CN104819802A - 深海底超孔隙水压力测量探杆量程保护装置 - Google Patents
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Abstract
一种深海底超孔隙水压力测量探杆量程保护装置，包括外径等于探杆内径的中部套管，其内腔与探杆管壁的透水石相连通，其将超孔压探杆内部分隔为上下两腔由贯穿中部套管的连通管相连通，中部套管上方设有内含光纤光栅压差式传感器的上部套管、下方设有内含压力弹簧、侧面设有透水孔的下部套管，且压力弹簧顶端连接一活塞。本发明结构简单、成本低、工作可靠，能够在不影响超孔压测量探杆正常使用的情况下实现量程保护，很好的解决基于光纤光栅压差式传感器的超孔压测量探杆布放过程中出现的超量程难题。探杆在贯入沉积物过程中，外侧环境产生的超孔压过大时装置使管内外压力值达到平衡；贯入完成后随着超孔压的消散，装置会隔断管内管外的联系。
Description
技术领域
本发明涉及一种深海底超孔隙水压力测量探杆量程保护装置，用于实现探杆贯入沉积物过程中传感器的自我保护，属于海洋观测技术领域。
背景技术
深海底工程地质原位观测是海洋科学向深海进军的重要手段，对于揭示深海动力作用下现代沉积物发生的动态响应过程、深入认识海洋动力地质过程具有重要作用。孔隙水压力(以下简称孔压)作为反映海床沉积物特征是敏感指标，其变化能够导致沉积物强度降低，甚至发生液化，进而造成海底滑坡等地质灾害。为实现对深海底孔压的直接观测，普遍使用的方法是布放孔压探杆，深海海域由于水深极大，考虑成本等问题，普通的布放方法如钻孔法、钻孔压入法等存在较大的实施难度，因此一般采用重力式贯入的方法，依靠自重将设备压入到海床沉积物中。
孔压测量探杆一般使用的是传统的孔压传感器(电测式、流体压力式等)，由于深海严峻、恶劣的环境，使得传统的传感器面临无法工作、被腐蚀、量程不足、精度不足等问题，往往无法用于深海长期原位观测。而光纤光栅传感器凭借其耐腐蚀、抗电磁干扰、精度高、结构简单、体积小、能耗少等优势，在海洋观测领域有极大的发展空间。反应海底沉积物动力特征的是超孔压，而非静孔压。直接对海床超孔压的观测，对于海底动力地质过程的研究有更大的帮助。
基于光纤光栅压差式孔压传感器制作的超孔压测量探杆，可以实现对超孔压的直接、高精度测量。压差式传感器可以测量作用在传感器上的两个压力之差。探杆为密封杆，传感器位于探杆内部，贯入沉积物中之后的姿态为顶端一段位于海水中，下部探杆处于沉积物中；顶端连接有管道可以连通上部海水，将静水压力引入探杆内部，此压力通过内部结构会作用在压差式传感器的其中一侧；探杆外壁受到来自沉积物的土-水总压力作用，传感器位置处管壁安装有透水石，可将外部环境的总水压力导入管内，此压力通过内部结构会作用在压差式传感器的另一侧，通过此压差的测量即可得到该位置处沉积物的超孔压值。
但此种传感器存在一定的缺陷，在压差超过量程一定范围时，会造成光纤的拉伸断裂，只有受到一定程度的压缩使其处于松弛状态时才是安全的。采用重力式贯入的方法，贯入过程中产生的极大超孔压会使得光纤受拉断裂，从而使得设备损坏，试验准备阶段耗费了大量人力、物力、财力及时间，但却会因此而功亏一篑，目前尚未有一种深海底超孔隙水压力测量探杆量程保护装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种深海底超孔隙水压力测量探杆量程保护装置，以克服现有技术的不足。
一种深海底超孔隙水压力测量探杆量程保护装置，该量程保护装置安装于圆柱形结构的超孔压探杆内部，其特征在于该量程保护装置包括外径等于超孔压探杆内径的中部套管，该中部套管的内腔与设置在探杆管壁上的透水石相连通，且中部套管将超孔压探杆内部分隔为上下两腔、并设有上下贯穿中部套管的连通管，所述的上下两腔经由连通管相互连通，中部套管上方设有一个直径小于中部套管的上部套管，所述上部套管内含与中部套管内腔的相连通的光纤光栅压差式传感器，中部套管下方设有一个直径小于中部套管的下部套管，该下部套管顶部与中部套管内腔的相连通、底部封闭且设有压力弹簧、侧面设有透水孔，且压力弹簧顶端连接一在下部套管内上下活动的活塞，活塞受压力弹簧的支撑而位于下部套管上部时，中部套管的内腔与超孔压探杆下腔不相互连通，活塞上端部受力而向下运动压缩压力弹簧并低于透水孔上边缘时，中部套管的内腔与超孔压探杆下腔通过透水孔相互连通。
上述活塞四周固定有密封圈。
所述透水石与探杆管壁之间设有密封装置。
所述中中部套管与探杆管壁之间设有密封装置。
实际使用时，可将上述压力弹簧的弹性设计为满足以下条件：光纤光栅压差式传感器的满量程为FS，当压力P1达到传感器量程0.8倍时，开始推动活塞向下运动，当P1达到传感器量程0.9倍，即P1＝0.9FS时，活塞位置会低于透水孔上边缘。
探杆贯入海底床过程中，杆受巨大的压力挤入沉积物中，会在管壁与沉积物接触区域瞬间产生极高的超孔压，水压力会通过透水石传入探杆内部。压力推动活塞向下移动，移动到一定位置时，会通过下部套管的透水孔实现探杆内外的贯通，此时探杆内外的压力平衡，使得光纤光栅压差式传感器不会因外界环境压力较大而出现超出量程的情况，保护光纤不受损坏。
随着超孔压消散，外部环境压力减小，活塞逐渐上移，当压力值减小到一定程度时，透水孔被封闭，此时探杆内外压力不再平衡，传感器测量值即为周围环境总水压力与该位置处静孔隙水压力之差。
本发明结构简单、制作成本低、工作可靠，能够在不影响超孔压测量探杆正常使用的情况下实现量程保护。探杆在贯入沉积物过程中，外侧环境产生的超孔压过大时，装置会自动贯通管内外侧，使得管内外压力值达到平衡，进而实现对光纤光栅压差式传感器的保护；贯入完成后，随着超孔压的消散，装置会自动关闭，隔断管内外两侧的联系，传感器开始测量内外侧的压差。能够很好的解决基于光纤光栅压差式传感器的超孔压测量探杆布放过程中出现的超量程难题。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明的剖视图。
图3为本发明的保护装置在探杆贯入海底沉积物过程中示意图。
图4为本发明的保护装置在环境超孔压消散、开始测量示意图。
图中，1、上部套管，2、中部套管，3、下部套管，4、光纤光栅压差式传感器，5、连通管道，6、活塞，7、压力弹簧，8、探杆管壁，9、透水石，10、透水孔，11、密封圈。
具体实施方式
如图1、2所示，一种深海底超孔隙水压力测量探杆量程保护装置，该量程保护装置安装于圆柱形结构的超孔压探杆内部，其特征在于该量程保护装置包括外径为超孔压探杆内径的中部套管2，该中部套管2的内腔与设置在探杆管壁8上的透水石9相连通，且中部套管2将超孔压探杆内部分隔为上下两腔、并设有上下贯穿中部套管2的连通管5，所述的上下两腔经由连通管5相互连通，中部套管2上方设有一个直径小于中部套管2的上部套管1，所述上部套管1内含与中部套管2内腔的相连通的光纤光栅压差式传感器4，中部套管2下方设有一个直径小于中部套管2的下部套管3，该下部套管3顶部与中部套管2内腔的相连通、底部封闭且设有压力弹簧7、侧面设有透水孔10，且压力弹簧7顶端连接一在下部套管3内上下活动的活塞6，活塞6受压力弹簧7的支撑而位于下部套管3上部时，中部套管2的内腔与超孔压探杆下腔不相互连通，活塞6上端部受力而向下运动压缩压力弹簧7并低于透水孔10上边缘时，中部套管2的内腔与超孔压探杆下腔通过透水孔10相互连通。
如图3所示，探杆贯入海底床过程中，杆受巨大的压力挤入沉积物中，会在管壁与沉积物接触区域瞬间产生极高的超孔压，令管外侧的水压力为P1，压力P1会通过透水石9传入管内。下部套管3结构设计有四个长条型的透水孔10，光纤光栅压差式传感器4的满量程为FS，当压力P1达到传感器量程0.8倍，即P1＝0.8FS(满量程)时，开始推动活塞6向下运动，此时活塞6上侧受到压力P1作用。当P1达到传感器量程0.9倍，即P1＝0.9FS时，活塞6位置会低于透水孔上边缘，此时压力弹簧7所受压力F＝P1＝0.9FS。外侧水压力通过透水孔10传入到管内，整根探杆通过连通管道5联接是贯通的，令此时管内的水压力为P2，管内孔压暂时与管外侧平衡，即光纤光栅压差式传感器4两侧受到相同的力作用P1＝P2。此时传感器测得的压差为零，不会因外界环境压力较大而超出量程，造成光纤断裂。水压会继续向压力弹簧7施压，压力弹簧7会维持此种状态直至贯入过程中产生的超孔压消散。
如图4所示，随着超孔压消散，压力弹簧7所受压力逐渐减小，活塞6上移，直至压力值到达0.9倍的传感器量程，即P1＝0.9FS时，透水孔10被完全封闭，此时，周围环境压力通过透水石9传入中部套管2，而不会传入探杆内部，令此时管内的水压力为P3，传感器4此时测量到的值为周围环境的总水压力P1和该位置处的静孔隙水压力P3之差，即为超孔压Uz＝P1-P3。
Claims (4)
1.一种深海底超孔隙水压力测量探杆量程保护装置，该量程保护装置安装于圆柱形结构的超孔压探杆内部，其特征在于该量程保护装置包括外径等于超孔压探杆内径的中部套管(2)，该中部套管(2)的内腔与设置在探杆管壁(8)上的透水石(9)相连通，且中部套管(2)将超孔压探杆内部分隔为上下两腔、并设有上下贯穿中部套管(2)的连通管(5)，所述的上下两腔经由连通管(5)相互连通，中部套管(2)上方设有一个直径小于中部套管(2)的上部套管(1)，所述上部套管(1)内含与中部套管(2)内腔的相连通的光纤光栅压差式传感器(4)，中部套管(2)下方设有一个直径小于中部套管(2)的下部套管(3)，该下部套管(3)顶部与中部套管(2)内腔的相连通、底部封闭且设有压力弹簧(7)、侧面设有透水孔(10)，且压力弹簧(7)顶端连接一在下部套管(3)内上下活动的活塞(6)，活塞(6)受压力弹簧(7)的支撑而位于下部套管(3)上部时，中部套管(2)的内腔与超孔压探杆下腔不相互连通，活塞(6上端部受力而向下运动压缩压力弹簧(7)并低于透水孔(10)上边缘时，中部套管(2)的内腔与超孔压探杆下腔通过透水孔(10相互连通。
2.如权利要求1所述的深海底超孔隙水压力测量探杆量程保护装置，其特征在于上述活塞(6)四周固定有密封圈。
3.如权利要求1所述的深海底超孔隙水压力测量探杆量程保护装置，其特征在于所述透水石(9)与探杆管壁(8)之间设有密封装置。
4.如权利要求1所述的深海底超孔隙水压力测量探杆量程保护装置，其特征在于所述中中部套管(2)与探杆管壁(8)之间设有密封装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Tao Inventor after: Wei Guanli Inventor after: Chai Wanli Inventor after: Guo Lei Inventor before: Liu Tao Inventor before: Cui Feng Inventor before: Jia Yonggang Inventor before: Guo Lei Inventor before: Zhang Meixin Inventor before: Li Hongli |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171114 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |