CN103115798A - 一种深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋海底勘探领域，具体地说是一种深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统，包括位于水上的甲板系统及位于水下的框架、液压绞车、控制桶、水下摄像机、液压工作站、采样机构及储能气锤机构，其中液压绞车安装在框架顶部、通过水密电缆连接有水下摄像机，控制桶安装在框架内、与所述甲板系统电连接；所述液压工作站安装在控制桶下方的框架上，分别与控制桶及液压绞车连接；所述储能气锤机构固定在框架的底部，在储能气锤机构的下端连接有采样机构。本发明集成度高、系统扩展性强、能实现通过甲板系统，采用立式收放模式，大大节约了甲板空间，具有良好的船舶实用性。

Description

一种深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统

技术领域

本发明属于海洋海底勘探领域，具体地说是一种深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统。

背景技术

目前，主要应用的重力活塞取样系统有两类：

1.简单式重力取样系统。当船上钢缆快速释放时，取样系统在配重和自重作用下克服海水的浮力和阻力，其下端的切削型管靴靠动能贯入地层，管口爪簧防止芯样在提钻时脱落；取样管上部的球阀，在取样器贯入土层时在管内水压作用下打开，而提起时关闭，以保护芯样免受海水冲刷；为了保持取样管在落入过程中处于稳定垂直状态并提高下落速度，一般还设置配重、稳定器和钢丝绳抛出机构；由于土样在取样管中上升时要克服与取样管内壁的摩擦力和取样管内的水压，当样品较长时会出现管内土样被压实的现象，从而改变了取样长度。

2.带框架的活塞式重力取样系统。该取样系统在简单式重力取样系统的基础上增加了框架和活塞，并将活塞引绳固定在框架顶部，使其长度恒定；当框架下落，坐于海底时，活塞锁定在海底平面的位置上，而取样管在惯性作用下贯入海底完成取样；随着取样管贯入土中的深度不断加大，活塞在取样管中的相对位置逐渐上移，隔开了静水压力对样品的影响，同时消除了土样被非均匀压实的现象，使取出的芯样长度几乎与取样管贯入深度相等，但缺点是采样深度浅。

上述传统的海底沉积物取样，其不足之处在于目前国内外海洋调查所采用的沉积物重力活塞取样系统，采用甲板收放模式，存在对作业船舶甲板面积要求大的弊端，只能利用船舶定位进行盲采样，定位精度极低，作业深度基本在1000米以内并且采样长度基本在7-8米，如果这种设备到深水区(3000米以下)作业，采样长度一般不会超过5米，无精确距地高度、无动力源、无可视化、无可控性、无水下定位等系统支持，作业危险性大，取样器是否触底只能取决于作业人员的海上取样经验来判断，其结果不仅降低了采样成功率也影响作业效率，更容易损坏调查设备，不能实时了解采样点和原始样的真实状态和采样过程的扰动情况等，导致所获取的样品很难全面反映样品的真实情况，无法满足科研的要求。

发明内容

针对现有重力取样系统由于缺少可视、可控和必要的动力源，难以适应复杂海底环境的问题，本发明的目的在于提供一种深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括位于水上的甲板系统及位于水下的框架、液压绞车、控制桶、水下摄像机、液压工作站、采样机构及储能气锤机构，其中液压绞车安装在框架顶部、通过水密电缆连接有水下摄像机，控制桶安装在框架内、与所述甲板系统电连接；所述液压工作站安装在控制桶下方的框架上，分别与控制桶及液压绞车连接；所述储能气锤机构固定在框架的底部，在储能气锤机构的下端连接有采样机构。

其中：所述控制桶位于框架的一侧，框架的另一侧设有配重块；所述采样机构的外部设有固接在框架底部、起导向作用的外套；所述液压绞车包括绞筒、护罩、液压马达及皮囊，其中绞筒通过支撑架安装在框架顶部，支撑架一侧设有液压马达，该液压马达的输出端与绞筒相连、驱动绞筒旋转；所述水密电缆的一端缠绕在绞筒上，另一端接有水下摄像机；所述液压马达与液压工作站连接，在液压马达上安装有皮囊，该皮囊内装有高度计；所述储能气锤机构包括直浸式深海电机、气缸及安装在气缸内的伸缩套、丝杆、活塞、开合螺母、锤头、承压板及传力柱，其中丝杆的一端与直浸式深海电机的输出端相连，另一端依次套设有活塞、锤头，所述开合螺母位于活塞与锤头之间、与丝杆螺纹连接，在活塞上表面与气缸上端盖之间设有套在丝杆外部的伸缩套；所述锤头下方设有承压板，该承压板下方通过传力柱与采样机构相连；所述开合螺母沿径向往复滑动地容置在锤头内的空腔中，活塞、锤头、承压板及传力柱随开合螺母通过与丝杆螺纹连接升降；所述采样机构包括采样管柱、弹簧岩芯爪及采样衬管，其中采样管柱与储能气锤机构相连，采样衬管位于采样管柱内部、与储能气锤机构连接，在采样衬管的内壁上圆周均布有多个弹簧岩芯爪；所述弹簧岩芯爪的一端固接在采样衬管的内壁上，另一端向上倾斜；所述采样管柱为分段结构，每段管柱均为锥形管，相邻管柱之间螺纹连接。

本发明的优点与积极效果为：

本发明集成度高、系统扩展性强、能实现通过甲板系统，采用立式收放模式，大大节约了甲板空间，具有良好的船舶实用性。在实时监测海底实况图像的同时，集成了声学设备、传感器、可视化装置、水下定位系统，解决了以往盲采样的弊端，既提高了系统的作业能力，又提高了作业效率，具有很直观的多种同步模式，增强抗复杂环境的能力，可以提升可视化可控重力取样系统的效率和成功率，能同步获得取样系统离海底的高度、姿态、位置等信息并能控制取样深度，方便操控的同时保证样品的质量。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为图1中液压绞车的结构示意图；

图3为图1中储能气锤机构的结构示意图；

图4为本发明水上部分甲板系统的原理图；

图5为本发明的液压原理图；

其中：1为液压绞车，101为绞筒，102为水密电缆，103为护罩，104为液压马达，105为皮囊；

2为提杆，3为配重块，4为控制桶，

5为液压工作站，501为可补偿油箱，502为滤油器，503为深水柱塞泵，504为单向阀，505为溢流阀；

6为储能气锤机构，601为直浸式深海电机，602为吊钩，603为减速器，604为气缸，605为伸缩套，606为丝杆，607为活塞，608为开合螺母，609为锤头，610为承压板，611为传力柱；

7为外套，8为采样管柱，9为弹簧岩芯爪，10为采样衬管，11为水下摄像机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括位于水上的甲板系统及位于水下的框架、液压绞车1、配重块3、控制桶4、液压工作站5、采样机构、储能气锤机构6、外套7及水下摄像机11，其中液压绞车1安装在框架顶部、通过水密电缆102连接有水下摄像机11，控制桶4安装在框架内的一侧、与所述甲板系统电连接，框架内的另一侧安装有配重块3；所述液压工作站5安装在配重块3及控制桶4下方的框架上，分别与控制桶4及液压绞车1连接；所述储能气锤机构6固定在框架的底部，在储能气锤机构6的下端连接有采样机构；采样机构的外部设有固接在框架底部、起导向作用的外套7，该外套7可使锤击力的方向与采样衬管中心轴线保持一致，外套7按采样衬管长度的需求可多节组合而成。

本发明的甲板系统为现有技术，主要具有数据设置控制、数据与图像显示等功能。甲板系统由以下部件组成：

(1)控制计算机：1台P4双核1.6GHzCPU，1GB内存，160GB硬盘，1个RJ45100M网卡，19英寸液晶显示器。

(2)通讯模块：基于DSL技术的通讯模块，理论数据传输速率大于2Mb/秒。

(3)软件操作系统：WINDOWS2000SP2

(4)控制软件：具有数据设置控制、数据与图像显示界面、可显示集成船载GPS定位数据、实时硬盘记录水下工作图像信息的监控软件。

如图4所示，水下深水可视可控取样系统一边的10km同轴电缆为硫化的“猪尾巴”缆头，接入深水可视可控取样系统的控制桶4对应插座上；信号处理机一边的10km同轴电缆通过“BNC”连接器插入信号处理机后面板的对应插座上；水下摄像机图像信号通过控制桶4内的工控机水下处理后，经过10km同轴电缆传到信号处理机，通过处理后输出视频信号，接到图像监视器(电视机)上；信号处理机后面板上有上传数据和下传命令专用接口(RS232口)，此接口通过专用电缆连到操作台主计算机的标准RS232COM1上，上传数据和下传命令通过此口连接操作控制台和控制桶4。

如图2所示，液压绞车1包括绞筒101、护罩103、液压马达104及皮囊105，其中绞筒101通过支撑架安装在框架顶部，支撑架一侧设有液压马达104，该液压马达104为水下摄像头11的收放提供动力，液压马达104的输出端与绞筒101相连、驱动绞筒101旋转；所述水密电缆102的一端缠绕在绞筒101上、随着液压马达104的转动自动收放，另一端经过提杆2后接有水下摄像机11，水下摄像机11上带有多个水下照明灯；所述液压马达104与液压工作站5连接，在液压马达104上安装有皮囊105，该皮囊105由按航空标准选用的耐油橡胶制作而成，皮囊105内装有高度计。水下可视控制系统的控制部分位于控制桶4内，为现有技术。

为了便于视像监控，甲板操作人员可通过启动水下摄像机11由液压绞车1收放水密电缆102来升降水下摄像机11，能够适时监控整个沉积物取样过程；甲板操作人员根据图像监视器上的图像，选择取样地点，这样工作人员根据图像和传感器反馈的信号实施有效取样工作。一旦本发明出现意外情况，工作人员也可根据图像监视器上的图像做出正确的决策和操作，保护本发明回收，将损失降低到最小。

如图5所示，本发明液压工作站5为现有技术，包括可补偿油箱501、滤油器502、深水柱塞泵503、单向阀504及溢流阀505，液压工作站5除了将电动机的机械能转换成液体的压力能、需要给取样系统提供稳定的压力油外，还必须满足在深海环境中使用时严格的抗压密封性，避免将海水压力传给液压系统。液压工作站运行的原动力由深水电机提供，深水电机由铠装的同轴缆供电。深水柱塞泵503为整个液压系统提供高压油液，通过电磁换向阀工作位的变换实现对不同用途的液压驱动，如对液压绞车1中的液压马达104的供油、应急保护、液压释放的液压驱动等。单向阀504则防止液压油路中的油液倒流回深水柱塞泵503而影响泵的正常工作。

如图3所示，本发明储能气锤机构6包括直浸式深海电机601、气缸604及安装在气缸604内的伸缩套605、丝杆606、活塞607、开合螺母608、锤头609、承压板610及传力柱611，整个储能气锤机构6通过吊钩602固定在框架上，其中丝杆606的一端通过减速器603与直浸式深海电机601的输出端相连，另一端依次套设有活塞607、锤头609，所述开合螺母608位于活塞607与锤头609之间、与丝杆606螺纹连接，在活塞607上表面与气缸604上端盖之间设有套在丝杆606外部的伸缩套605；所述锤头609下方设有承压板610，该承压板610下方通过传力柱611与采样机构相连。开合螺母608为气压驱动开合螺母、为现有技术，开合螺母608可沿径向往复滑动地容置在锤头609内的空腔中，开合螺母608与丝杆606的转动副可转换为活塞607、锤头609、承压板610及传力柱611随开合螺母608升降的移动副。

气缸604内预充气体(氮气)至设定压力，压力的大小视所需打击力变化而定。工作时，开合螺母608合拢，启动直浸式深海电机601旋转丝杆606，使活塞607及锤头609提升至上限位置，在此过程中预充气体被压缩完成储能，当开合螺母608打开瞬时释放能量，活塞607、锤头609以高速冲击传力柱611，采样系统从而实现取芯的进尺。如再次储能施行冲击，将开合螺母608闭合，启动直浸式深海电机601旋转丝杆606，活塞607、锤头609提升至上限位置储能，开合螺母608打开，锤头609在水中自由落体加速度的共同作用下砸在承压板610上，冲力加在采样机构上，取样系统向下移动，如此循环进行打击实现取芯管的进尺。如此反复往下砸，在锤头反复往下砸的过程中，整个取样系统下移，直至下插20m。通过甲板系统可观察整个工作过程。

采样系统包括采样管柱8、弹簧岩芯爪9及采样衬管10，其中采样管柱8与储能气锤机构6中的气缸604底部相连、外套7设置在采样管柱8的外部，采样衬管10位于采样管柱8内部、与储能气锤机构6中的传力柱连接，在采样衬管10的内壁上圆周均布有多个弹簧岩芯爪9；弹簧岩芯爪9的一端固接在采样衬管10的内壁上，另一端向上倾斜；采样管柱8为分段结构，每段管柱均为锥形管，相邻管柱之间螺纹连接，本实施例的采样管柱8由八段2.5m长的管柱通过锥管螺纹连接而成；弹簧岩芯爪9相当于一个密封花瓣，当采样衬管10下行时，沉积物可以顺利地进入采样衬管10内，而在取样回收过程中，弹簧片合拢，切割、封住样芯，防止所取沉积物由于受重力作用而回落海底。

本发明的工作原理为：

在取样系统离海底一定距离范围内，根据实际取样需要。甲板操作人员根据显示在图像监视器上的图像和高度计检测的离底高度，启动液压工作站5，液压油缸插销脱出，随后整个取样系统在自身惯性速度和水中自由落体加速度的共同作用下往下猛插，采样机构插入沉积物内进行取样。具体为：

在码头上，取样系统按图1组装后，工作流程按以下步骤进行：

1、下水前检查

(1)检查机械部件是否松动；油管与油箱是否渗漏；

(2)检查深水电缆连接是否正常；

(3)压力传感器手动阀门处于“开启”位置；

(4)应急系统与软油箱手动阀门处于“开启”位置；

(5)外部补油与软油箱手动阀门处于“关闭”位置；

(6)检查外部补油管接口与软油箱放气堵头密封应良好；

(7)检查甲板操作控制台部分的连线。

2、下水前通电试验

在以上检查正确无误后，可按以下步骤进行通电试验：

(1)水下控制电源通电；

(2)打开通讯控制机电源和操作计算机电源；

(3)运行操作计算机监控程序；

(4)甲板操作控制台点击“启动通讯”按钮；

注意：此时应该有正常的通讯数据，可观察倾角值、控制电压、高度计值、油缸位移值；

(5)连接深水电机电源，最好利用专门电阻，以免插头放电打火；

(6)当系统处于船上时，X、Y倾角应有变化，否则倾角传感器工作不正常；

(7)当电机在甲板空载启动时，电流参数应有所变化，一般≤8安培；

(8)液压工作时，应观察液压压力传感器的数据变化，应≤20Mpa；

(9)电机启动时，电压会下降约3～5伏，属正常情况；

(10)下水前应进行高度计检查，具体方法是：在上面试验的基础上，点击“高度计控制”菜单，当选择“高度计断电”项时，高度计数据框显示“未通电”，当选择“高度计通电”项，此时应有正常高度计量程显示；

注意：高度计在空气中不宜长时间通电，否则易损坏；

(11)下水前应进行摄像系统检查；具体方法是：点击“视像操作”菜单，选择“仅摄像”项，此时操作室内电视画面应能看到图象；

注意：水下照明灯不能暴露在空气中通电试验；

3、下水和着底

(1)当系统下水后，可用水下照明灯1、水下照明灯2或双灯进行摄像，观察水下摄像机11是否正常工作；

注意：在甲板不能开灯摄像，以勉烧坏照明灯；

(2)取样系统离底150米，慢速放缆(应＜10米/分钟)；

(3)取样系统离底小于120米，应“开灯”、“开摄象机”→开始寻找合适取样地点；

(4)当取样系统下放到离底100米之内时，高度计有离底指示，此时慢放水密电缆102，监视高度计指示；

(5)根据X、Y方向倾角指示判断取样系统着底后其倾角是否大于10度；

4、海底作业操作控制步骤

取样系统离海底100米底后，即可进行取样操作；

(1)甲板操作人员根据控制桶4上传到甲板系统上的图像及各种参数，启动液压工作站5，液压释放的液压油缸插销脱出，随后整个取样系统在自身惯性速度和水中自由落体加速度的共同作用下往下猛插，采样机构插入沉积物内；这是取样系统下移的第一工作阶段。

(2)在第一工作阶段完成后，启动储能气锤机构6；工作时开合螺母合拢，启动直浸式深海电机旋转丝杆使活塞及锤头提升至上限位置，在此过程中预充气体被压缩完成储能，当开合螺母打开瞬时释放能量，活塞、锤头以高速冲击传力柱，采样机构从而实现取芯的进尺；如此反复往下砸，在气锤反复往下砸的过程中，整个取样系统下移，直至下插20m；这是取样系统下移的第二工作阶段。

(3)甲板操作人员根据监控的图像和液压绞车张力计显示数值，确定取样系统在沉积物中下插完成后，启动液压绞车上提回收。

本发明的取样长度可20～30m。

Claims (9)

1.一种深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统，其特征在于：包括位于水上的甲板系统及位于水下的框架、液压绞车(1)、控制桶(4)、水下摄像机(11)、液压工作站(5)、采样机构及储能气锤机构(6)，其中液压绞车(1)安装在框架顶部、通过水密电缆(102)连接有水下摄像机(11)，控制桶(4)安装在框架内、与所述甲板系统电连接；所述液压工作站(5)安装在控制桶(4)下方的框架上，分别与控制桶(4)及液压绞车(1)连接；所述储能气锤机构(6)固定在框架的底部，在储能气锤机构(6)的下端连接有采样机构。

2.按权利要求1所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统，其特征在于：所述控制桶(4)位于框架的一侧，框架的另一侧设有配重块(3)。

3.按权利要求1所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统，其特征在于：所述采样机构的外部设有固接在框架底部、起导向作用的外套(7)。

4.按权利要求1、2或3所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统，其特征在于：所述液压绞车(1)包括绞筒(101)、护罩(103)、液压马达(104)及皮囊(105)，其中绞筒(101)通过支撑架安装在框架顶部，支撑架一侧设有液压马达(104)，该液压马达(104)的输出端与绞筒(101)相连、驱动绞筒(101)旋转；所述水密电缆(102)的一端缠绕在绞筒(101)上，另一端接有水下摄像机(11)；所述液压马达(104)与液压工作站(5)连接，在液压马达(104)上安装有皮囊(105)，该皮囊(105)内装有高度计。

5.按权利要求1、2或3所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统，其特征在于：所述储能气锤机构(6)包括直浸式深海电机(601)、气缸(604)及安装在气缸(604)内的伸缩套(605)、丝杆(606)、活塞(607)、开合螺母(608)、锤头(609)、承压板(610)及传力柱(611)，其中丝杆(606)的一端与直浸式深海电机(601)的输出端相连，另一端依次套设有活塞(607)、锤头(609)，所述开合螺母(608)位于活塞(607)与锤头(609)之间、与丝杆(606)螺纹连接，在活塞(607)上表面与气缸(604)上端盖之间设有套在丝杆(606)外部的伸缩套(605)；所述锤头(609)下方设有承压板(610)，该承压板(610)下方通过传力柱(611)与采样机构相连。

6.按权利要求5所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统，其特征在于：所述开合螺母(608)沿径向往复滑动地容置在锤头(609)内的空腔中，活塞(607)、锤头(609)、承压板(610)及传力柱(611)随开合螺母(608)通过与丝杆(606)螺纹连接升降。

7.按权利要求1、2或3所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统，其特征在于：所述采样机构包括采样管柱(8)、弹簧岩芯爪(9)及采样衬管(10)，其中采样管柱(8)与储能气锤机构(6)相连，采样衬管(10)位于采样管柱(8)内部、与储能气锤机构(6)连接，在采样衬管(10)的内壁上圆周均布有多个弹簧岩芯爪(9)。

8.按权利要求8所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统，其特征在于：所述弹簧岩芯爪(9)的一端固接在采样衬管(10)的内壁上，另一端向上倾斜。

9.按权利要求8所述的深水可视化可操控超长重力活塞式取样系统，其特征在于：所述采样管柱(8)为分段结构，每段管柱均为锥形管，相邻管柱之间螺纹连接。

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