一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置的制作方法

1.本发明属于海洋采矿装备技术领域，涉及一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置。


背景技术：

2.随着世界工业的飞速发展，陆地资源日益枯竭，而大洋底部蕴藏着丰富的矿产资源，如锰结核、多金属硫化物等，为了合理的开发利用海底资源，世界各国都争相开展海洋采矿技术的研究。随着科学技术的不断进步，海洋采矿系统装备也得到了一定的完善和改进。
3.作为海洋采矿系统装备技术的一种，就是利用集矿车将海底矿产收集，通过采矿软管系统将其泵送到水下中继舱，再通过采矿硬管、提升泵等输送到水面采矿平台。该立管系统在实际工作中，受到水面浮式平台的升沉、摇摆以及海浪、洋流等作用，同时也受到海底集矿车运动、矿浆输送等作业工况的影响，动态响应十分复杂。直接建造如此庞大的系统装备投入花销巨大，为了保证海洋采矿立管系统的可靠性和安全性，提高研究效率，降低研究成本，且真实地模拟其动态特性，需要建立一套模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置，以期分析立管系统在各种工况条件下的动态特性，为立管系统的设计研究提供理论依据。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置，能够真实地模拟海洋采矿立管系统的动态特性，用于验证海洋采矿立管系统设计的可靠性和安全性。
5.本发明所采用的技术方案是，一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置，包括海底采矿模拟机构、支撑系统、波浪洋流模拟机构、平台管汇、管船连接模拟机构、补偿系统、张紧系统、硬管系统、软管系统、电力控制系统、液压控制系统、数据采集系统及中央控制室；
6.海底采矿模拟机构用于模拟在海底采矿并输送矿浆，波浪洋流模拟机构用于模拟制造波浪、洋流工况，管船连接模拟机构用于模拟连接立管与船；补偿系统用于模拟抵消船体的升沉、摇摆和偏移对立管的影响；张紧系统用于支撑和张紧硬管系统和软管系统，模拟对立管系统的支撑；软管系统、硬管系统与海底采矿模拟机构用于形成矿浆输送通道。
7.本发明的特点还在于，
8.支撑系统包括水池，水池边缘固定有支撑座，支撑座上通过支撑腿设置有支撑平台，支撑平台中央开设有预留开口，所示支撑平台位于水池上方；
9.海底采矿模拟机构包括位于水池底的集矿车；
10.波浪洋流模拟机构包括设置在水池侧壁的电潜泵；
11.平台管汇包括连接在一起的弯管和输送软管，弯管和输送软管位于支撑平台上
方；
12.管船连接模拟机构包括座放设置在支撑平台预留开口中的立管夹持器；
13.补偿系统包括依次连接的调整短节管、球接头和伸缩节管，调整短节管由立管夹持器固定，且调整短节管与弯管连接，伸缩节管由内筒和外筒套接组成，内筒和外筒可相对滑动，伸缩节管上设置有锁紧装置，球接头和伸缩节管均位于支撑平台下方；
14.张紧系统包括固定于支撑平台下底面的张紧器，还包括套装在伸缩节管外筒的张力环，张力环通过钢丝绳与张紧器悬吊连接；
15.硬管系统包括依次连接的采矿硬管、提升泵和中继站，采矿硬管设置有两节，一节采矿硬管连接在伸缩节管与提升泵之间，另一节采矿硬管连接在提升泵与中继站之间；
16.软管系统包括采矿软管，中继站与集矿车通过采矿软管连接。
17.中央控制室包括信号传输与数据处理中心和工作站，信号传输与数据处理中心将所有数据汇总到工作站，并根据工作站发出的指令将控制信号传递到与其连接的系统。
18.电力控制系统包括电气控制柜，集矿车、电潜泵、提升泵和中继站分别接入电气控制柜，电气控制柜与信号传输与数据处理中心连接。
19.液压控制系统包括设置在锁紧装置上且与信号传输与数据处理中心连接的监视器，监视器用于监视锁紧装置的开闭状态，锁紧装置依次连接有双向液压锁、换向阀、减压阀、球阀、液压泵，减压阀和球阀之间设置有压力表，液压泵依次连接有过滤器和液压泵控制器，过滤器连接有油箱，液压泵控制器与信号传输与数据处理中心连接。
20.数据采集系统包括设置在弯管上的流量计、设置在中继站内的液位计、设置在球接头上的角度传感器、设置在采矿硬管上的应变片，上述各部件共同连接有数据采集中心，数据采集中心与信号传输与数据处理中心连接。
21.电潜泵由上至下设置有四个。
22.本发明的有益效果是：
23.本发明一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置，能够真实地模拟海洋采矿立管系统在不同作业工况、不同环境工况及不同组合工况下的动态响应过程，通过监测系统实时掌握立管系统的动态变化，并根据试验需要进行在线调控，采集立管系统的动态变化数据，研究海洋采矿立管系统动态特性的影响规律。该试验装置的建立可有效的降低研究成本，提高研究效率，为真实海洋采矿立管系统的设计提供理论依据，分析采矿立管系统在各种工况条件下的动态特性，提高采矿立管系统设计的可靠性和安全性。
附图说明
24.图1是本发明一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置的结构示意图；
25.图2是本发明一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的局部张紧系统结构示意图；
26.图3是本发明一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置的电力控制系统、液压控制系统、数据采集系统及中央控制室结构示意图。
27.图中，1.集矿车，2.电潜泵，3.支撑座，4.支撑腿，5.支撑平台，6.伸缩节，7.采矿硬管，8.应变片，9.提升泵，10.液位计，11.中继站，12.采矿软管，13.水池，14.立管夹持器，15.输送软管，16.弯管，17.流量计，18.调整短节，19.张紧器，20.球接头，21.角度传感器，22.锁紧装置，23.张力环，24.钢丝绳，25.监视器，26.双向液压锁，27.换向阀，28.压力表，
29.减压阀，30.球阀，31.液压泵，32.过滤器，33.油箱，34.液压泵控制器，35.信号传输与数据处理中心，36.工作站，37.数据采集中心，38.电气控制柜。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
29.实施例1
30.本实施例提供一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置，如图1所示，包括海底采矿模拟机构、支撑系统、波浪洋流模拟机构、平台管汇、管船连接模拟机构、补偿系统、张紧系统、硬管系统、软管系统、电力控制系统、液压控制系统、数据采集系统及中央控制室。
31.支撑系统包括水池13，水池13边缘固定有支撑座3，支撑座3上通过支撑腿4设置有支撑平台5，支撑平台5中央开设有预留开口，所示支撑平台5位于水池上方。
32.海底采矿模拟机构，用于模拟在海底采矿并输送矿浆包括位于水池13底的集矿车1。
33.波浪洋流模拟机构用于模拟制造波浪、洋流工况，包括设置在水池13侧壁的电潜泵2，电潜泵2由上至下设置有四个。
34.平台管汇包括连接在一起的弯管16和输送软管15，弯管16和输送软管15位于支撑平台5上方。
35.管船连接模拟机构用于模拟连接立管与船，是立管与支撑平台5的连接纽带，包括座放设置在支撑平台5预留开口中的立管夹持器14。
36.补偿系统用于模拟抵消船体的升沉、摇摆和偏移对立管的影响，包括依次连接的调整短节管18、球接头20和伸缩节管6，调整短节管18由立管夹持器14固定，且调整短节管18与弯管16连接，伸缩节管6由内筒和外筒套接组成，内筒和外筒可相对滑动，伸缩节管6上设置有锁紧装置22，球接头20可以在一定角度内自由摆动，球接头20和伸缩节管6均位于支撑平台5下方。
37.张紧系统用于支撑和张紧伸缩节管6外筒及外筒以下立管系统，如图2所示，包括固定于支撑平台5下底面的张紧器19，还包括套装在伸缩节管6外筒的张力环23，张力环23通过钢丝绳24与张紧器19悬吊连接。
38.硬管系统包括依次连接的采矿硬管7、提升泵9和中继站11，采矿硬管7设置有两节，一节采矿硬管7连接在伸缩节管6与提升泵9之间，另一节采矿硬管7连接在提升泵9与中继站11之间，提升泵9根据需要设置在一定水深；
39.软管系统包括采矿软管12，中继站11与集矿车1通过采矿软管12连接。
40.软管系统、硬管系统与海底采矿模拟机构用于形成矿浆输送通道。
41.如图3所示，中央控制室包括信号传输与数据处理中心35和工作站36，信号传输与数据处理中心35将所有数据汇总到工作站36，并根据工作站36发出的指令将控制信号传递到与其连接的系统。
42.电力控制系统用于控制集矿车1、电潜泵2、提升泵9和中继站11的工作启停，包括电气控制柜38，集矿车1、电潜泵2、提升泵9和中继站11分别接入电气控制柜38，电气控制柜38与信号传输与数据处理中心35连接。
43.液压控制系统包括设置在锁紧装置22上且与信号传输与数据处理中心35连接的监视器25，监视器25用于监视锁紧装置22的开闭状态，锁紧装置22通过管线依次连接有双向液压锁26、换向阀27、减压阀29、球阀30、液压泵31，所述减压阀29和球阀30之间设置有压力表28，液压泵31依次连接有过滤器32和液压泵控制器34，过滤器32连接有油箱33，液压泵控制器34与信号传输与数据处理中心35连接。
44.数据采集系统包括设置在弯管16上的流量计17、设置在中继站11内的液位计10、设置在球接头20上的角度传感器21、设置在采矿硬管7上的应变片8，上述各部件共同连接有用于数据汇总的数据采集中心37，所述数据采集中心37与信号传输与数据处理中心35连接。
45.实施例2
46.本实施例提供一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置，如图1所示，包括海底采矿模拟机构、支撑系统、波浪洋流模拟机构、平台管汇、管船连接模拟机构、补偿系统、张紧系统、硬管系统、软管系统、电力控制系统、液压控制系统、数据采集系统及中央控制室。
47.海底采矿模拟机构，用于模拟在海底采矿并输送矿浆包括位于水池13底的集矿车1。
48.波浪洋流模拟机构用于模拟制造波浪、洋流工况，包括设置在水池13侧壁的电潜泵2，电潜泵2由上至下设置有四个。
49.平台管汇包括连接在一起的弯管16和输送软管15，弯管16和输送软管15位于支撑平台5上方。
50.管船连接模拟机构用于模拟连接立管与船，是立管与支撑平台5的连接纽带，包括座放设置在支撑平台5预留开口中的立管夹持器14。
51.补偿系统用于模拟抵消船体的升沉、摇摆和偏移对立管的影响，包括依次连接的调整短节管18、球接头20和伸缩节管6，调整短节管18由立管夹持器14固定，且调整短节管18与弯管16连接，伸缩节管6由内筒和外筒套接组成，内筒和外筒可相对滑动，伸缩节管6上设置有锁紧装置22，球接头20可以在一定角度内自由摆动，球接头20和伸缩节管6均位于支撑平台5下方。
52.张紧系统用于支撑和张紧伸缩节管6外筒及外筒以下立管系统，如图2所示，包括固定于支撑平台5下底面的张紧器19，还包括套装在伸缩节管6外筒的张力环23，张力环23通过钢丝绳24与张紧器19悬吊连接。
53.硬管系统包括依次连接的采矿硬管7、提升泵9和中继站11，采矿硬管7设置有两节，一节采矿硬管7连接在伸缩节管6与提升泵9之间，另一节采矿硬管7连接在提升泵9与中继站11之间，提升泵9根据需要设置在一定水深；
54.软管系统包括采矿软管12，中继站11与集矿车1通过采矿软管12连接。
55.软管系统、硬管系统与海底采矿模拟机构用于形成矿浆输送通道。
56.实施例3
57.本实施例提供一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置，如图1所示，包括海底采矿模拟机构、支撑系统、波浪洋流模拟机构、平台管汇、管船连接模拟机构、补偿系统、张紧系统、硬管系统、软管系统、电力控制系统、液压控制系统、数据采集系统及中央控
制室。
58.海底采矿模拟机构，用于模拟在海底采矿并输送矿浆包括位于水池13底的集矿车1。
59.波浪洋流模拟机构用于模拟制造波浪、洋流工况，包括设置在水池13侧壁的电潜泵2，电潜泵2由上至下设置有四个。
60.平台管汇包括连接在一起的弯管16和输送软管15，弯管16和输送软管15位于支撑平台5上方。
61.管船连接模拟机构用于模拟连接立管与船，是立管与支撑平台5的连接纽带，包括座放设置在支撑平台5预留开口中的立管夹持器14。
62.补偿系统用于模拟抵消船体的升沉、摇摆和偏移对立管的影响，包括依次连接的调整短节管18、球接头20和伸缩节管6，调整短节管18由立管夹持器14固定，且调整短节管18与弯管16连接，伸缩节管6由内筒和外筒套接组成，内筒和外筒可相对滑动，伸缩节管6上设置有锁紧装置22，球接头20可以在一定角度内自由摆动，球接头20和伸缩节管6均位于支撑平台5下方。
63.张紧系统用于支撑和张紧伸缩节管6外筒及外筒以下立管系统，如图2所示，包括固定于支撑平台5下底面的张紧器19，还包括套装在伸缩节管6外筒的张力环23，张力环23通过钢丝绳24与张紧器19悬吊连接。
64.硬管系统包括依次连接的采矿硬管7、提升泵9和中继站11，采矿硬管7设置有两节，一节采矿硬管7连接在伸缩节管6与提升泵9之间，另一节采矿硬管7连接在提升泵9与中继站11之间，提升泵9根据需要设置在一定水深；
65.软管系统包括采矿软管12，中继站11与集矿车1通过采矿软管12连接。
66.软管系统、硬管系统与海底采矿模拟机构用于形成矿浆输送通道。
67.中央控制室包括信号传输与数据处理中心35和工作站36，信号传输与数据处理中心35将所有数据汇总到工作站36，并根据工作站36发出的指令将控制信号传递到与其连接的系统。
68.实施例4
69.本实施例提供一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置，如图1所示，包括海底采矿模拟机构、支撑系统、波浪洋流模拟机构、平台管汇、管船连接模拟机构、补偿系统、张紧系统、硬管系统、软管系统、电力控制系统、液压控制系统、数据采集系统及中央控制室。
70.海底采矿模拟机构，用于模拟在海底采矿并输送矿浆包括位于水池13底的集矿车1。
71.波浪洋流模拟机构用于模拟制造波浪、洋流工况，包括设置在水池13侧壁的电潜泵2，电潜泵2由上至下设置有四个。
72.平台管汇包括连接在一起的弯管16和输送软管15，弯管16和输送软管15位于支撑平台5上方。
73.管船连接模拟机构用于模拟连接立管与船，是立管与支撑平台5的连接纽带，包括座放设置在支撑平台5预留开口中的立管夹持器14。
74.补偿系统用于模拟抵消船体的升沉、摇摆和偏移对立管的影响，包括依次连接的
调整短节管18、球接头20和伸缩节管6，调整短节管18由立管夹持器14固定，且调整短节管18与弯管16连接，伸缩节管6由内筒和外筒套接组成，内筒和外筒可相对滑动，伸缩节管6上设置有锁紧装置22，球接头20可以在一定角度内自由摆动，球接头20和伸缩节管6均位于支撑平台5下方。
75.张紧系统用于支撑和张紧伸缩节管6外筒及外筒以下立管系统，如图2所示，包括固定于支撑平台5下底面的张紧器19，还包括套装在伸缩节管6外筒的张力环23，张力环23通过钢丝绳24与张紧器19悬吊连接。
76.硬管系统包括依次连接的采矿硬管7、提升泵9和中继站11，采矿硬管7设置有两节，一节采矿硬管7连接在伸缩节管6与提升泵9之间，另一节采矿硬管7连接在提升泵9与中继站11之间，提升泵9根据需要设置在一定水深；
77.软管系统包括采矿软管12，中继站11与集矿车1通过采矿软管12连接。
78.软管系统、硬管系统与海底采矿模拟机构用于形成矿浆输送通道。
79.中央控制室包括信号传输与数据处理中心35和工作站36，信号传输与数据处理中心35将所有数据汇总到工作站36，并根据工作站36发出的指令将控制信号传递到与其连接的系统。
80.电力控制系统用于控制集矿车1、电潜泵2、提升泵9和中继站11的工作启停，包括电气控制柜38，集矿车1、电潜泵2、提升泵9和中继站11分别接入电气控制柜38，电气控制柜38与信号传输与数据处理中心35连接。
81.通过上述内容可知，本发明一种模拟海洋采矿立管系统动态特性的试验装置能够模拟采矿立管系统运行采矿的过程，分析立管系统在复杂海洋环境作用下的动态特性，有效验证海洋采矿立管系统设计的可靠性和安全性。