一種深海充氣浮體球的製作方法

2023-06-18 22:13:46

專利名稱：一種深海充氣浮體球的製作方法
技術領域：
本發明涉及深海採礦設備所使用的一種浮體球，特別涉及到深海採礦設備所使用的一種在球體內充高壓氣體的浮體球。
背景技術：
經勘探查明，大洋是豐富的礦產資源基地。世界主要發達國家在20世紀初就開始對深海採礦技術進行研究和開發。普遍認為首先採用採礦車將海底礦石採集，然後採用水力輸送方法，通過管道將礦石輸送到海面採礦船上的採礦方法，最具工業應用前景。根據礦石輸送管道和輸送設備的不同，可分為硬管採礦系統和軟管採礦系統。硬管採礦系統由海面採礦船5、海底採礦車11和礦石輸送系統組成，礦石輸送系統由一根接近海深長度的硬管7、300m左右的軟管10、浮體材料8、中繼倉9和多臺礦漿泵 6組成。硬管採礦系統的工作原理如下首先採用礦漿泵將採礦車採集的礦石輸送到礦石中繼倉內，然後通過安裝於硬管7上的多臺礦漿泵6將礦石從中繼倉9接力輸送到海面採礦船5上，其原理如圖3(a)所示。軟管採礦系統由海面採礦船(浮動平臺12)、海底採礦車11和礦石輸送系統組成，其礦石輸送系統與硬管採礦系統不同，由一根比海深長的軟管 10、浮體材料8和安裝於採礦車上的礦石輸送設備組成，其原理如圖3(b)所示。從上述兩種深海採礦系統的工作原理可知，在礦石輸送軟管上都安裝了浮體材料，其目的在於改變軟管的空間形狀和改善採礦車對海底的作用力，起到了保障深海採礦系統正常工作的關鍵作用。深海採礦用浮體長期浸泡在深海中，要求其具備耐壓、耐腐蝕能力強，且密度要小、吸水性要小。我國對深海採礦的浮體性能提出了具體要求，其主要技術指標如下1、工作深度2060m 密度0. 35 0. 41g/cm3，抗壓強度19MPa，彈性模量15130kg/ cm2,破壞深度3089m，吸水率在試驗深度M小時內小於3%。2、工作深度:3570m 密度0. 417 0. 481g/cm3，抗壓強度33MPa，彈性模量17500kg/ cm2,破壞深度4270m，吸水率在試驗深度M小時內小於3%。3、工作深度7000m 密度0. 47 0. Mg/cm3，抗壓強度66. 8MPa，彈性模量36560kg/ cm2，環境溫度-20°C 45°C (空氣中)，_2°C 32°C (在海水中)。密度和抗壓強度是浮體的兩個主要性能指標，密度越小，同等體積浮體提供的浮力越大；抗壓強度越高，下潛深度就越深。為了滿足深海採礦系統的要求，國內、外對深海浮體都進行了深入的研究。其加工方法有兩種，一種為為採用低密度、高強度的材料直接加工出的空心球；另一種為利用材料合成的方法加工出低密度、高強度固體浮力材料，例如採用高強度環樹脂作為基材，填充空心玻璃微珠合成加工而成浮力材料。美、日、俄等國家從60年代末開始研製高強度固體浮體材料，以用於大洋深海海底的開發事業，現在已經採用上述兩種方法都解決了深海低密度、高強度固體浮力材料的技術難題。由於球是承受外部均勻壓力最理想的結構，通常把浮體加工成球體。美國海軍應用科學實驗室、美國洛克希德飛彈空間公司和美國Flotec公司採用上述兩種方法，已經研製出如下性能的浮體。1、密度為0. 35g/cm3時，抗壓強度為5. 5MPa。2、密度0. :35g/cm3，抗壓強度5. 6MPa，可潛水深MOm ；3、密度為0. 45 0. 48g/cm3，抗壓強度25MPa，可潛水深M30m。4、密度為0. 55 0. 60g/cm3，抗壓強度65MPa，可潛水深6000m。從上述美國研製的深海浮體性能可知，我國對深海採礦的浮體性能要求高於美國已將研製出的浮體性能，由此可見，我國深海採礦浮體材料的研製難度很大。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能承受深海高壓工作環境，並能最大限度地提供浮力的一種深海充氣浮體球。本發明的目的是通過以下技術方案實現的其包括浮體球殼、密封圈、充氣閥座和壓緊螺釘，所述浮體球殼為薄壁球型結構，浮體球殼採用低密度、高強度的鈦合金 Ti80 (Ti2-6Al-2Zr-lMo-3Nb)或者鋁合金(AL-3. 4Cu_3. 2Li_l. IMg-O. 6Mn)製作，並根據浮體球所處工作海洋深度的要求，在球殼內衝入相對應壓力的氦氣以增強抵抗球殼外部深海壓力。所述充氣閥座為圓柱結構，通過焊接等方式安裝於浮體球殼上，在充氣閥座內設有通氣道，通氣道內設有密封圈安裝閥孔，在充氣閥座側面設有可與高壓氣源相連接的螺紋，在充氣閥座上端設有內螺紋用於安裝壓緊螺釘。所述壓緊螺釘安裝於充氣閥座上端，其頂端為圓錐結構，起到閥芯的作用，當擰開壓緊螺釘，壓緊螺釘與密封圈處於分開狀態時，通氣道暢通，可將高壓其它通入浮體球內； 當浮體球內氣體達到額定氣壓時，擰緊壓緊螺釘切斷通氣道，實現對浮體球的充氣。所述密封圈安裝於閥孔內，當壓緊螺釘緊壓密封圈時，起到切斷通氣道的作用。深海充氣浮體球具有如下特點1.材料為鈦合金 Ti80(Ti2-6Al-2Zr-lMo-3Nb)，壁厚 4. 5mm，直徑 SO = 500mm 的浮體球，內充8Mp氮氣，工作深度可達深海2060m。2.材料為鋁合金 Ti80(AL-3. Cu_3. 2Li_l. lMg-0. 6Mn)，壁厚 8. 5mm,直徑 SO = 500mm的浮體球，內充8Mp氮氣，工作深度可達深海3570m。3.材料為鈦合金 Ti80(Ti2-6Al-2Zr-lMo-3Nb)，壁厚 8. 5mm，直徑 SO = 500mm 的浮體球，內充16Mp氮氣，工作深度可達深海7000m。


圖1為深海充氣浮體球結構示意圖；圖2為充氣閥結構示意圖；圖3 (a)為深海硬管採礦系統整體結構示意圖；(b)為深海軟管採礦系統整體結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步說明。
圖3 (a)為深海硬管採礦系統整體結構示意圖，圖2為深海軟管採礦系統整體結構示意圖，兩種結構的深海採礦系統都採用了浮體材料8，其目的在於改變軟管10的空間形狀和改善採礦車11對海底的作用力，浮體材料8是深海採礦不可缺少的設備。參照圖1、圖2，本實施例包括其包括浮體球殼1、密封圈2、充氣閥座3和壓緊螺釘4，所述浮體球殼1為薄壁球型結構，浮體球殼1採用低密度、高強度的鈦合金 Ti80 (Ti2-6Al-2Zr-lMo-3Nb)或者鋁合金(AL-3. 4Cu_3. 2Li_l. IMg-O. 6Mn)製作，並根據浮體球所處工作海洋深度的要求，在浮體球殼1內衝入相對應壓力的氦氣以增強抵抗浮體球殼1外部深海壓力。所述充氣閥座3為圓柱結構，通過焊接等方式安裝於浮體球殼1上，在充氣閥座3內設有通氣道，通氣道內設有密封圈2的安裝閥孔，在充氣閥座3側面設有可與高壓氣源相連接的螺紋，在充氣閥座3上端設有內螺紋用於安裝壓緊螺釘4。採用上述結構本實施例設計有三種用於不同海深工作的充氣浮體球。本第一實施例採用鈦合金Ti80 (Ti2-6Al-2Zr-lMo-3Nb)製作直徑SO = 500mm的球體，壁厚為4. 5mm,內充8Mpa氦氣，其性能指標為密度0. 218g/cm3，抗壓強度21Mpa，工作深度可達海深2060m。本第二實施例採用鋁合金(AL-3.4Cu-3. 2Li_l. IMg-O. 6Mn)製作直徑 SΦ = 500mm 的球體，壁厚為8. 5mm,內充8Mpa氦氣，其性能指標為密度0. ^3g/cm3，抗壓強度36MPa，工作深度可達海深3570m。本第三實施例採用鈦合金Ti80 (Ti2-6Al-2Zr-lMo-3Nb)製作直徑SO = 500mm的球體，壁厚為8. 5mm,內充16Mpa氦氣，其性能指標為密度0. 433g/cm3，抗壓強度71MPa，工作深度可達海深7000m。由上述三個可知，採用低密度、高強度的鈦合金Ti80(Ti2-6Al-2&-lMo-3Nb)或者鋁合金(AL-3. 4Cu-3. 2Li-l. IMg-O. 6Mn)製作的空心球殼1，在球內充入合適壓強的高壓氦氣方法，可以製作出高性能的浮體球，其性能指標超過我國對深海採礦的浮體性能提出了具體要求。
權利要求
1.一種深海浮充氣體球，其包括浮體球殼(1)、密封圈O)、充氣閥座⑶和壓緊螺釘 (4).其特徵在於，所述浮體球殼(1)為薄壁球型結構，浮體球殼(1)採用低密度、高強度的鈦合金TiSO或者鋁合金製作，並根據浮體球所處工作海洋深度的要求，在浮體球殼(1)內衝入相對應壓力的氦氣以增強抵抗浮體球殼(1)外部深海壓力。
2.根據權利要求1所述深海充氣浮體球，其特徵在於，充氣閥座(3)為圓柱結構，通過焊接等方式安裝於浮體球殼(1)上，在充氣閥座(3)內設有通氣道，通氣道內設有密封圈 (2)安裝閥孔，在充氣閥座C3)側面設有可與高壓氣源相連接的螺紋，在充氣閥座C3)上端設有內螺紋用於安裝壓緊螺釘G)。
3.根據權利要求1所述深海充氣浮體球，其特徵在於，所述所述壓緊螺釘(4)安裝於充氣閥座(3)上端，其頂端為圓錐結構，起到閥芯的作用。
全文摘要
本發明公開了一種深海充氣浮體球，浮體球殼(1)為薄壁球型結構，採用低密度、高強度的鈦合金Ti80或鋁合金製作，並根據浮體球所處工作海洋深度的要求，在球殼(1)內衝入相對應壓力的氦氣以增強抵抗球殼外部深海壓力。充氣閥座(3)為圓柱結構，通過焊接等方式安裝於浮體球殼(1)上，在充氣閥座(3)內設有通氣道，通氣道內設有密封圈(2)安裝閥孔，在充氣閥座(3)側面設有可與高壓氣源相連接的螺紋，在充氣閥座上端設有內螺紋用於安裝壓緊螺釘(4)。壓緊螺釘(4)安裝於充氣閥座(3)上端，其頂端為圓錐結構，起到閥芯的作用。本發明浮體球，性能指標高，超過了我國對深海採礦提出的浮體性能要求。
文檔編號E21C50/02GK102410023SQ201110355180
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月11日 優先權日2011年11月11日
發明者吳萬榮, 吳波, 徐海良 申請人:中南大學