CN106546444B - 一种可以自平衡的二次保压沉积物取样器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深海沉积物的原位分析检测，旨在提供一种可以自平衡的二次保压沉积物取样器。该种可以自平衡的二次保压沉积物取样器包括二次取样机械结构部分和压力自平衡部分，其中二次取样机械结构部分包括转移部分和取样部分。本发明能根据实验需要，获取适量的带压的沉积物样品，并克服了检测平台对装置的空间和重量的要求，可直接进行原位检测分析，这样能帮助研究人员准确获取深海沉积物性质的信息，有利于后续海底沉积物的勘测和开发。

Description

一种可以自平衡的二次保压沉积物取样器

技术领域

本发明是关于深海沉积物的原位分析检测领域，特别涉及一种可以自平衡的二次保压沉积物取样器。

背景技术

随着天然气水合物重力活塞式保真取样器的成功研制和海试，我国在深海沉积物的获取和保真方面取得了重大突破，但在天然气水合物的后处理技术仍相较落后。

为了缩小这块短板，国内科研人员开始这方面的研究，但由于保真取样装置重量、体积过大，不能直接用于分析检测。而为了分析沉积物的特性，国内实验室一般采取的方法是将整个沉积物样品泄压之后，取出一部分进行检测分析。这种做法不利于研究人员准确地获取沉积物的原位性质。

而国外专家则是通过制作专用的工具——它的头端部配有钻具和装有专门的传感器，将工具的刀头伸入到高压仓内，在样品管上钻出探测孔，然后将传感器的探头通过钻出的孔伸到保压样品的测试部位，从而在保压的情况下实现沉积物的特性检测。这样虽然可以检测出保压样品的一些原位特性，但是由于需要在取样管上钻孔，会产生钻屑，污染样品，影响检测结果。同时，如果需要对样品全方位进行检测时，则需要多套专用工具或钻多个孔，成本代价高，且不利于维持压力稳定。

因此，为克服以上种种缺陷，也为后续保压样品的原位分析提供有力条件和技术支持，使我国的天然气水合物取样技术走向成熟，对于二次保压沉积物取样器的研究显得尤为重要。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种可以自平衡的二次保压沉积物取样器。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种可以自平衡的二次保压沉积物取样器，包括二次取样机械结构部分和压力自平衡部分，二次取样机械结构部分包括转移部分和取样部分；

所述转移部分包括转移筒、转移筒端盖、转移筒盖帽、法兰A、球阀A、蓄能器A、压力表A、压环、压帽、压力表抱箍、蓄能器抱箍；所述转移筒的一端通过转移筒盖帽与转移筒端盖锁紧固定，转移筒与转移筒盖帽通过螺纹固定连接；转移筒的另一端通过法兰A与球阀A相连接，并利用螺钉固定法兰A和球阀A；所述蓄能器A和压力表A分别通过蓄能器抱箍和压力表抱箍与转移筒相连接，并利用螺栓、螺母实现固定；转移筒分别通过毛细管与压力表A、蓄能器A相连接，且毛细管与蓄能器连接块、压力表连接块的连接处均利用毛细管压环、毛细管压帽密封，蓄能器连接块通过螺纹与蓄能器A固定连接，压力表连接块通过螺纹与压力表A固定连接；

所述取样部分包括法兰B、抱箍、球阀B、保压筒、小样品管、法兰C、连接套、液压缸；保压筒通过法兰C和液压缸的法兰端面配合连接并利用螺栓固定，且保压筒和法兰C之间通过螺纹固定连接；所述小样品管和液压缸的活塞杆通过连接套相连接，且小样品管和连接套之间通过螺纹固定连接，液压缸的活塞杆和连接套通过螺纹固定连接；

所述保压筒通过螺纹连接有球阀B，球阀B和转移部分的球阀A能通过法兰B连接，用于实现转移部分和取样部分的对接；且球阀A和法兰B之间通过螺钉固定连接，球阀B和法兰B之间通过抱箍连接，并利用螺钉锁紧固定；

所述压力自平衡部分主要包括高压泵组、单向阀A、单向阀B、单向阀C、过滤器A、过滤器B、截止阀A、截止阀B、冷却器、压力继电器、二位二通电磁换向阀、定压减压阀、定比减压阀、溢流阀A、溢流阀B、水箱、蓄能器B；

压力自平衡部分的连接关系为：所述截止阀B、压力继电器、(压力表B)、溢流阀A、单向阀B、单向阀A、二位二通电磁换向阀、定压减压阀、单向阀C、溢流阀B依次连接，且截止阀B的另一端与二次取样机械结构部分的法兰B连接，溢流阀B的另一端与二次取样机械结构部分的液压缸连接；所述蓄能器B、截止阀A依次连接，且截止阀A的另一端连接在单向阀B与单向阀A之间；所述水箱、过滤器A、高压泵组、冷却器依次连接，且冷却器的另一端连接在截止阀A与单向阀A之间；所述定比减压阀、过滤器B依次连接，且定比减压阀的另一端连接在单向阀C与溢流阀B之间，过滤器B的另一端连接在截止阀B与二次取样机械结构部分的法兰B之间；

所述高压泵组用于作为压力自平衡部分的动力部分，并为二次取样提供动力；所述单向阀A和单向阀B作为压力自平衡部分的方向控制阀，用于防止高压水回流到高压泵组内，对高压泵组造成损伤；所述单向阀C用于防止泄压时高压水回流；所述溢流阀A作为压力自平衡部分的压力控制阀，用于将样品压力限制在工作压力范围以内；所述溢流阀B作为压力自平衡部分的压力控制阀，用于将液压缸的工作压力限制在一定范围内；所述压力继电器作为压力自平衡部分的压力控制阀，当压力继电器的压力达到一定值时，二位二通电磁换向阀换向到右位；所述截止阀作为压力自平衡部分的压力开关，截止阀A用于开闭蓄能器B和管路的连通，截止阀B用于开闭管路与二次取样机械结构部分的连通；所述蓄能器B作为压力自平衡部分的辅助元件，用于消除高压泵组的出口的压力波动；所述定压减压阀作为压力自平衡部分的压力控制阀，用于为液压缸提供适当的压力；所述定比减压阀作为压力自平衡部分的压力控制阀，用于和溢流阀A共同维持样品压力的稳定；所述冷却器作为压力自平衡部分的辅助元件，用于将高压海水进行冷却；所述过滤器A和过滤器B作为压力自平衡部分的辅助元件，用于将压力自平衡部分的介质进行过滤，防止样品被污染。

作为进一步的改进，所述转移筒和转移筒端盖之间、转移筒和法兰A之间、球阀A和法兰B之间、球阀B和法兰B之间、保压筒和球阀B、保压筒和法兰C之间的静密封均采用O型圈密封。

作为进一步的改进，所述连接套的右端为锥面，用于和保压筒内壁的锥面形成配合，并设有O型圈实现径向密封。

本发明的工作原理：本发明的整体结构分为二次取样机械结构部分和压力自平衡部分，在二次取样的过程中，由于活塞杆向左运动，保压筒内部液体体积被压缩，压力会升高；取完样后，活塞杆向右运动，保压筒内部压力会降低。压力自平衡系统中的溢流阀能有效调节工作压力和定比减压阀能减小样品压力变化速率以及蓄能器能消除系统较大压力波动。当压力高于工作压力时，溢流阀泄压直至工作压力，当压力低于工作压力时，高压泵组对压力筒体内进行补压，直至压力升高到工作压力，有效防止二次取样过程中压力的较大波动。且在压力变化的过程中，定比减压阀和蓄能器均能减缓压力波动速率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能根据实验需要，获取适量的带压的沉积物样品，并克服了检测平台对装置的空间和重量的要求，可直接进行原位检测分析，这样能帮助研究人员准确获取深海沉积物性质的信息，有利于后续海底沉积物的勘测和开发。

附图说明

图1为装载沉积物样品的转移筒结构图。

图2为液压缸活塞杆驱动小样品管的取样机械结构图。

图3为转移筒与取样部分对接图。

图4为取样机械结构局部剖面图。

图5为液压系统原理。

图6为取样过程示意图。

图中的附图标记为：1蓄能器A；2蓄能器连接块；3毛细管；4毛细管压环；5毛细管压帽；6转移筒端盖；7转移筒盖帽；8压力表连接块；9固定螺钉；10压力表抱箍；11压力表A；12蓄能器抱箍；13转移筒；14法兰A；15螺钉；16球阀A；17法兰B；18抱箍；19球阀B；20保压筒；21法兰C；22液压缸；23 O型圈；24小样品管；25连接套；26活塞杆；27溢流阀B；28定压减压阀；29二位二通电磁换向阀；30单向阀A；31冷却器；32高压泵组；33过滤器A；34水箱；35溢流阀A；36单向阀B；37截止阀A；38蓄能器B；39压力表B；40压力继电器；41截止阀B；42过滤器B；43定比减压阀；44单向阀C。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如如图4所示的一种可以自平衡的二次保压沉积物取样器，主要包括二次取样机械结构部分和压力自平衡部分。

所述二次取样机械结构部分主要包括转移和取样两个子部分。所述转移部分主要包括转移筒13、转移筒端盖6、转移筒盖帽7、蓄能器A1、蓄能器连接块2、毛细管3、毛细管压环4、毛细管压帽5、法兰A14、球阀A16。所述取样部分主要包括法兰B17、抱箍18、球阀B19、保压筒20、小样品管24、法兰C21、连接套25、液压缸22。

如图1所示，所述转移部分的转移筒13的一端通过转移筒盖帽7与转移筒端盖6锁紧固定，转移筒13与转移筒盖帽7通过螺纹固定连接；转移筒13的另一端通过法兰A14与球阀A16压紧连接，并利用若干个螺钉15将法兰A14和球阀A16锁紧，从而实现转移筒13和球阀A16之间的固定连接。所述蓄能器1A作为能量储存元件，能消除转移筒13内部压力的大幅波动，所述转移筒端盖6和蓄能器1A之间用毛细管3相连接，并用毛细管压环4、压帽5将毛细管3和转移筒端盖6固定和将毛细管3和已连有蓄能器连接块2的蓄能器1A固定在一起，所述转移筒端盖6和压力表11A之间由毛细管3相连接，并用压环4、压帽5将毛细管3和转移筒端盖6和将毛细管3和已连有连接块的压力表11A固定，所述蓄能器1A和压力表11A分别通过蓄能器抱箍12和压力表抱箍10套在转移筒13的筒体上，并用若干个固定螺钉9固定。

如图2和图4所示，所述液压缸22和保压筒20通过法兰C21相连接，且液压缸22和法兰C21之间通过螺栓固定连接，保压筒20和法兰C21通过螺纹固定连接。所述小样品管24和液压缸22的活塞杆26通过连接套25相连接，且小样品管24和连接套25之间螺纹固定连接，液压缸22的活塞杆26和连接套25通过螺纹固定连接。保压筒20和球阀B19之间通过螺纹固定连接，球阀B19和法兰B17通过抱箍18锁紧固定连接在一起。

球阀A16和球阀B19通过可拆卸的法兰B17连接，因为球阀B19和法兰B17为两个独立的元件，通过抱箍18连接，待取完样后，球阀B19和法兰B17可拆卸分离，能减小最终带压检测装置(它的一端用球阀B19密封)的尺寸和重量，增大了取样器的适用范围。而一般的球阀，比如球阀A16是球阀上自带法兰，这样就会增大球阀的尺寸和重量。

连接套25的右端为锥面，用于和保压筒20内壁的锥面形成配合，并设有O型圈实现径向密封。当取完样将液压缸22和连接套25拆卸时，保压筒20内部的高压使连接套25和保压筒20压紧，起到锥向密封的作用，可以参照图4。

所述液压缸22作为工作元件，驱动和活塞杆26固定连接在一起的小样品管24，进行二次取样；液压缸22的行程长度必须大于或等于小样品管24距离转移筒13中的样品的距离和小样品管24的长度之和，以保证小样品管24最后能取满沉积物样品。

如图3和4所示，所述球阀A16和球阀B19之间通过法兰B17配合对接，球阀A16和法兰B17之间通过螺钉固定连接，端面用O型圈作静密封。所述法兰B17侧壁开有排气孔和管路接口，排气孔用于打压前排除装置内的空气；所述球阀B19开有排气孔和泄压口。

所述转移筒13和转移筒端盖6之间、转移筒13和法兰A14之间、球阀A16和法兰B17、球阀B19和法兰B17之间、保压筒20和球阀B19、保压筒20和法兰C21之间的静密封均采用O型圈密封。

如图5和6所述压力自平衡部分能够使系统压力在二次取样过程中维持在有效范围内，保持沉积物样品的原位性质。该部分主要由水箱34、过滤器A33、高压泵组32、冷却器31、单向阀B36、压力表B39、压力继电器40、定比减压阀43、过滤器B42、单向阀A30、单向阀C44、二位二通电磁换向阀29、定压减压阀28、溢流阀B27组成。

连接关系具体为：所述截止阀B41、压力继电器40、压力表B39、溢流阀A35、单向阀B36、单向阀A30、二位二通电磁换向阀29、定压减压阀28、单向阀C44、溢流阀B27依次连接，且截止阀B41的另一端与二次取样机械结构部分的法兰B17连接，溢流阀B27的另一端与二次取样机械结构部分的液压缸22连接；所述蓄能器B38、截止阀A37依次连接，且截止阀A37的另一端连接在单向阀B36与单向阀A30之间；所述水箱34、过滤器A33、高压泵组32、冷却器31依次连接，且冷却器31的另一端连接在截止阀A37与单向阀A30之间；所述定比减压阀43、过滤器B42依次连接，且定比减压阀43的另一端连接在单向阀C44与溢流阀B27之间，过滤器B42的另一端连接在截止阀B41与二次取样机械结构部分的法兰B17之间。

所述高压泵组32作为动力元件，为系统提供动力。所述单向阀A30和单向阀B36作为方向控制阀，防止海水由于负压倒流到泵体，对高压泵组32造成损伤。所述溢流阀B27和定压减压阀28作为压力控制阀，设定溢流阀B27的溢流压力，使活塞杆26刚能驱动小样品管24移动；且溢流阀A35安装在单向阀B36的后面，当高压泵组32一直工作时，它可使系统的最终压力始终保持在一定范围内，有利于维持样品压力稳定。当小样品管24向左运动进行取样时，保压筒20和转移筒13内液体被压缩，压力会增大，当压力增大到溢流阀A35的设定值时，溢流阀A35开始溢流。同时由于定比减压阀43低压端即液压缸22压力基本不变，所以定比减压阀43高压端即样品压力也会减小样品压力变化速率；故，保压筒20和转移筒13，在取样过程中，通过定比减压阀43，和液压缸22压力管路连通，使两端压力始终保持着恒定比例，有利于维持样品压力稳定。当小样品管24取满样品后，设定溢流阀B27溢流压力，使活塞杆26刚能带动小样品管24后退；在后退过程中，保压筒20和转移筒13内液体压力减小，由于系统压力小于溢流阀A35压力，高压泵组32就会给系统打压，直到系统压力又上升到正常压力，同理，由于液压缸22压力变化较小，定比减压阀43高压端即样品端会基本维持稳定，减缓样品压力变小的速率，使高压泵组32能及时补充压力。另外，所述蓄能器A1和蓄能器B38也能有效消除压力波动，蓄能器B38能消除高压泵组32自身压力脉动，蓄能器A1能消除转移筒13内部压力较大波动，均有利于维持系统压力的稳定。所以在高压泵组32，溢流阀A35和溢流阀B27，定比减压阀43、蓄能器A1和蓄能器B38的共同作用下，压力自平衡部分能够有效维持系统压力。

所述水箱34、过滤器A33、高压泵组32、冷却器31、单向阀A30、二位二通电磁换向阀29、定压减压阀28、单向阀C44、溢流阀B27、液压缸22通过管路及接头依次连接，组成二次取样动作的液压驱动部分。所述高压泵组32为动力元件，作为二次取样的动力源，为液压缸22提供动力，驱动与液压缸活塞杆26固定连接的小样品管24进行二次取样。所述溢流阀B27用于作为泄压阀，当采样器取满样品时，微调溢流阀B27旋塞，使活塞杆26带动小样品24管返回到初始位置。

如图5和6所示，按图5原理图连接管路。取样过程可分为A、B、C、D、E五个阶段：

A阶段：开始阶段。装有样品的转移筒13内部压力为工作压力，球阀、截止阀均关闭，蓄能器A1与转移筒13未连通，液压缸22处于初始位置；

B阶段：取样阶段。将截止阀B41、球阀B19打开，并打开球阀B19法兰侧壁上的排气孔，然后使高压泵组32开始工作，向保压筒20和球阀B19中注水，排除其中的空气。待排气孔连续出水后，则表示装置内的空气已经排尽。此时，将排气孔密封，并继续注水加压，且调节溢流阀A35旋塞，使溢流阀A35出水压力为系统工作压力。加压一段时间后，待溢流阀A35持续出水，则表示系统压力已达到工作压力，保持高压泵组32的工作状态。打开球阀A16和截止阀A37，并使蓄能器A1和转移筒13连通，待转移筒13与保压筒20压力基本相同，且压力保持在额定压力范围内后，设定溢流阀B27的溢流压力，当压力继电器40达到设定压力时，二位二通电磁换向阀29换到右位，高压泵组32开始给液压缸22打压，待液压缸22内部达到一定压力时，液压缸活塞杆26开始驱动小样品管24向左前进，直至小样品管24插入样品。在液压缸活塞杆26向左运动的过程中，由于活塞杆26进入充满水的保压筒20内，系统压力升高，当压力升高到设定的溢流压力时，溢流阀A35开始溢流，定比减压阀43减小样品压力变化速率，使系统压力维持在工作压力以内。

C阶段：取样完成。

D阶段：取样返回。缓慢调节溢流阀B27的旋塞，使溢流阀B27卸荷压力稍小于液压缸22的工作压力，系统开始卸荷，液压缸活塞杆26带动小样品管24返回。在液压缸活塞杆26开始后退向右运动，保压筒20体内的液体回弹，压力会减小。当系统压力减小到溢流压力时，溢流阀A35停止溢流，定比减压阀43减小样品压力变化速率，高压泵组32开始给系统补压，直至系统压力升高到工作压力，溢流阀A35又开始溢流，始终使系统压力维持在一定范围内。

E阶段：取样拆卸。当小样品管24取满样品返回到初始位置，关闭球阀A16、球阀B19和，卸掉两个球阀连接部分的压力，并拆除两球阀之间的连接。最后，就能得到连同保压筒20、球阀B19、小样品管24、连接套25的体积较小、重量较轻的带压的小量样品，送至实验室检测。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种可以自平衡的二次保压沉积物取样器，包括二次取样机械结构部分和压力自平衡部分，其特征在于，二次取样机械结构部分包括转移部分和取样部分；

所述转移部分包括转移筒、转移筒端盖、转移筒盖帽、法兰A、球阀A、蓄能器A、压力表A、毛细管压环、毛细管压帽、压力表抱箍、蓄能器抱箍；所述转移筒的一端通过转移筒盖帽与转移筒端盖锁紧固定，转移筒与转移筒盖帽通过螺纹固定连接；转移筒的另一端通过法兰A与球阀A相连接，并利用螺钉固定法兰A和球阀A；所述蓄能器A和压力表A分别通过蓄能器抱箍和压力表抱箍与转移筒相连接，并利用螺栓、螺母实现固定；转移筒分别通过毛细管与压力表A、蓄能器A相连接，且毛细管与蓄能器连接块、压力表连接块的连接处均利用毛细管压环、毛细管压帽密封，蓄能器连接块通过螺纹与蓄能器A固定连接，压力表连接块通过螺纹与压力表A固定连接；

所述取样部分包括法兰B、抱箍、球阀B、保压筒、小样品管、法兰C、连接套、液压缸；保压筒通过法兰C和液压缸的法兰端面配合连接并利用螺栓固定，且保压筒和法兰C之间通过螺纹固定连接；所述小样品管和液压缸的活塞杆通过连接套相连接，且小样品管和连接套之间通过螺纹固定连接，液压缸的活塞杆和连接套通过螺纹固定连接；连接套的右端为锥面，用于和保压筒内壁的锥面形成配合，并设有O型圈实现径向密封；

所述保压筒通过螺纹连接有球阀B，球阀B和转移部分的球阀A能通过法兰B连接，用于实现转移部分和取样部分的对接；且球阀A和法兰B之间通过螺钉固定连接，球阀B和法兰B之间通过抱箍连接，并利用螺钉锁紧固定；

所述压力自平衡部分主要包括高压泵组、单向阀A、单向阀B、单向阀C、过滤器A、过滤器B、截止阀A、截止阀B、冷却器、压力继电器、二位二通电磁换向阀、定压减压阀、定比减压阀、溢流阀A、溢流阀B、水箱、蓄能器B；

压力自平衡部分的连接关系为：所述截止阀B、压力继电器、溢流阀A、单向阀B、单向阀A、二位二通电磁换向阀、定压减压阀、单向阀C、溢流阀B依次连接，且截止阀B的另一端与二次取样机械结构部分的法兰B连接，溢流阀B的另一端与二次取样机械结构部分的液压缸连接；所述蓄能器B、截止阀A依次连接，且截止阀A的另一端连接在单向阀B与单向阀A之间；所述水箱、过滤器A、高压泵组、冷却器依次连接，且冷却器的另一端连接在截止阀A与单向阀A之间；所述定比减压阀、过滤器B依次连接，且定比减压阀的另一端连接在单向阀C与溢流阀B之间，过滤器B的另一端连接在截止阀B与二次取样机械结构部分的法兰B之间；

所述高压泵组用于作为压力自平衡部分的动力部分，并为二次取样提供动力；所述单向阀A和单向阀B作为压力自平衡部分的方向控制阀，用于防止高压水回流到高压泵组内，对高压泵组造成损伤；所述单向阀C用于防止泄压时高压水回流；所述溢流阀A作为压力自平衡部分的压力控制阀，用于将样品压力限制在工作压力范围以内；所述溢流阀B作为压力自平衡部分的压力控制阀，用于将液压缸的工作压力限制在一定范围内；所述压力继电器作为压力自平衡部分的压力控制阀，当压力继电器的压力达到一定值时，二位二通电磁换向阀换向到右位；所述截止阀作为压力自平衡部分的压力开关，截止阀A用于开闭蓄能器B和管路的连通，截止阀B用于开闭管路与二次取样机械结构部分的连通；所述蓄能器B作为压力自平衡部分的辅助元件，用于消除高压泵组的出口的压力波动；所述定压减压阀作为压力自平衡部分的压力控制阀，用于为液压缸提供适当的压力；所述定比减压阀作为压力自平衡部分的压力控制阀，用于和溢流阀A共同维持样品压力的稳定；所述冷却器作为压力自平衡部分的辅助元件，用于将高压海水进行冷却；所述过滤器A和过滤器B作为压力自平衡部分的辅助元件，用于将压力自平衡部分的介质进行过滤，防止样品被污染。

2.根据权利要求1所述的一种可以自平衡的二次保压沉积物取样器，其特征在于，所述转移筒和转移筒端盖之间、转移筒和法兰A之间、球阀A和法兰B之间、球阀B和法兰B之间、保压筒和球阀B、保压筒和法兰C之间的静密封均采用O型圈密封。