CN107091251A - 一种超深海压力环境的模拟方法及装置 - Google Patents

一种超深海压力环境的模拟方法及装置 Download PDF

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张于贤
李楠
王红
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Abstract

本发明公开了一种超深海压力环境的模拟方法及装置，属于海洋勘探技术领域。所述超深海压力环境的模拟装置，包括水箱，还包括相连接的高压泵、增压器和超高压厚壁圆筒，所述高压泵与所述水箱连接，所述高压泵与所述增压器之间位于所述高压泵的出口处设有溢流阀；所述增压器与所述超高压厚壁圆筒之间设有节流阀，所述节流阀与所述增压器之间还设有蓄能器，所述蓄能器与所述增压器之间及所述蓄能器与所述节流阀之间均设有单向阀，所述超高压厚壁圆筒的出口处还设有一卸荷阀。本发明采用超高压厚壁圆筒代替高压釜，不仅结构简单，且模拟成本低。超高压厚壁圆筒的工作压力为15‑150MPa，工作压力范围宽且最大承受压力大，实用性强。

Description

一种超深海压力环境的模拟方法及装置
【技术领域】
本发明涉及海洋勘探技术领域，具体涉及一种超深海压力环境的模拟方法及装置。
【背景技术】
深海海底中储存有丰富的矿藏资源，目前，对于海洋资源的开发，特别是深海海底中储存的各种矿藏资源的开发具有重要的意义。深海热液、冷泉和石油等资源已成为人类生产生活中的重要能源之一。但由于深海海底复杂的地形、洋流和压力等环境因素，研究深海环境已成为当今世界的前沿科学。为了更深入地研究深海环境，以更进一步利用深海海洋的资源，对深海环境的模拟已显得尤为重要。目前，对深海压力环境的模拟大多采用高压釜，但高压釜不仅成本高，且所承受的压力范围较为局限，最大承受压力较低。
【发明内容】
本发明针对上述问题，提供一种超深海压力环境的模拟方法及装置。本发明采用自制的超高压厚壁圆筒代替高压釜，不仅结构简单，且模拟成本低。本发明中的超高压厚壁圆筒适用于工作压力为15-150MPa，工作压力范围宽且最大承受压力大，实用性强。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种超深海压力环境的模拟装置，包括水箱，还包括相连接的高压泵、增压器和超高压厚壁圆筒，所述高压泵与所述水箱连接，所述高压泵与所述增压器之间位于所述高压泵的出口处设有溢流阀；所述增压器与所述超高压厚壁圆筒之间设有节流阀，所述节流阀与所述所述增压器之间还设有蓄能器，所述蓄能器与所述增压器之间及所述蓄能器与所述节流阀之间均设有方向朝向所述超高压厚壁圆筒的单向阀，所述超高压厚壁圆筒的出口处还设有一卸荷阀。
进一步地，所述超深海压力环境的模拟装置还包括压力调节控制系统，所述压力调节控制系统包括压力传感器、压力控制器和调压阀，所述压力控制器和调压阀相连接且设于所述节流阀与所述超高压厚壁圆筒之间,所述压力传感器设于超高压厚壁圆筒内,所述压力传感器与所述压力控制器连接，所述压力控制器基于所述压力传感器测量到的压力控制所述调压阀。
进一步地，所述节流阀与所述超高压厚壁圆筒之间靠近所述超高压厚壁圆筒的入口处还设有稳压阀和压力表。
进一步地，所述高压泵的最大出口压力为15MPa。
进一步地，所述溢流阀的压力调节范围为1.5-15MPa。
进一步地，所述增压器的增压比为1：10。
进一步地，所述超高压厚壁圆筒的内径为25-30毫米，外径为60-75毫米。
进一步地，所述超高压厚壁圆筒的材料为高级氮化钢材料。
本发明还提供了一种超深海压力环境的模拟方法，包括如下步骤：
(1)打开所述水箱，根据所需模拟海洋深度的环境压力的大小调节所述溢流阀的调定压力；
(2)启动所述高压泵、增压器和蓄能器，缓慢开启所述单向阀和节流阀，使所述水箱中的液体变为高压液体后流入所述超高压厚壁圆筒；
(3)启动压力调节控制系统，压力控制器通过压力传感器测量得到的压力控制调压阀，待高压液体充满所述超高压厚壁圆筒后且压力稳定后，得到的所述超高压厚壁圆筒内的高压液体即为所模拟的超深海压力环境；
(4)开启所述卸荷阀，使所述超高压厚壁圆筒泄压，即完成特定压力环境的模拟；
(5)改变所述溢流阀的调定压力，重复上述步骤，即可实现另一海水深度压力环境的模拟。
进一步地，步骤(3)中，所述压力稳定为通过设于靠近所述超高压厚壁圆筒的入口处的稳压阀调节。
通过采用上述技术方案，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用自制的超高压厚壁圆筒代替高压釜，不仅结构简单，且模拟成本低。本发明中的超高压厚壁圆筒的材料选用强度高、硬度大及耐磨性高等性能优异的高级氮化钢38CrMoAl，并结合深海环境制作适当厚度的超高压厚壁圆筒，使本发明的超高压厚壁圆筒适用于工作压力为15-150MPa，工作压力范围宽且最大承受压力大，实用性强。
(2)本发明可模拟的海洋深度范围为2000-11000米，且可利用溢流阀根据水深的变化调节模拟环境压力的大小，还可利用压力调节控制系统对进入超高压厚壁圆筒内的高压液体进行调节控制，使所模拟的深海压力更精确。同时通过压力调节控制系统后还设置稳压阀，使超高压厚壁圆筒内的高压液体的压力保持稳定，利于本发明在此压力环境中的研究。
(3)本发明模拟方法简单，可操作性及可重复性强，通过调节溢流阀等，可模拟不同海水深度的压力环境，便于研究人员在不同的海水深度的压力环境下进行研究。
【附图说明】
图1为本发明实施例的结构示意图。
图中，1-水箱，2-高压泵，3-溢流阀，4-增压器，5-单向阀，6-蓄能器，7-节流阀，8-超高压厚壁圆筒，9-卸荷阀，10-稳压阀，11-压力表,12-压力控制器，13-调压阀。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
实施例
如图1，一种超深海压力环境的模拟装置，包括水箱1，还包括相连接的高压泵2、增压器4和超高压厚壁圆筒8，高压泵2与水箱1连接，其中高压泵2的最大出口压力为15MPa，增压器4的增压比为1：10。高压泵2与增压器4之间且靠近高压泵2的出口处设有溢流阀3，溢流阀3的压力调节范围为1.5-15MPa。增压器4与超高压厚壁圆筒8之间设有节流阀7，节流阀7与增压器4之间还设有蓄能器6，蓄能器6的设置是为了避免模拟装置的压力波动或在调压过程中所产生的液压冲击对超高压厚壁圆筒内压力的影响。蓄能器6与增压器4之间及蓄能器6与节流阀7之间均设有方向朝向所述超高压厚壁圆筒8的单向阀5，超高压厚壁圆筒8的出口处还设有一卸荷阀9。本发明中超高压厚壁圆筒8的尺寸可以选：内径25-30毫米、外径60-75毫米，本实施例中则优选为内径30毫米、外径75毫米。
本发明中，超高压厚壁圆筒8所选用的材料可以为低淬透性渗碳钢(20Cr)和高级氮化钢(38CrMoAl)等。本实施例中超高压厚壁圆筒的材料优选为高级氮化钢38CrMoAl，高级氮化钢具有高的表面硬度，耐磨性及疲劳强度，并具有良好的耐热性及耐腐蚀性，淬透性不高，用于制作高耐磨性、高疲劳强度和相当大的强度、处理后尺寸精度高的氮化零件。
进一步地，本实施例中的超深海压力环境的模拟装置还包括压力调节控制系统，该压力调节控制系统包括压力传感器(图中未示出)、压力控制器12和调压阀13，压力控制器12和调压阀13相连接且调压阀13设于节流阀7与超高压厚壁圆筒8之间,压力传感器设于超高压厚壁圆筒8内,压力传感器与所述压力控制器12连接，压力控制器12基于所述压力传感器测量到的压力控制调压阀13，使流入超高压厚壁圆筒8内的液体的压力得到自动调控。
进一步地，本实施例中，节流阀7与超高压厚壁圆筒8之间靠近超高压厚壁圆筒8的入口处还设有稳压阀10和压力表11，使超高压厚壁圆筒8内的高压液体的压力保持稳定，利于在此压力环境中的研究。且压力表11还能精确观察到超高压厚壁圆筒8内的实际压力，从而判断超高压厚壁圆筒8内的压力是否达到了所需模拟海洋深度的环境压力的大小，进而视具体情况调节溢流阀3和启动压力调节控制系统。
本发明实施例一种超深海压力环境的模拟装置的模拟方法，包括如下步骤：
(1)打开所述水箱1，根据所需模拟海洋深度的环境压力的大小调节溢流阀3的调定压力；
(2)启动高压泵2、增压器4和蓄能器6，缓慢开启单向阀5和节流阀7，使水箱1中的液体变为高压液体后流入超高压厚壁圆筒8；
(3)启动压力调节控制系统，压力控制器12通过压力传感器测量得到的压力控制调压阀13，待高压液体充满所述超高压厚壁圆筒8，且通过设于靠近超高压厚壁圆筒8的入口处的稳压阀10使压力稳定后，所得到的超高压厚壁圆筒8内的高压液体即为所模拟的超深海压力环境，在此环境压力下可开展相关研究；
(4)开启卸荷阀9，使所述超高压厚壁圆筒泄压，即完成特定压力环境的模拟；
(5)改变溢流阀3的调定压力，重复上述步骤，即可实现另一海水深度压力环境的模拟。
本发明中，高压泵2所产生的高压液体经增压器4增压及节流阀7控制流量等后进入超高压厚壁圆筒8。调节溢流阀3的调定压力可改变高压泵2出口压力的大小，并经压力调节控制系统调控，可自动调节进入超高压厚壁圆筒8的液体压力的大小，从而实现对深海压力环境的模拟及对超深海环境压力随深度而改变的压力调节。
本发明采用自制的超高压厚壁圆8筒代替高压釜，不仅结构简单，且模拟成本低。本发明中的超高压厚壁圆筒8的材料选用强度高、硬度大及耐磨性高等性能优异的高级氮化钢38CrMoAl，并结合深海环境制作适当厚度的超高压厚壁圆筒8，使本发明的超高压厚壁圆筒8适用于工作压力为15-150MPa，工作压力范围宽且最大承受压力大，实用性强。本发明可模拟的海洋深度范围为2000-11000米，且可利用溢流阀3根据水深的变化调节模拟环境压力的大小，还可利用压力调节控制系统对进入超高压厚壁圆筒8内的高压液体进行调节控制，使所模拟的深海压力更精确。同时通过压力调节控制系统后还设置稳压阀10，使超高压厚壁圆筒8内的高压液体的压力保持稳定，利于本发明在此压力环境中的研究。本发明模拟方法简单，可操作性及可重复性强，通过调节溢流阀3等，可模拟不同海水深度的压力环境，便于研究人员在不同的海水深度的压力环境下进行研究。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种超深海压力环境的模拟装置，包括水箱，其特征在于，还包括相连接的高压泵、增压器和超高压厚壁圆筒，所述高压泵与所述水箱连接，所述高压泵与所述增压器之间位于所述高压泵的出口处设有溢流阀；所述增压器与所述超高压厚壁圆筒之间设有节流阀，所述节流阀与所述所述增压器之间还设有蓄能器，所述蓄能器与所述增压器之间及所述蓄能器与所述节流阀之间均设有方向朝向所述超高压厚壁圆筒的单向阀，所述超高压厚壁圆筒的出口处还设有一卸荷阀。
2.根据权利要求1所述的超深海压力环境的模拟装置，其特征在于，还包括压力调节控制系统，所述压力调节控制系统包括压力传感器、压力控制器和调压阀，所述压力控制器和调压阀相连接且设于所述节流阀与所述超高压厚壁圆筒之间,所述压力传感器设于超高压厚壁圆筒内,所述压力传感器与所述压力控制器连接，所述压力控制器基于所述压力传感器测量到的压力控制所述调压阀。
3.根据权利要求1所述的超深海压力环境的模拟装置，其特征在于，所述节流阀与所述超高压厚壁圆筒之间靠近所述超高压厚壁圆筒的入口处还设有稳压阀和压力表。
4.根据权利要求1所述的超深海压力环境的模拟装置，其特征在于，所述高压泵的最大出口压力为15MPa。
5.根据权利要求1所述的超深海压力环境的模拟装置，其特征在于，所述溢流阀的压力调节范围为1.5-15MPa。
6.根据权利要求1所述的超深海压力环境的模拟装置，其特征在于，所述增压器的增压比为1：10。
7.根据权利要求1所述的超深海压力环境的模拟装置，其特征在于，所述超高压厚壁圆筒的内径为25-30毫米，外径为60-75毫米。
8.根据权利要求1所述的超深海压力环境的模拟装置，其特征在于，所述超高压厚壁圆筒的材料为高级氮化钢材料。
9.一种超深海压力环境的模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)打开所述水箱，根据所需模拟海洋深度的环境压力的大小调节所述溢流阀的调定压力；
(2)启动所述高压泵、增压器和蓄能器，缓慢开启所述单向阀和节流阀，使所述水箱中的液体变为高压液体后流入所述超高压厚壁圆筒；
(3)启动压力调节控制系统，压力控制器通过压力传感器测量得到的压力控制调压阀，待高压液体充满所述超高压厚壁圆筒后且压力稳定后，得到的所述超高压厚壁圆筒内的高压液体即为所模拟的超深海压力环境；
(4)开启所述卸荷阀，使所述超高压厚壁圆筒泄压，即完成特定压力环境的模拟；
(5)改变所述溢流阀的调定压力，重复上述步骤，即可实现另一海水深度压力环境的模拟。
10.根据权利要求9所述的超深海压力环境的模拟装置的模拟方法，其特征在于，步骤(3)中，所述压力稳定为通过设于靠近所述超高压厚壁圆筒的入口处的稳压阀调节。
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