徑。在所示的實(shí)施例中，銜接通過兩個液壓缸40來實(shí)現(xiàn)，兩個液壓缸配備有內(nèi)部彈簧以便在將發(fā)生機(jī)械故障時將轉(zhuǎn)向梁自動重新定位于中心。樞轉(zhuǎn)點(diǎn)位于后面，而不是運(yùn)載工具的中間，因此這簡化了運(yùn)載工具的布局設(shè)計，且對轉(zhuǎn)向沒有不良后果。運(yùn)載工具的轉(zhuǎn)向能力是足夠的，因?yàn)榇土⒐艿膽T性不允許快速方向改變且運(yùn)載工具通常會在長直車道上運(yùn)行。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎可通過在底盤的左側(cè)和右側(cè)施加速度差來實(shí)現(xiàn)。由于運(yùn)載工具的長矩形形狀，可在履帶鏈上產(chǎn)生高側(cè)向力且可能產(chǎn)生推土機(jī)效果。

參考圖6，在一個優(yōu)選實(shí)施例中，升降架9的頂端包括連接件11，該連接件包括在其周圍設(shè)置回轉(zhuǎn)環(huán)111的轉(zhuǎn)動壓蓋110。這種組合允許運(yùn)載工具1具有繞基本豎直的軸112的轉(zhuǎn)動自由度。轉(zhuǎn)動壓蓋110在提供了位于升降架9上的剛性管道91和具有完全旋轉(zhuǎn)自由度的柔性互連軟管70之間的連接。升降架9由設(shè)置在回轉(zhuǎn)環(huán)111上的耳件112連接至鋼線72。以這種方式，力可通過回轉(zhuǎn)環(huán)111而不是通過轉(zhuǎn)動壓蓋110引導(dǎo)。

回轉(zhuǎn)環(huán)基于鋼表面的鋼和鋼或塑料之間的滑動軸承?；剞D(zhuǎn)環(huán)可機(jī)械地耦接到轉(zhuǎn)動壓蓋，以確保兩者的平行旋轉(zhuǎn)。這樣的布置可避免中央纜線和提升線的纏結(jié)。柔性軟管還優(yōu)選地具有至轉(zhuǎn)動壓蓋的法蘭連接。在本實(shí)施例中，由于沿柔性互連軟管設(shè)置的中央纜線，總旋轉(zhuǎn)自由度被限制為270°。

本發(fā)明不限于上文所描述和表示的實(shí)施例且在不超出本發(fā)明的范圍的情況下，可對其作出各種修改。