全海深沉积物保压取样装置设计及试验研究_周朋.pdf

水利与土木工程DOI:10.15961/j.jsuese.202101135全海深沉积物保压取样装置设计及试验研究周朋，王豪，张培豪，曹晨，方玉平，黄越，陈家旺*(浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021)摘要：为了实现全海深沉积物保压取样，提出基于着陆器的自密封式全海深沉积物保压取样系统。取样系统主要由深海充油电机、传动机构、取样机构、保压筒、蓄能器、压力传感器和多个高压针阀及不锈钢毛细管组成。为取样器在海底自主取样提供动力，设计了专用于深海超高压的水下电池。整套装置总重60 kg，其中，水下重量45kg。通过设计花瓣压缩环形取样、下端自封闭、两端自平衡的新型取样机构，简化了装置的结构，减轻了装置重量。通过对取样器贯入过程的分析和计算，得到最大贯入力的值为786.5 N。搭建了贯入试验台架以模拟沉积物的取样过程，在不同性质的黏土中测试取样器的取样能力和贯入力，试验结果与计算结果相符合。对于硬塑性、塑性和流塑性3种黏土，取样器的取样体积分别为410、120和20 mL，最大贯入力分别为720、210和20 N。为验证取样器保压筒的密封性能和强度，进行了110 MPa内压试验，保压120 min无压降。为验证取样器在高压下的工作稳定性及保压性能，在60 MPa和100 MPa高压舱内进行了多次测试，试验结果表明，60 MPa下保压率超过90%，100 MPa保压率超过88%。最后，在中国2021大洋科考TS21航次中，取样器搭载“奋斗者号”载人潜器在西菲律宾盆区和马里亚纳海沟进行了3次原位测试，所提出的取样器均完成保取样任务，保压率超过80%，共获取保压沉积物样品超过700 mL。关键词：深渊；保压取样；贯入力；沉积物；高压舱测试；海上测试中图分类号：TH69文献标志码：A文章编号：2096-3246（2023）02-0252-07Design and Experimental Study of Pressure-retaining Sampling Device forSediments in Hadal TrenchesZHOU Peng，WANG Hao，ZHANG Peihao，CAO Chen，FANG Yuping，HUANG Yue，CHEN Jiawang*(College of Ocean,Zhejiang Univ.,Zhoushan 316021,China)Abstract:To realize pressure-retaining sampling of deep-sea sediments,a self-sealing all-depth oceanic sediment pressure retaining sampling sys-tem based on the lander is proposed.The sampling system comprises a deep-sea oil-filled motor,transmission machinery,sampling machinery,pressure holding cylinder,accumulator,pressure sensor,multiple high-pressure needle valves,and stainless steel capillary.In addition,an under-water battery dedicated to ultra-high deep-sea pressure is also designed to power the sampler for autonomous sampling on the seabed.The totalweight of the equipment is 60 kg,and the underwater weight is 45 kg.The structure of the device is simplified,and the weight is reduced bydesigning a new sampling machinery with petal compression ring-shaped sampling,self-sealing at the lower end,and self-balancing at both ends.Through the analysis and calculation of the penetration process of the sampler,the value of the maximum penetration force is 786.5 N.A penetra-tion test platform was built to simulate the sediment sampling process,and the sampling ability and penetration force of the sampler was tested inclays with different properties.The test results were consistent with the calculated results.For the three clays of complex plasticity,plasticity,andfluid plasticity,the sampling volume of the sampler is 410 mL,120 mL,and 20 mL,respectively,and the maximum penetration force is 720 N,210 N,and 20 N,respectively.To verify the sealing performance and strength of the pressure-retaining cylinder of the sampler,an internal pres-收稿日期:2021 11 12基金项目:国家重点研发计划（2018YFC0310600；2016YFC0300800）作者简介:周朋（1987），男，高级工程师.研究方向：深海机电系统.E-mail：zp2010_*通信作者:陈家旺，教授，E-mail：网络出版时间:2022 07 26 00:00:00 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023sure test of 110 MPa was carried out.The pressure was maintained for 120 minutes without pressure drop.To verify the working stability andpressure retaining performance of the sampler under high pressure,several tests were carried out in 60 MPa and 100 MPa high-pressure chambers.The test results showed that the pressure holding rate was over 90%at 60 MPa and over 88%at 100 MPa.Finally,in the TS21 voyage of Chinas2021 oceanic scientific expedition,the sampler carried by the“Striver”,a manned submersible,for three in-situ tests in the West Philippine Basinand the Mariana Trench,and the proposed samplers all completed the preservation sampling task.The pressure-retaining rate exceeded 80%,and atotal of more than 700 mL of pressure-retaining sediment samples were obtained.Key words:hadal;pressure-holding sampling;penetration force;sediment;hyperbaric chamber test;sea trial 6 000 m以下的区域称为深渊，科学家们在这样的海域也发现了生命迹象，在这种极端环境下的生命也受到越来越多的重视，深渊沉积物中含有大量的微生物，其极大的生物多样性成为了生物天然产物的巨大宝库1。目前，对于深渊中的生命现象和生命过程的认识非常有限2，对深渊生物和基因资源的探索与了解非常不足3。通过对可靠的深海沉积物样品的研究，能够深入了解地质历史上的沉积环境，沉积物的工程特性，更好地理解变化着的海洋环境4。此外，保压样品可以提供现代医学研究需要的深渊微生物活体5。目前,国外使用的海底沉积物保压取样器种类很多，主要有国际大洋钻探计划（ocean drilling program，ODP）采用的活塞取样器（advanced piston corer，APC）6、保压取芯器（pressure core sampler，PCS）7，国际深海钻探计划（deep sea drilling projram，DSDP）采用的保压取样筒（pressure corer barrel，PCB）8、（hydrateautoclave coring equipment，HYACE）系统的冲击式取样器（fugro pressure corer，FPC）和旋转式取样器（hy-ace rotaty corer，HRC）9、日本研制的保压保温岩芯取样器（pressure temperature core sampler，PTCS）10和混合保压取芯系统Hybrid PCS11、用于回收含近地表天然气水合物的沉积物取芯装置（multiple auto-clave corer，MAC）和（dynamic autoclave piston corer，DAPC）12。国内的沉积物取样装置起步于20世纪70年代，在21世纪发展较快。1996年，国家海洋局第一海洋研究所设计研发了重力活塞式取样器13；2001年以来，浙江大学设计研发了深海沉积保真取样设备14，吉林大学提出了冰阀式压力取芯系统15。现有典型海底沉积物取样器及其性能见表1。现有的沉积物取样装置大多数是不保压的，但不保压的沉积物样品已失去了原位特性16，在某些方面已经失去了研究价值17。为此，越来越多针对不同研究目标的特殊沉积物保压取样装置被开发出来，但这些装置中相当一部分需要机械手辅助操作。对于深渊海域来说，这需要具备全海深作业能力的载人潜器配合作业18，且提供这些辅助条件是非常困难的19。还有一些保压取样器是依靠重力贯入，缆车回收，在超深海工况下，需要大型缆车配合作业20。目前，用于深渊海域的保压沉积物取样装置还较为缺乏，因此，开发一套具备自主作业能力的万米级沉积物保压取样装置是非常必要的。表 1典型海底沉积物取样器及其性能Tab.1 Typical seabed sediment sampler and its performance 取样器主要指标优缺点ODPAPC61）取芯深度为250 m，取芯外管内径86 mm，取芯长度最大为9.5 m；2）取芯最高压力为14.4 MPa；3）主要用于海底沉积物土样、非专门的水合物取样。优点：取样时同步测量样品温度，所需时间少；缺点：不能主动保温。ODPPCS71）自由下落式展开，液压驱动，绳索提取；2）取样长度可达86 cm，直径42 mm；3）工作保持压力达69 MPa；4）保压方式：旋转球阀。优点：可与APC/XCB BHA联合使用；缺点：不能无压降后处理，取芯率低。HYACEFPC91）冲击式取样，缆绳提取；2）取样长度可达1 m，直径58 mm；3）工作压力在25 MPa以下；4）适用于非岩性沉积物。优点：可直接进行磁化率、电导率、P波速的扫描测量；缺点：不能主动保温。HYACEHRC91）旋转式取样，缆绳提取；2）取样长度可达1 m，直径50 mm；3）工作压力在25 MPa以下；4）可用于硬质岩化沉积物。优点：可直接进行磁化率、电导率、P波速的扫描测量；缺点：不能主动保温。日本PTCS101）绳索下放，回收内岩芯管；2）取样长度可达3.5 m，直径51 mm；3）工作保持压力达34 MPa。优点：在不打开样品筒情形下，可直接测量样品温度和压力；缺点：无法在原位压力下进行分析。Hybrid PCS111）绳索下放，回收内岩芯管；2）取样长度可达3.5 m，直径51 mm；3）工作保持压力达34 MPa。优点：可以在原位压力下对岩芯进行分析；缺点：绳索下放取样，在深度大时操作不便。DAPC121）自由下落，绳索拉升回收；2）装置高7 m，直径45 cm；3）工作压力最高为20 MPa。优点：可以实现保温保压取样并用CT扫描观察；缺点：只能工作在浅海区域。浙大重力活塞式保压取样器141）重力取样，缆绳提取；2）取样长度可达3 m，直径66 mm；3）工作压力达40 MPa。优点：在不打开样品筒情形下，可直接测量样品温度和压力，取样体积大；缺点：非主动保温。第 2 期周朋，等：全海深沉积物保压取样装置设计及试验研究253 1 全海深沉积物保压取样系统设计 1.1 整体方案全海深沉积物保压取样器的主要技术指标见表2。全海深沉积物保压取样装置的结构如图1所示，该装置主要由充油电机、减速传动机构、丝杠传动机构、取样机构、保压筒、蓄能器、压力传感器和多个高压针阀及不锈钢毛细等组成。直流无刷电机封装在一个铝合金外壳中（充油电机里），作为取样机构的驱动器。减速传动机构是由一对啮合齿轮组成的，充油电机的输出轴与小齿轮通过键连接，小齿轮带动大齿轮做减速传动，在大齿轮中间加工有梯形内螺纹，与丝杠的梯形外螺纹啮合。压力传感器一端通过不锈钢毛细管连接到保压筒上，另一端通过水密接插件连接到控制舱中，记录存储压力变化数据。蓄能器通过毛细管连接到保压筒上，补偿内部损失的压力。整套装置总重60 kg，其中水下重量45 kg；外形尺寸为400 mm400 mm900 mm。取样机构的结构如图2所示，包括取样活塞、取样筒、取样连杆、取样锥头和取样花瓣。取样活塞与丝杠通过螺纹连接，连杆同时连接取样锥头和取样活塞，使得保压筒内部充满高压水体时，取样锥头和活塞也不会脱离，实现两端自平衡，取样管下部焊接有取样花瓣。取样装置搭载于着陆器上，着陆器触底一段时间后充油电机定时启动，丝杠带动取样筒向下运动，压缩的花瓣在脱离保压筒的束缚后会张开，将沉积物压入到取样筒中，待取样完成后，电机反转将取样筒回收到保压筒中。在电机反转的过程中，花瓣会被保压筒内壁压缩产生变形，取样锥头侧面的沉积物在经过保压筒下端的防尘圈时会被刮除，不影响下端O型圈的密封，上端通过取样活塞上的O型圈实现密封。在取样完成提升至海面的过程中，可能由于保压筒体积膨胀、密封圈受压位移和微量的泄露使得内部压力减小，此时蓄能器会补偿内部损失的压力，蓄能器在使用前应预先向内部充入一定压力的氮气。压力传感器记录整个过程中保压筒内部的压力变化情况，并存储在控制板中，待回收后可导出控制板上记录的数据。取样的过程如图3所示，图3中，为取样器刚到达海底的状态，为取样开始阶段，为取样器到达最大取样深度，为回收过程，为取样结束状态。沉积物被存储在环形空间。表 2取样器主要技术指标Tab.2 Main technical indicators of the sampler 技术指标数值最大作业水深/m10 000保真样品容积/mL150保真取芯深度/mm100保真样品压力变化/%20驱动方式电机驱动供电方式自带电源 充油电机取样丝杠压力传感器减速传动保压筒蓄能器图 1取样器整体结构图Fig.1Overall structure of the sampler 丝杠O 型圈O 型圈取样活塞保压筒取样筒取样连杆取样花瓣取样锥头泛塞封图 2取样结构图Fig.2Sampling structure 海水沉积物图 3取样过程Fig.3Sampling process 254工程科学与技术第 55 卷 1.2 自平衡式充油电机目前，深水电机结构设计主要分为两类，即磁力耦合电机和充油直流无刷电机21。磁力耦合电机利用磁力耦合原理，将驱动原件与执行结构分开，提高了水下密封的可靠性22。应用于浅海时，磁力耦合电机的隔离套薄，对电机的磁场影响小，电机工作效率高23；应用于深海时，随着水深的增加，耐压壳体需要承受的压强逐渐增大，隔离套加厚，会使电机产生更大的涡流损失24，电机的工作效率严重降低。充油直流无刷电机利用压力平衡技术，电机内部充满绝缘油液，使得电机内外压力平衡，伸出轴密封处无压差，不需要厚壁抗压结构，可大大减轻电机本体的重量25；油液会对电机内部进行冷却，对轴承等部件有润滑作用，减少一些机械部件因缺少润滑而产生的机械振动和噪声26。本研究建立的可用于全海深的充油电机，如图4所示。采用直流无刷电机，在配备减速器的情况下，电机设有一个排气口和一个充油口，能够使电机完全充满油液；电机外壳的材料采用表面氧化处理过的铝合金6061T6，这种合金具有高强度、低密度的优良特质，能够满足深海设备轻质化、耐腐蚀的要求。输出轴的材料采用316不锈钢。通过皮囊的变形实现内外压的平衡，保证组合密封圈两侧无压差。电机驱动板选用了耐高压元器件（电容、芯片等），安装在电机控制舱内，通过水密电缆与外部主控相连。充油电机有4处密封设计，其中，A处为旋转动密封，采用旋转密封元件，B、C、D处为静密封，采用橡胶O型圈密封。2 取样过程分析 2.1 贯入力计算贯入力的计算是为了找出采样过程中的最大阻力，为选择电机提供依据。采样时的受力分析如图5所示。阻力可分为3部分，即尖端阻力（Pt）、外侧摩擦力（F1、F2、F3）和内侧摩擦力（F4）。其中，外侧摩阻力按照贯入深度分为3段（由浅到深为H1、H2、H3）计算，各段对应摩擦力为F1、F2、F3。为了计算最大贯入力，做以下假设：1）土层为均质黏土，取样过程中土壤性质保持不变；2）当达到最大深度时，采样器充满样品；3）由于贯入深度很小，F1的值很小，可以忽略。根据文献27的求解方法，并结合图5，可以得到：Pt=2.5d0mpsH2.5dAt（1）Fo=F1+F2+F3=UH20nfL2+UH30fL3（2）Fi=UHs0feHsdx（3）计算时各参数按照表3取值，求得最大贯入力理论值为786.5 N。2.2 取样过程为合理选择电机和设计传动机构，验证取样机构的性能，通过贯入测试得到所需驱动力。选取3种不同性质的黏土，即流塑性、塑性和硬塑性黏土对贯入过程进行测试，同时测试取样器对于不同性质的土的取样性能。贯入力测试平台如图6所示。测试过程中的贯入速度为5 mm/s，每种黏土测试3次后取平均值，测试结果见表4。表 3计算参数取值Tab.3 Parameters for calculation 参数取值名义桩尖阻力ps/kPa700最大贯入深度H/m0.39桩周长U/m0.207阻力系数m0.4桩直径d/m0.066桩尖面积At/m23.42103中部长度H2/m0.195下部长度H3/m0.078取样长度Hs/m0.39阻力折减系数n0.15单位侧摩阻力f/kPa15 输出油端盖铝合金舱体电机充油口弹性皮囊DCBA图 4充油电机Fig.4Oil-filled motor HHsH1H2F4F2F1F3H3图 5取样过程贯入阻力Fig.5Penetration force during sampling 第 2 期周朋，等：全海深沉积物保压取样装置设计及试验研究255结果表明，随着土壤的流塑性上升，取样器的取样效果变差，这是因为所设计的取样器通过环形空间保留样品，并且下方几乎没有支撑。样品在取样筒内保留主要是由于沉积物与取样筒内壁和连杆臂之间的摩擦力，以及黏土本身的黏聚力。因此，所提出的取样器在中等塑性沉积物或黏塑性沉积物中有较好的取样效果。所测贯入力与计算结果基本符合，证明了计算分析的有效性。在取样过程中需要为取样机构提供至少720 N的轴向推力。传动系统为电机带动一个小齿轮旋转，小齿轮与大齿轮啮合，丝杆穿过大齿轮中心，与大齿轮通过螺纹连接。大齿轮为丝杆提供的力矩为2829：T1=FPh21（4）FPh1式中：为取样过程的阻力，取720 N；为丝杠的螺距，取5 mm；为丝杠的工作效率，取0.9。数据代入式（4）中可得：T1=0.65 Nm。电机力矩为：T2=T1n2（5）2式中：n为齿轮的传动比，取3；为齿轮传动效率，取0.95。数据代入式（5）中可得：T2=0.23 Nm。选用MAXON公司ECmax30无刷直流电机，其额定转矩为0.0 641 Nm。考虑到低温下充油电机内油黏度大幅度升高及系统其他摩擦损耗，配备GP42C减速箱，减速比为257。可得电机输出力矩为8.645 Nm，远大于贯入所需驱动力矩。3 试验研究 3.1 内压测试对全海深沉积物保压取样器样机进行内压试验，验证保压筒密封性能及强度，内压测试如图7所示。测试前，在保压筒内注满水；然后，使用气动增压器加压，最大测试压力为110 MPa，在该压力下保持120 min。试验过程中未发现装置有泄漏或压降，表明取样机构及保压筒具有足够的强度。3.2 高压舱测试为了确定整个装置在深海取样时的工作及保压情况，在大尺寸高压筒中进行耐压试验。试验目的主要为：1）验证整个取样过程的可靠性，并记录取样和回收的时间，为后续深海取样电机的定时时间设置提供基础；2）待打压完成后，测试保压筒内部压力，与指标进行对比，确认装置的保压性能是否达到要求。高压舱测试如图8所示。表 4贯入测试结果Tab.4 Results of penetration test 黏土性质最大贯入力/N取样体积/mL流塑性2020塑性210120硬塑性720410 伺服电机直线运动机构拉压力传感器取样机构上位机黏土容器取样凹坑硬塑黏土取样贯入测试平台图 6贯入测试Fig.6Penetration test 保压沉积物取样装置保压筒增压泵增压管路压力表图 7内压测试Fig.7Internal pressure test (a)端盖穿线(b)设备吊放(c)舱盖安装(d)剪切块安装图 8高压舱测试Fig.8High-pressure test 256工程科学与技术第 55 卷取样器及其配套电池舱、电子舱布放在一个台架上。测试前，通过上位机为驱动电机设置一个启动时间；然后设备吊放入舱内，开始增压；在增压结束后，电机按照设定时间开始动作。安装在舱内的摄像头记录了取样器的动作过程，如图9所示。测试结果见表5。高压舱测试结果表明，取样器具有良好的保压性能，保压率可达到85%以上。3.3 海试2021年8月至10月，取样器搭载“探索一号”科考母船，参加了由中国科学院深海科学与工程研究所组织的中国大洋科考TS21航次，取样器部署在“奋斗者号”载人潜器在西菲律宾盆区和马里亚纳海沟进行了3次原位测试，如图10所示。所提出的取样器成功完成保压取样任务，保压率超过80%，共获取保压沉积物样品超过700 mL。海试数据见表6。4 结论随着深海探测技术的发展，对深海生物的研究将受到前所未有的重视。本文提出的保压采样器可以在海洋的最深处工作，收集沉积物并将其保存在保压筒中。与其他保压采样器相比，所提出的自密封取样结构可用于深海沉积物保压采样器，也可用于全海深大型生物、微生物和海水的采样。为深海压力采样器的设计提供了新思路。因为所建立的采样器无法获得完整的沉积物柱状样品，因此，无法用于研究微生物垂直分布和深海沟沉积环境。每次海试后发现密封圈磨损严重，这表明密封圈在底部发生了硬化现象。在未来的研究中，深海采样器的研究应重点关注以下两个方面：1）为提高样品质量，研发高保真取样器，结合自动控制技术、制冷技术及液压技术等，做到精准保压、保温及取样过程的低扰动，将样品最大程度地保持在原位状态下；2）发展针对深海作业设备的特殊材料，提升材料轻量化、耐腐蚀性及耐压能力等方面的性能，形成标准化、系统化的深海专用材料体系，为深海科技的发展做好支撑。参考文献：Wei Mengxing,Yin kedong.Research on the evaluation in-dex system of marine science and technology comprehens-ive strengthJ.Ocean Development and Management,2009,26(4):103107.卫梦星,殷克东.海洋科技综合实力评价指标体系研究J.海洋开发与管理,2009,26(4):103107.1 Jamieson A J,Fujii T,Mayor D J,et al.Hadal trenches:Theecology of the deepest places on EarthJ.Trends in Eco-logy&Evolution,2010,25(3):190197.2 Jorgensen B,Boetius A.Feast and famine-microbial life inthe deep-sea bedJ.Nature Reviews Microbiology,2007,5(10):770781.3 Wang Hao,Ruan Dongrui,Chen Cao,et al.Collection sedi-ment from Mariana Trench with 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of the sampler 第 2 期周朋，等：全海深沉积物保压取样装置设计及试验研究257logging and subsampling with the HYACINTH systemJ.Geological Society London Special Publications,2006,267(1):151163.Schultheiss P,Holland M,Humphrey G.Wireline coring andanalysis under pressure:Recent use and future develop-ments of the HYACINTH systemJ.Scientific Drilling,2009,7(7):4450.9 Masayuki K,Satoru U,Masato Y.Pressure temperature coresampler(PTCS)J.Journal of the Japanese Association forPetroleum Technology,2006,71(1):139147.10 Inada N,Yamamoto K.Data report:Hybrid pressure coringsystem tool review and summary of recovery result fromgas-hydrate related coring in the Nankai projectJ.Marine&Petroleum Geology,2015,66:323345.11 Kubo Y,Mizuguchi Y,Inagaki F,et al.A new hybrid pres-sure coring system for the drilling vessel ChikyuJ.Scientif-ic Drilling,2014,17(17):3743.12 Zhang Xin,Luan Zhendong,Yan Jun,et al.Research pro-gress of deep-sea sediment ultra-long sampling systemJ.Marine Geology 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