用于海底开采工具的抽吸嘴的制作方法

用于海底开采工具的抽吸嘴的制作方法
【专利摘要】一种用于安装在海底开采工具前部并且将被推进到沉积物中的抽吸嘴（10）。所述抽吸嘴包括空心本体（12），所述本体具有入口（14）和出口（16），其中，所述本体从入口朝向出口会聚。所述入口具有下唇缘（20）和上唇缘（22），并且上唇缘包括相对于下唇缘向前且向上突出的延伸部（22a），以在入口上方形成遮盖部。抽吸嘴（10）可以包括在入口下游位于本体上的阀（30），所述阀可操作以选择性地提供通到本体中的另一入口。在存在这种阀的情况中，可调节吸入物料的稠度。
【专利说明】用于海底开采工具的抽吸嘴
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于海底开采工具的抽吸嘴，所述海底开采工具设计成开采海床上的沉积物层。
【背景技术】
[0002]在W02010/000289中，提供了一种用于开采和处理海床沉积物的方法和设备。该设备由用于横过海床行进的履带式车辆构成，所述履带式车辆搅动沉积物。所述车辆包括用于采收被搅动的沉积物的抽吸系统。本发明描述了一种用于开采工具的抽吸系统的抽吸嘴。
[0003]US4, 232，903描述了一种用于开采锰结核的海洋开采系统。海底采矿车由阿基米德螺钉推进。车辆使用耙和传送器系统来拾取结核，然后清洗、压碎所述结核并且使得结核通过立管到达水面船舶。
[0004]对于开采诸如沙、淤泥或碎石的物料来说已知了多种疏浚操作的挖掘工具。通常，使用安装在耙吸挖泥船上的耙头来采收这些物料。沿着挖掘船拉动耙头并且从挖掘船后方抽取物料。这适于在水深相对浅的水域中使用并且在所述水域中沉积物层能够支撑挖掘船的重量。对于较松软的沉积物层而言，需要安装在车辆前部上的抽吸嘴，以使得抽吸嘴可被向前推进到沉积物层中。这对所使用的推进系统搅动沉积物构成限制。

【发明内容】

[0005]本发明用于提供一种新型抽吸嘴以辅助采收较松软的物料(诸如腐泥和球石(cocolith))，对于所述较松软的物料而言不宜使用耙头。抽吸嘴已经设计成提供了从海床提取多层沉积物的有效提取，所述多层沉积物相对薄地但在宽区域上延伸。在一些区域中，存在多种沉积物，所述沉积物的含水量、流动性、密度和在毗邻区域有搅动和抽吸之后保持某种形状的能力各不相同。例如，可能存在非常易流动的球石层和腐泥以及矿物泥层。为了采收这些层，必须提供对沉积物的搅动，以使得沉积物与海水混合，从而提供泥浆并且对由腐泥、球石和大约10%的矿物泥构成的泥浆的抽吸。
[0006]本发明提供了一种用于安装在海底开采工具前面并且将被推入到沉积物中的抽吸嘴，所述抽吸嘴包括空心本体，所述本体具有入口和出口，其中，所述本体从入口朝向出口聚合，所述入口具有下唇缘和上唇缘，并且其中上唇缘包括延伸部，所述延伸部相对于下唇缘向前且向上延伸，以在入口上方形成遮盖部。
[0007]当抽吸嘴在车辆前方被推进时，抽吸嘴的这种构造非常适于采收较松软的物料。上唇缘超出下唇缘的突出降低了抽吸嘴潜挖到海床中的趋势，而突出的上唇缘使得自由水可轻易进入以有助于形成泥浆。
[0008]抽吸嘴优选地还包括多块引导板，所述引导板在入口的宽度上间隔开并且从上唇缘的延伸部向下突出到下唇缘。在使用中，这些引导板帮助抽吸嘴横过海床移动并且越过障碍物而且用作粗滤器，以防止大物体进入到抽吸嘴中。引导板可在朝向出口的方向上有非常小的尺寸，以使得它们几乎和棒一样小。然而，优选地，引导板朝向出口延伸且至少超出下唇缘。
[0009]仿形滑脚可以形成在下唇缘的下侧上。这分散了抽吸嘴的重量并且帮助降低下唇缘掘入表层的趋势。
[0010]在一个示例中，入口是矩形的。可替代地，入口可以是梯形的，从下唇缘朝向上唇缘变窄。这提高了采收沉积物的效率。
[0011 ] 优选地，抽吸嘴在入口下游在本体上还包括阀，所述阀可操作，以选择性地提供通到本体中的另外入口。以这种方式，可调节吸入物料的稠度。
[0012]抽吸嘴还可以包括一个或多个用于提供流体射流的喷嘴，所述流体射流有助于使得沉积物破碎并且形成泥浆。一个或多个喷嘴可以位于上唇缘的延伸部上和/或位于下唇缘上。
[0013]在一个示例中，入口的最大宽度为10m，而且最大高度为0.35m。当抽吸嘴旨在在沉积物层的层厚大约为1.5m的位置中使用时，这种尺寸尤为适当。
[0014]本发明还提供了一种海底开采工具，所述海底开采工具包括海底车辆，所述海底车辆包括上述安装在车辆前部上的抽吸嘴。
[0015]优选地，抽吸嘴可枢转连接到车辆，并且海底开采工具还可包括用于调节抽吸嘴相对于车辆的位置的调节装置。这种调节装置可以是一个或多个液压缸。
[0016]抽吸嘴的出口可以通过柔性管连接到车辆上的抽吸系统。
[0017]有利地，海底开采工具还可以包括检测系统，所述检测系统用于检测待开采的不同层的沉积物、检测障碍物以及监测海底开采工具的路径。
[0018]检测系统可以包括安装在框架上的至少一个传感器，所述框架在抽吸嘴上方并且在抽吸嘴前部延伸，其中，所述传感器或每个传感器布置成面向下朝向沉积物。
[0019]检测系统优选地还包括布置成沿着海底开采工具的行进方向面向前、用于检测路径和障碍物的至少一个传感器。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]现在将参照附图仅仅以举例的方式详细描述本发明，在所述附图中:
[0021]图1是根据本发明的一个实施例的抽吸嘴的平面图；
[0022]图2是图1的抽吸嘴的主视图；
[0023]图3a_3d是图1和图2的分别沿着线A_A、B_B、C-C和D-D的截面图；
[0024]图4是从图1的抽吸嘴从前方观察的透视图；
[0025]图5是图4的抽吸嘴的纵向截面图；
[0026]图6是抽吸嘴的示意性侧剖视图；
[0027]图7示出了沉积物层的示意性截面图，该沉积物层作为抽吸嘴穿过沉积物层的一个实施例；
[0028]图8a_8d示出了沉积物层的示意性截面图，该沉积物层作为抽吸嘴穿过沉积物层的另一个实施例；
[0029]图9是海底开采工具的透视图，其中抽吸嘴安装在该海底开采工具上；
[0030]图10是海底开采车辆的一部分的示意性主视图，其中，检测系统的各部分安装在所述海底开采车辆上；以及
[0031]图11是图9的示意性平面图。
【具体实施方式】
[0032]在图1至图6中示出了根据本发明的一个实施例的与海底开采工具一起使用的抽吸嘴10。抽吸嘴10旨在安装在海底车辆前部上，以使得在使用中，其被向前推入到沉积物层中并且以水平抽吸吸入沉积物。与竖直向上抽取物料相比，这更为有效。
[0033]抽吸嘴10由空心本体12构成，所述空心本体12大体为扁平锥形。因此，其在平面视图中大体为三角形，以在前部处提供宽入口 14，所述入口 14会聚至后部处的窄出口 16。如在图3a中最好地看到的，本体12成弯曲状，使得入口 14和出口 16相互未对齐。在使用中，入口 14位于最下方而出口位于最上方。
[0034]出口 16连接到吸管18。在使用中，将沉积物吸入到入口 14中，向上通过空心本体12并且通过出口 16排出到吸管18中。出口 16优选是圆形的，以易于连接到形成吸管18
的管道。
[0035]如图2中从正面观察时看到的，入口 14可以是宽且扁的矩形。然而，更优选地，入口 14具有宽且扁的梯形形状，沿着其下唇缘20最宽并且朝向上唇缘22略微变窄。
[0036]上唇缘22具有延伸部22a，所述延伸部22a从入口 14向前且向上突出，以在入口14上方和前方形成向外张开的遮盖部。这将沉积物引导朝向入口 14以及从沉积物上方吸入水，以有助于形成泥浆。一系列板或者肋24从上唇缘的延伸部22a的面向下表面突出。这些板或者肋增强了上唇缘的延伸部22a的强度并且在抽吸嘴10横过海床移动时作为引导板，如下文进一步讨论。
[0037]引导板24向下延伸，以横过入口 14延伸，从而形成横过开口的阻挡件，从而防止较大物体进入抽吸嘴10中。
[0038]抽吸嘴10的尺寸将取决于待采收的沉积物的性质。在典型示例中，对于深度大约介于0.4m至1.5m之间的沉积物层而言，抽吸嘴10的可行尺寸如下所述并且如在图1和图5中所示。
[0039]抽吸嘴宽度:10m
[0040]抽吸嘴高度:1.7m (到上唇缘的延伸部22a的自由边缘)
[0041]入口高度:0.3m (从下唇缘竖直向上直到抽吸嘴的上端面的尺寸)
[0042]出口直径:0.95m
[0043]上唇缘的延伸部相对于水平方向的角度:50°
[0044]抽吸嘴前后长度:5m
[0045]引导板的间距:0.3m
[0046]应当意识到的是，这些尺寸并不用于限制而仅仅示出了一个可行示例。
[0047]抽吸嘴10可以由焊接的低碳钢形成。外部加强肋25可以焊接到抽吸嘴10，以增强所述抽吸嘴的强度并且避免因压力不足而造成的向内爆炸。
[0048]如在图6中最好地看到的，用于提供水射流的喷嘴26可以设置在抽吸嘴10的上唇缘延伸部22a上和/或下唇缘20上。喷嘴26将水射流引导超向沉积物，以辅助破碎所述沉积物并且使其混合成泥浆。[0049]仿形滑脚28可以设置在下唇缘20的下侧上。这提供了流畅的表面，以便当承载抽吸嘴10的车辆行进时越过海床。仿形滑脚28分散抽吸嘴10的重量，以避免下唇缘20掘入到表层中。例如，可以通过液压缸调节仿形滑脚28的角度。
[0050]在仿形滑脚28的后方，可以设置一个或多个阀30，以允许自由水进入到抽吸嘴10中。以这种方式，可调节并且优化泥浆的稠度，以使得抽吸系统有效工作。在抽吸嘴10被阻塞并且在下游处形成真空的情况下还可以设置真空解除阀。
[0051]如图9所示，在使用中，抽吸嘴10可安装在呈车辆32 (示意性示出)形式的海底开采工具的前部上，所述车辆32具有推动装置(诸如，履带牵引装置或者阿基米德螺钉33)，所述推动装置允许车辆32横过海床行进。优选地，由铰接连接到车辆的两条枢转臂从车辆32上悬吊抽吸嘴10，以允许相对运动。抽吸嘴10的出口 16连接到车辆32上的吸管18。优选地，吸管18是挠性软管，以允许抽吸嘴10某种程度上相对于车辆32自由运动。挠性软管可以设置有钢支撑环，并且可以设置旋转弯头19，以允许抽吸嘴10在操作期间跟随沉积物轴向转动。
[0052]例如，可通过液压缸34主动调节抽吸嘴10的高度。一旦抽吸嘴10搁置在海床上，则液压缸34可以自由地设置液压而抽吸嘴10将被动地设置其高度，从而使得由仿形滑脚28承载其重量。
[0053]为了控制车辆32并且确定用于进行主动高度调节的最优高度，车辆32设置有实时检测系统。所述实时检测系统采用安装在车辆前部的可伸缩框架上的多个传感器的形式。传感器针对若干物体扫描车辆前方的土壤，即，检测位于表层下方并且正好在车辆周围的待避开的物体，以确保遵循正确的路径，并且判定沉积物的深度，以反馈到抽吸嘴的高度调节装置。
[0054]图9-11示出了检测系统54的示例，如图10和图11仅仅是示意性形式。可伸缩框架56向前延伸且在抽吸嘴10上方延伸。在这个示例中，六个俯视传感器58和六个前视传感器60安装在框架56上。在两端部处的俯视传感器58具有较窄的光束角62，例如大约15°的光束角，而在它们之间的四个传感器58具有角宽的光束角64，例如大约39°的光束角。传感器58安装在海床上方大约3米处，以确保它们充分覆盖抽吸嘴10的整个宽度。传感器58还位于抽吸嘴10的上唇缘延伸部22a的前方大约3.2米处，以在抽吸嘴10的金属与宽内部光束64的光束覆盖区之间提供大约2米的间隙，以便确保没有从车辆的抽吸嘴10自身拾取信号。这些尺寸仅仅为示例性而非限制性的。
[0055]俯视传感器58可以使用低频扫描装置产生泥浆层底部的剖面。这产生了车辆32前方土壤的现场密度随着深度变化的示意图。密度随深度变化而变化的变化量确定层(例如，待提取的腐泥层和不提取的矿物泥层)之间的过渡。由传感器58产生的绘图示出了可挖掘的土壤高度，并且这确定了抽吸嘴位置和车辆速度。例如，在待提取的物料的薄区域处，升高抽吸嘴，以便仅仅提取所关注的层并且由于其耗费较少的时间来收获这种较薄的层而加快其速度。
[0056]六个前视传感器60监测车辆32的路径，以确保所述路径平行并且靠近先前车道，并且检测海床上的大障碍物。
[0057]用于检测密度的俯视传感器58可以是以下类型中的一种:
[0058](I)伽马透射型传感器，其通常基于源和检测器之间的介质对伽马射线的吸收；[0059](ii)超声波反射传感器，其记录因介质和传感器之间的声阻抗差异所导致的信号反射；
[0060](iii)浅地层剖面仪，其放置成与海床相距某一距离，通常为数米，并且记录因海床的密度差所导致的信号反射；和
[0061](iv)光学向后散射传感器，其通常在非常低的密度范围(数量级为g/m3)中发挥作用，诸如浊度传感器。
[0062]用于使得车辆路径和障碍物成像的前视传感器60可以是以下类型中的一种:
[0063](i)视频成像传感器，其使用光谱与检测器(例如，感光元件CCD)的感应光谱相匹配的光源；和
[0064](ii)荧光型传感器，其使用波长处于检测器的感光窗之外的光源并且与标准照度相比可具有高得多的信噪比，尽管其仅仅针对荧光材料发挥作用。
[0065]吸管18自身连接到安装在车辆32上的其它管道，所述其它管道通向立管系统36以使得泥浆到达水面，如在W02010/000289中公开的那样。例如通过具有电驱动马达的离心疏浚泵来提供抽吸。可在本 申请人:名下的共同待决的申请(代理编号:P113711GB00)中发现用于将泥浆传送到水面的竖直运输系统的其它细节。另外，本 申请人:名下的共同待决申请(代理编号:P113707GB00)描述了一种可以由车辆32采用的开采模式。
[0066]当车辆32向前行进时，向前推进抽吸嘴10，其中，仿形滑脚28允许抽吸嘴10沿着海床顺畅滑行。当车辆32移动时，将沉积物层强性推入到抽吸嘴10中。上唇缘的延伸部22a趋于将沉积物和自由水转移并且引导超向入口 14。引导板24有助于破碎沉积物并且趋于向上推动抽吸嘴10，以使得其将越过任何大障碍物40，诸如不能破碎并且不能或应当不能进入抽吸系统的较重的泥块或者岩石块。在抽吸嘴10的重量的作用下，仿形滑脚28只不过将较小的重物推入到车辆32下方的软泥中。
[0067]泵和适当的管道42将水供应到喷嘴26以形成水射流。这种管道还包括柔性连接件44，以便允许安装在抽吸嘴10上的部件与安装在车辆32上的部件之间的相对运动。由喷嘴26提供的水射流增加了侵蚀力，以使得沉积物变松散并且使其与自由水混合，以使得沉积物形成泥浆并且允许所述沉积物被抽吸嘴10抽吸。
[0068]由于抽吸嘴10的宽度有限，因此通常通过使得海底车辆32实施一系列平行的来回移动从而产生穿过在沉积物层48的一串车道46来在一区域中进行沉积物采收。为了实现最好的抽吸效率，重要的是抽吸嘴10在抽吸嘴10的整个宽度上、在公称厚度条件下抽取沉积物层48。在抽吸嘴10的毗邻已经行驶过的车道46的侧部没有被完全覆盖于沉积物中并且因此大量水被带入到抽吸嘴10的所述部分的情况中，这可得以抑制。因此，优选的是沉积物的脊部50留在车道46之间，如图7所示。
[0069]然而，随着脊部50的宽度增加，沉积物的采收效率快速下降。因此，为了提高效率，抽吸嘴10的入口 14优选具有上述宽且扁的梯形状。如图8a-8d所示，当抽吸嘴10通过沉积物层48时，其留下了清除干净的车道46，其中悬垂部52位于每一侧上，如在图Sb中最好地看到的那样。如图8c所示，这些悬垂部52将趋于崩落到清除干净的车道46中。所形成的形状大体匹配入口 14的边缘处的形状，使得如图8d所示在下一次通过时，物料的崩落部分可进入入口 14，以避免在毗邻车道46之间留下物料脊部50。因此，使沉积物的采收最大化。
【权利要求】
1.一种用于安装在海底开采工具前部并且将被推入到沉积物中的抽吸嘴，所述抽吸嘴包括空心本体，所述本体具有入口和出口，其中，所述本体从所述入口朝向所述出口会聚，所述入口具有下唇缘和上唇缘，并且所述上唇缘包括相对于所述下唇缘向前且向上突出的延伸部，以在所述入口上方形成遮盖部，其中，所述抽吸嘴还包括: 阀，所述阀在所述入口的下游位于所述本体上，所述阀能够操作以选择性地提供通到所述本体中的另一入口。
2.根据权利要求1所述的抽吸嘴，所述抽吸嘴还包括多块引导板，所述多块引导板在所述入口的宽度上间隔开，而且从所述上唇缘的延伸部向下突出至所述下唇缘。
3.根据权利要求1或2所述的抽吸嘴，所述抽吸嘴还包括仿形滑脚，所述仿形滑脚形成在所述下唇缘的下侧上。
4.根据前述权利要求中的任意一项所述的抽吸嘴，其中，所述入口是矩形的。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的抽吸嘴，其中，所述入口是梯形的，从所述下唇缘朝向所述上唇缘变窄。
6.根据前述权利要求中的任意一项所述的抽吸嘴，所述抽吸嘴还包括一个或多个用于提供流体射流的喷嘴。
7.根据权利要求6所述的抽吸嘴，其中，所述一个或多个喷嘴位于所述上唇缘的延伸部上。
8.根据权利要求6或7所述的抽吸嘴，其中，所述一个或多个喷嘴位于所述下唇缘上。
9.根据前述权利要求中的任意一项所述的抽吸嘴，其中，所述入口的最大宽度为10m，而且最大高度为0.35m。
10.一种海底开采工具,所述海底开采工具包括海底车辆,所述海底车辆包括根据前述权利要求中的任意一项所述的抽吸嘴，所述抽吸嘴安装在所述车辆的前部上。
11.根据权利要求10所述的海底开采工具，其中，所述抽吸嘴能够枢转连接到所述车辆。
12.根据权利要求11所述的海底开采工具，所述海底开采工具还包括用于调节抽吸嘴相对于车辆的位置的调节装置。
13.根据权利要求12所述的海底开采工具，其中，用于调节抽吸嘴相对于车辆的位置的调节装置包括一个或多个液压缸。
14.根据权利要求10-13中的任意一项所述的海底开采工具，其中，所述抽吸嘴的所述出口通过柔性管连接到所述车辆上的抽吸系统。
15.根据权利要求10-14中的任意一项所述的海底开采工具，所述海底开采工具还包括检测系统，所述检测系统用于检测待开采的沉积物的不同层、检测障碍物以及监测所述海底开采工具的路径。
16.根据权利要求15所述的海底开采工具，其中，所述检测系统包括安装在框架上的至少一个传感器，所述框架在所述抽吸嘴的上方和前方延伸，所述传感器或者每个所述传感器布置成面向下朝向沉积物。
17.根据权利要求15或16所述的海底开采工具，所述海底开采工具还包括沿着所述海底开采工具的行进方向面向前、用于检测路径和障碍物的至少一个传感器。
【文档编号】E02F3/92GK103930624SQ201280048675
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年10月2日 优先权日:2011年10月3日
【发明者】D·C·帕特里丘 申请人:海洋能源勘探国际有限责任公司