[01233385]海底沉积物静水压力驱动取样机理及其效率研究

海底沉积物静水压力驱动取样器成果简介 1、课题来源及背景 目前,有多种取样器可用来获取海底沉积物样品,其中最常用的有两大类：重力取样器和振动取样器。 （1）重力取样器（包括重力活塞取样器）通常在距离海底10～15米处被释放并自由落体,利用设备自身重力和惯性将取样管插入松软沉积物从而获得沉积物样品。对于重力取样器而言,其优势在于操作简便性和取样管较长。其劣势在于： （a）只能用于较松软的沉积物取样,在用于较硬沉积物取样时,插入深度有限; （b）该类取样器头重脚轻和长度较长,在各种因素影响下很难垂直插入海底沉积物。 （2）振动取样器在工作时,一个支撑框架先着底放稳,框架上的振动器在电机或液压马达带动下振动,驱动取样管插入沉积物取样。振动取样器非常适合在较硬的沉积物区取样,但也有一些劣势存在： （a）支撑框架大且笨重; （b）需要从母船供能来驱动电机或液压马达动作,当工作深度较大时,能量供应比较麻烦。 本课题旨在利用海水的静水压力能结合重力式取样器的“重力驱动”和冲击取样器的“冲击取样”形式,具备以下几个独特的优势： （1）与重力取样器相比,同等重量情况下,静水压力驱动取样器可额外利用可观静水压力能用于取样,取样深度深。反过来说,在获得同样取样深度的情况下,静水压力驱动取样器可以轻量化,便于海上恶劣环境操作; （2）随着取样深度的增加,沉积物土体的抗剪强度增大,重力取样器取样容易出现“桩效应”（即取样管管口被沉积物堵住,取样管象一根实心桩一样继续下插,不能继续采集沉积物样品）。而静水压力驱动取样器以类似于“冲击打桩”的形式下插,“桩效应”程度减轻,从而可获得较高的样品采集率; （3）可适用于较硬沉积物的取样。 2、技术原理 深海海水静水压力能是一种绿色且储量巨大的能源,静水压力驱动取样器利用深海高压海水和取样器内部空腔的压力差驱动一个特殊设计的静水压力马达,在马达的带动下取样器冲击头（类似重力式取样器头部）被反复的抬起和释放,以一种类似打桩机的形式,将取样管撞入沉积物中。从静水压力驱动取样能量转换的角度来看,静水压力能驱动单元冲击头势能冲击单元取样管动能。 假设低压腔的容积为0.5m3,内充常压空气,工作水深2000m,冲击头质量1000kg,不考虑摩擦和其他能量损失,10×106Nm的静水压力能可将冲击头提升1000m的高度来冲击取样管,这是一个非常可观的数据!而且冲击频率和单次冲击能量都可以根据需要在较大范围内控制,实用性和适用性都很强! 3、性能指标 1)浅水样机指标 最小工作水深：90m; 取样器总重：220kg; 取样器冲击头重量：185kg; 实际冲击次数：42次; 有效冲击次数：27; 平均有效冲击速度：0.5m/s; 2)理论深水样机指标 工作水深：4000m; 取样器冲击头重量：1750kg; 取样器总重根据取样管长度不同而改变; 理论冲击次数：49次; 有效冲击次数：47次; 平均有效冲击速度：1.3m/s; 单次冲击动能：1.6kNm; 此外,取样器的冲击频率和单次冲击能量都可以根据需要在较大范围内控制,从而提高对不同类型沉积物的取样效果。 4、技术的创造性与先进性 1)设计了取样模式切换机制,实现了取样器综合利用取样器重力势能与海水压力能进行取样的目的,提高了比能容量（能量与重量的比值）,使同样质量的取样器能采集更长的沉积物样品; 2)以类似冲击打桩的形式采集沉积物样品,解决了海底取样器在没有外接能源情况下对较硬沉积物进行取样的难题; 3)通过精巧的机械结构设计,实现了取样器不依赖任何控制系统而在海底自动完成整套取样动作,从而实现类似重力式取样器的简单布放操作; 4)通过对静水压力驱动马达能量转换效率的理论推导和仿真研究,优化了静水压力驱动马达结构,并得到了针对不同类型沉积物取样的最佳冲击速度和冲击动能; 5)通过对静水压力驱动取样器冲击头重量进行调整,实现取样器冲击速度和冲击能量调节; 6)通过对取样器低压腔体和活塞腔体的容积比控制,实现取样器冲击次数调节。 5、技术的成熟程度,适用范围和安全性 技术成熟度： 在对静水压力驱动机理进行充分理论分析和仿真研究的基础上,完成了静水压力驱动取样器的设计,制造、装配及测试工作;静水压力驱动取样器在我国东海成功地进行了浅水海试试验,海试中获得的静水压力驱动马达内部压力曲线使我们对取样器在海洋环境下的运作有了更为深入的了解;该取样器在台州海洋环境监测预报中心的实际应用,充分验证了其可行性和实用性。 适用范围： 静水压力驱动取样器结合了重力式取样器的“重力驱动”和冲击取样器的“冲击取样”形式,其具有以下独特优势：（1）通过将静水压力能转化为取样管的动能,实现了海底取样器在没有外接能源情况下对海底沉积物进行取样的目的; （2）实现了海底取样器的轻量化,便于海上恶劣环境操作; （3）以类似于“冲击打桩”的形式取样,减轻了沉积物“桩效应”程度,提高了沉积物样品采集率; （4）可适用于较硬沉积物取样。 静水压力驱动取样器所具有的独特优势极大地拓展了海底沉积物取样的应用范围,可适用于对Ⅴ级及以下级别的沉积物取样; 安全性： 取样器的操作方式同重力式取样器一样,并且在甲板上的操作不涉及高压操作,因此非常安全。 6、应用情况及存在的问题 应用情况： 为验证静水压力驱动沉积物取样器在海洋中的可行性及工作性能,第二轮样机于2011年09月25日在我国东海浅海大陆架进行了海试（经度：124°29“23.46“,纬度28°40”34.32”）,取得了长0.74,直径79mm的细砂土,样品总长度（包括刀头部分样品）1m,贯入深度1.1m,样品采集率达到了91﹪,充分证明了静水压力驱动沉积物取样器的可行性。在取得沉积物样品的同时,安装在取样器低压腔体外部的datalogger获得了取样器工作时,驱动内核内部的活塞缸内部海水压力变化曲线,由曲线可知,取样器一共完成了42个冲击动作,对压力数据进行理论计算得到取样器冲击头的平均冲击速度为0.5m/s。 静水压力驱动取样器在我国东海进行的浅水海试试验,充分验证了其可行性和实用性。现在,该设备已经在省内一些海洋环境监测单位（如,台州海洋环境监测预报中心）得到推广应用。 存在的问题： 1)东海海试及台州应用均为浅海试验,沉积物厚度有限且主要试验目的为测试静水压力驱动马达的可行性,因此没有采用常规重力式取样的释放装置,而采用了一个框架帮助取样器取样。 2)取样器在浅海中成功进行了沉积物取样试验,但由于经费限制,没有在深海中进行相关试验,因此无法预知取样器在深海中会面临的怎样的问题。