專利名稱：一種深海充氣浮體球的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深海采礦設(shè)備所使用的一種浮體球，特別涉及到深海采礦設(shè)備所使用的一種在球體內(nèi)充高壓氣體的浮體球。
背景技術(shù)：
經(jīng)勘探查明，大洋是豐富的礦產(chǎn)資源基地。世界主要發(fā)達(dá)國家在20世紀(jì)初就開始對深海采礦技術(shù)進(jìn)行研究和開發(fā)。普遍認(rèn)為首先采用采礦車將海底礦石采集，然后采用水力輸送方法，通過管道將礦石輸送到海面采礦船上的采礦方法，最具工業(yè)應(yīng)用前景。根據(jù)礦石輸送管道和輸送設(shè)備的不同，可分為硬管采礦系統(tǒng)和軟管采礦系統(tǒng)。硬管采礦系統(tǒng)由海面采礦船5、海底采礦車11和礦石輸送系統(tǒng)組成，礦石輸送系統(tǒng)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。硬管采礦系統(tǒng)的工作原理如下首先采用礦漿泵將采礦車采集的礦石輸送到礦石中繼倉內(nèi)，然后通過安裝于硬管7上的多臺礦漿泵6將礦石從中繼倉9接力輸送到海面采礦船5上，其原理如圖3(a)所示。軟管采礦系統(tǒng)由海面采礦船(浮動(dòng)平臺12)、海底采礦車11和礦石輸送系統(tǒng)組成，其礦石輸送系統(tǒng)與硬管采礦系統(tǒng)不同，由一根比海深長的軟管 10、浮體材料8和安裝于采礦車上的礦石輸送設(shè)備組成，其原理如圖3(b)所示。從上述兩種深海采礦系統(tǒng)的工作原理可知，在礦石輸送軟管上都安裝了浮體材料，其目的在于改變軟管的空間形狀和改善采礦車對海底的作用力，起到了保障深海采礦系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵作用。深海采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(qiáng)，且密度要小、吸水性要小。我國對深海采礦的浮體性能提出了具體要求，其主要技術(shù)指標(biāo)如下1、工作深度2060m 密度0. 35 0. 41g/cm3，抗壓強(qiáng)度19MPa，彈性模量15130kg/ cm2,破壞深度3089m，吸水率在試驗(yàn)深度M小時(shí)內(nèi)小于3%。2、工作深度:3570m 密度0. 417 0. 481g/cm3，抗壓強(qiáng)度33MPa，彈性模量17500kg/ cm2,破壞深度4270m，吸水率在試驗(yàn)深度M小時(shí)內(nèi)小于3%。3、工作深度7000m 密度0. 47 0. Mg/cm3，抗壓強(qiáng)度66. 8MPa，彈性模量36560kg/ cm2，環(huán)境溫度-20°C 45°C (空氣中)，_2°C 32°C (在海水中)。密度和抗壓強(qiáng)度是浮體的兩個(gè)主要性能指標(biāo)，密度越小，同等體積浮體提供的浮力越大；抗壓強(qiáng)度越高，下潛深度就越深。為了滿足深海采礦系統(tǒng)的要求，國內(nèi)、外對深海浮體都進(jìn)行了深入的研究。其加工方法有兩種，一種為為采用低密度、高強(qiáng)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(qiáng)度固體浮力材料，例如采用高強(qiáng)度環(huán)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年代末開始研制高強(qiáng)度固體浮體材料，以用于大洋深海海底的開發(fā)事業(yè)，現(xiàn)在已經(jīng)采用上述兩種方法都解決了深海低密度、高強(qiáng)度固體浮力材料的技術(shù)難題。由于球是承受外部均勻壓力最理想的結(jié)構(gòu)，通常把浮體加工成球體。美國海軍應(yīng)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)室、美國洛克希德導(dǎo)彈空間公司和美國Flotec公司采用上述兩種方法，已經(jīng)研制出如下性能的浮體。1、密度為0. 35g/cm3時(shí)，抗壓強(qiáng)度為5. 5MPa。2、密度0. :35g/cm3，抗壓強(qiáng)度5. 6MPa，可潛水深MOm ；3、密度為0. 45 0. 48g/cm3，抗壓強(qiáng)度25MPa，可潛水深M30m。4、密度為0. 55 0. 60g/cm3，抗壓強(qiáng)度65MPa，可潛水深6000m。從上述美國研制的深海浮體性能可知，我國對深海采礦的浮體性能要求高于美國已將研制出的浮體性能，由此可見，我國深海采礦浮體材料的研制難度很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能承受深海高壓工作環(huán)境，并能最大限度地提供浮力的一種深海充氣浮體球。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，浮體球殼采用低密度、高強(qiáng)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)制作，并根據(jù)浮體球所處工作海洋深度的要求，在球殼內(nèi)沖入相對應(yīng)壓力的氦氣以增強(qiáng)抵抗球殼外部深海壓力。所述充氣閥座為圓柱結(jié)構(gòu)，通過焊接等方式安裝于浮體球殼上，在充氣閥座內(nèi)設(shè)有通氣道，通氣道內(nèi)設(shè)有密封圈安裝閥孔，在充氣閥座側(cè)面設(shè)有可與高壓氣源相連接的螺紋，在充氣閥座上端設(shè)有內(nèi)螺紋用于安裝壓緊螺釘。所述壓緊螺釘安裝于充氣閥座上端，其頂端為圓錐結(jié)構(gòu)，起到閥芯的作用，當(dāng)擰開壓緊螺釘，壓緊螺釘與密封圈處于分開狀態(tài)時(shí)，通氣道暢通，可將高壓其它通入浮體球內(nèi)； 當(dāng)浮體球內(nèi)氣體達(dá)到額定氣壓時(shí)，擰緊壓緊螺釘切斷通氣道，實(shí)現(xiàn)對浮體球的充氣。所述密封圈安裝于閥孔內(nèi)，當(dāng)壓緊螺釘緊壓密封圈時(shí)，起到切斷通氣道的作用。深海充氣浮體球具有如下特點(diǎn)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(nèi)充8Mp氮?dú)?，工作深度可達(dá)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(nèi)充8Mp氮?dú)?，工作深度可達(dá)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(nèi)充16Mp氮?dú)?，工作深度可達(dá)深海7000m。


圖1為深海充氣浮體球結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為充氣閥結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 (a)為深海硬管采礦系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖；(b)為深海軟管采礦系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖3 (a)為深海硬管采礦系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為深海軟管采礦系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖，兩種結(jié)構(gòu)的深海采礦系統(tǒng)都采用了浮體材料8，其目的在于改變軟管10的空間形狀和改善采礦車11對海底的作用力，浮體材料8是深海采礦不可缺少的設(shè)備。參照圖1、圖2，本實(shí)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(jié)構(gòu)，浮體球殼1采用低密度、高強(qiáng)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)制作，并根據(jù)浮體球所處工作海洋深度的要求，在浮體球殼1內(nèi)沖入相對應(yīng)壓力的氦氣以增強(qiáng)抵抗浮體球殼1外部深海壓力。所述充氣閥座3為圓柱結(jié)構(gòu)，通過焊接等方式安裝于浮體球殼1上，在充氣閥座3內(nèi)設(shè)有通氣道，通氣道內(nèi)設(shè)有密封圈2的安裝閥孔，在充氣閥座3側(cè)面設(shè)有可與高壓氣源相連接的螺紋，在充氣閥座3上端設(shè)有內(nèi)螺紋用于安裝壓緊螺釘4。采用上述結(jié)構(gòu)本實(shí)施例設(shè)計(jì)有三種用于不同海深工作的充氣浮體球。本第一實(shí)施例采用鈦合金Ti80 (Ti2-6Al-2Zr-lMo-3Nb)制作直徑SO = 500mm的球體，壁厚為4. 5mm,內(nèi)充8Mpa氦氣，其性能指標(biāo)為密度0. 218g/cm3，抗壓強(qiáng)度21Mpa，工作深度可達(dá)海深2060m。本第二實(shí)施例采用鋁合金(AL-3.4Cu-3. 2Li_l. IMg-O. 6Mn)制作直徑 SΦ = 500mm 的球體，壁厚為8. 5mm,內(nèi)充8Mpa氦氣，其性能指標(biāo)為密度0. ^3g/cm3，抗壓強(qiáng)度36MPa，工作深度可達(dá)海深3570m。本第三實(shí)施例采用鈦合金Ti80 (Ti2-6Al-2Zr-lMo-3Nb)制作直徑SO = 500mm的球體，壁厚為8. 5mm,內(nèi)充16Mpa氦氣，其性能指標(biāo)為密度0. 433g/cm3，抗壓強(qiáng)度71MPa，工作深度可達(dá)海深7000m。由上述三個(gè)可知，采用低密度、高強(qiáng)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)制作的空心球殼1，在球內(nèi)充入合適壓強(qiáng)的高壓氦氣方法，可以制作出高性能的浮體球，其性能指標(biāo)超過我國對深海采礦的浮體性能提出了具體要求。
權(quán)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).其特征在于，所述浮體球殼(1)為薄壁球型結(jié)構(gòu)，浮體球殼(1)采用低密度、高強(qiáng)度的鈦合金TiSO或者鋁合金制作，并根據(jù)浮體球所處工作海洋深度的要求，在浮體球殼(1)內(nèi)沖入相對應(yīng)壓力的氦氣以增強(qiáng)抵抗浮體球殼(1)外部深海壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述深海充氣浮體球，其特征在于，充氣閥座(3)為圓柱結(jié)構(gòu)，通過焊接等方式安裝于浮體球殼(1)上，在充氣閥座(3)內(nèi)設(shè)有通氣道，通氣道內(nèi)設(shè)有密封圈 (2)安裝閥孔，在充氣閥座C3)側(cè)面設(shè)有可與高壓氣源相連接的螺紋，在充氣閥座C3)上端設(shè)有內(nèi)螺紋用于安裝壓緊螺釘G)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述深海充氣浮體球，其特征在于，所述所述壓緊螺釘(4)安裝于充氣閥座(3)上端，其頂端為圓錐結(jié)構(gòu)，起到閥芯的作用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種深海充氣浮體球，浮體球殼(1)為薄壁球型結(jié)構(gòu)，采用低密度、高強(qiáng)度的鈦合金Ti80或鋁合金制作，并根據(jù)浮體球所處工作海洋深度的要求，在球殼(1)內(nèi)沖入相對應(yīng)壓力的氦氣以增強(qiáng)抵抗球殼外部深海壓力。充氣閥座(3)為圓柱結(jié)構(gòu)，通過焊接等方式安裝于浮體球殼(1)上，在充氣閥座(3)內(nèi)設(shè)有通氣道，通氣道內(nèi)設(shè)有密封圈(2)安裝閥孔，在充氣閥座(3)側(cè)面設(shè)有可與高壓氣源相連接的螺紋，在充氣閥座上端設(shè)有內(nèi)螺紋用于安裝壓緊螺釘(4)。壓緊螺釘(4)安裝于充氣閥座(3)上端，其頂端為圓錐結(jié)構(gòu)，起到閥芯的作用。本發(fā)明浮體球，性能指標(biāo)高，超過了我國對深海采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(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者吳萬榮, 吳波, 徐海良 申請人:中南大學(xué)