CN105092146A - 海床孔压动态响应传感设备过压保护装置 - Google Patents
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Abstract
海床孔压动态响应传感设备过压保护装置，其内腔与设在探杆管壁上的透水石相连通，该装置包括一个内含光纤光栅压差式传感器的套管以及连通阀；传感器前端与该装置的内腔相连通、后端与探杆内腔相通；连通阀内含弹簧套管且朝向透水石的一端有开孔、另一端有透水孔；弹簧套管内含压力弹簧和连接杆，压力弹簧套在连接杆上且一端固定于弹簧套管一端的底部、另一端固定在连接杆中部，连接杆贯穿弹簧套管且前后两端分别设有前、后挡板。本发明结构简单、成本低、工作可靠，能很好地解决目前超孔压探杆布放过程中光栅光纤压差式超孔压传感器易出现的超量程损坏问题，使传感器能够处于量程允许的压差范围内，保证孔压探杆更好的长期服务于现场原位观测。
Description
技术领域
本发明涉及一种海床孔压动态响应传感设备过压保护装置，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联通上部海水，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
本发明目的是提供一种海床孔压动态响应传感设备过压保护装置，以克服现有技术的不足。本发明能够很好地解决目前超孔压探杆布放过程中，光纤光栅压差式超孔压传感器测量时易出现的超量程损坏问题，使传感器能够处于一个量程允许的压差范围内，以保证孔压探杆更好的长期服务于现场原位观测。
一种海床孔压动态响应传感设备过压保护装置，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的内腔与设置在探杆管壁上的透水石相连通，该量程保护装置包括一个轴线与超孔压探杆轴线平行的、内含光纤光栅压差式传感器的套管，以及连通阀；所述光纤光栅压差式传感器前端与该量程保护装置的内腔相连通、后端与超孔压探杆的内腔相连通；所述连通阀内含弹簧套管且朝向透水石的一端留有开孔、另一端开有透水孔；所述弹簧套管内含沿超孔压探杆径向设置的压力弹簧和连接杆，所述压力弹簧套在连接杆上，且一端固定于弹簧套管开有透水孔的一端的底部、另一端固定在连接杆中部，连接杆贯穿所述弹簧套管且前后两端分别设有前、后挡板；当不受外力压缩时，压力弹簧通过自身弹力使所述前、后挡板分别封堵住上述开孔与透水孔；当弹压力簧受到外力压缩时，前、后挡板打开上述开孔与透水孔，从而使量程保护装置的内腔通过所述连通阀而与超孔压探杆的内腔相连通。
所述透水石与探杆管壁之间设有密封装置。
在实际观测时，可将所述压力弹簧的弹性设计成满足以下条件：所述前挡板所受压力达到传感器0.9倍量程时，弹簧开始受力压缩。
探杆贯入海床时由于巨大的贯入压力，使管壁与沉积物接触区瞬间产生极高的超孔压，管外压力P1通过透水石传至传感器，管内承受压力P2；
当P1达到传感器0.9倍量程时，弹簧压缩，从而推动套管外侧挡板左移，套管外的水压通过透水孔传至内部，使内外水压一致，此时传感器测到的压差为零，从而达到量程保护的目的。
当超孔压消散时，套管内挡板受力减小，弹簧回弹，直到压力减小到传感器量程0.9倍时，弹簧恢复初始状态，外挡板封闭透水孔，隔断套筒内外联系。此时传感器两侧测量到的压力差即为该位置的超孔压。
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。探杆贯入海床沉积物的过程中，管壁外侧产生过大的超孔压会使该装置内外贯通，使传感器两侧压力平衡，从而达到量程保护的目的；当超孔压消散，装置自动隔断管内外联系，此时传感器两侧压力差即为所测超孔压。本发明能够很好地解决目前超孔压探杆布放过程中，光栅光纤压差式超孔压传感器易出现的超量程损坏问题，使传感器能够处于一个量程允许的压差范围内，以保证孔压探杆更好的长期服务于现场原位观测。
附图说明
图1本发明的总体结构示意图(剖视图)。
图2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3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、光纤光栅压差式传感器、2、套管、3、透水石、4、探杆管壁、5、右挡板、6、左挡板、7、连接杆、8、弹簧套筒、9、弹簧、10、透水孔，11、连通阀。
具体实施方式
如图1所示，一种海床孔压动态响应传感设备过压保护装置，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的内腔与设置在探杆管壁4上的透水石3相连通，该量程保护装置包括一个轴线与超孔压探杆轴线平行的、内含光纤光栅压差式传感器1的套管2，以及连通阀11；所述光纤光栅压差式传感器1前端与该量程保护装置的内腔相连通、后端与超孔压探杆的内腔相连通；所述连通阀11内含弹簧套管9且朝向透水石3的一端留有开孔、另一端开有透水孔10；所述弹簧套管9内含沿超孔压探杆径向设置的压力弹簧8和连接杆7，所述压力弹簧8套在连接杆7上，且一端固定于弹簧套管9开有透水孔10的一端的底部、另一端固定在连接杆7中部，连接杆7贯穿所述弹簧套管9且前后两端分别设有前、后挡板5、6；当不受外力压缩时，压力弹簧8通过自身弹力使所述前、后挡板5、6分别封堵住上述开孔与透水孔10；当弹压力簧8受到外力压缩时，前、后挡板5、6打开上述开孔与透水孔10，从而使量程保护装置的内腔通过所述连通阀11而与超孔压探杆的内腔相连通。
如图2所示，当探杆贯入海床时，由于巨大的贯入压力使管壁4与沉积物接触区瞬间产生极高的超孔压，令管壁4外承受压力为P1，管内承受压力为P2。管外压力P1通过透水石3传至传感器1，当压力P1达到传感器1的0.9倍量程时，弹簧9受力被压缩，压力P1刚好可以使弹簧9发生压缩变形，从而推动套管2外侧挡板6左移，此时透水孔10将套管2内外贯通，套管2外水压通过透水孔10传至内部，使内外水压一致，此时传感器1两侧压力相等即P1＝P2，传感器1测到的压差为零，从而达到量程保护的目的。
如图3所示，随着超孔压的消散，套管2内挡板5受力减小，弹簧9逐渐回弹，当压力减小到0.9倍传感器量程时，弹簧9恢复初始状态，左侧挡板6将透水孔10完全封闭，套管2内外联系被隔断。此时外部压力P1通过透水石3全部传至传感器1，令此时传感器1测到的管内水压为P3，P1-P3即为该位置的超孔压。
Claims (3)
1.一种海床孔压动态响应传感设备过压保护装置，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的内腔与设置在探杆管壁(4)上的透水石(3)相连通，该量程保护装置包括一个轴线与超孔压探杆轴线平行的、内含光纤光栅压差式传感器(1)的套管(2)，以及连通阀(11)；所述光纤光栅压差式传感器(1)前端与该量程保护装置的内腔相连通、后端与超孔压探杆的内腔相连通；所述连通阀(11)内含弹簧套管(9)且朝向透水石(3)的一端留有开孔、另一端开有透水孔(10)；所述弹簧套管(9)内含沿超孔压探杆径向设置的压力弹簧(8)和连接杆(7)，所述压力弹簧(8)套在连接杆(7)上，且一端固定于弹簧套管(9)开有透水孔(10)的一端的底部、另一端固定在连接杆(7)中部，连接杆7)贯穿所述弹簧套管(9)且前后两端分别设有前、后挡板(5、6)；当不受外力压缩时，压力弹簧(8)通过自身弹力使所述前、后挡板(5、6)分别封堵住上述开孔与透水孔(10)；当弹压力簧(8)受到外力压缩时，前、后挡板(5、6)打开上述开孔与透水孔(10)，从而使量程保护装置的内腔通过所述连通阀(11)而与超孔压探杆的内腔相连通。
2.如权利要求1所述的海床孔压动态响应传感设备过压保护装置，其特征在于所述透水石(3)与探杆管壁(4)之间设有密封装置。
3.如权利要求1所述的海床孔压动态响应传感设备过压保护装置，其特征在于所述压力弹簧(9)的弹性满足以下条件：所述前挡板(5)所受压力达到传感器0.9倍量程时，弹簧(9)开始受力压缩。
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