CN112082808A - 一种适用于高取样率海底表层沉积物取样器及取样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高取样率海底表层沉积物取样器及取样方法，取样器包括挤样装置、取样管总成和海捞装置，所述的取样管总成包括取样管、气密件、连接杆和手柄，取样管两端开口，取样管的下端设有海捞装置，取样管的上端与气密件密封连接，手柄通过连接杆固定在气密件上端面上，取样管侧壁上均设有若干排水孔，排水孔实现取样管内腔和外界的连通，取样管内设有活塞；所述的气密件上设有通孔，通孔的一端连通取样管内腔上端，通孔的另一端连接挤样装置。本发明操作方便、结构简单、紧凑、易于加工制造、取样效率高、转移效果好、可靠性高，特别适合于如载人潜水器、无人潜水器、ROV等水下作业装备进行海底表层沉积物的取样，而且转移时对样品的扰动小。

Description

一种适用于高取样率海底表层沉积物取样器及取样方法

技术领域

本发明涉及一种海底表层沉积物取样装置，尤其是涉及一种适用于高取样率海底表层沉积物取样器及取样方法。

背景技术

海底表层沉积物是液-固两相交界的区域，在液-固界面上时刻发生着物理、化学和生物变化的过程，其中蕴藏了极其丰富的矿产资源，包括石油、可燃冰、多金属结核、富钻结壳、热液硫化物、海洋生物、天然气水合物以及黏土矿物等，这些资源对认识海洋的形成和演变具有重要意义。然而，目前大多数机械手持式海底表层沉积物取样器的取样管功能简单，由于排水的需要，在取样管的上端径向设有多个排水孔，在取样管完成海底表层沉积物取样后，当机械手操控取样管从海底表层沉积物上拔时，由负压的作用，海水会从取样管上端的排水孔倒流入取样管内，再者取样管内壁十分光滑，极易造成已取得的沉积物样品流失，导致沉积物扰动过大及取样率不高。因此，研制可靠取样率高的海底表层取样器，为海底表层沉积物的研究提供了重要保障，而其中最关键的环节就是如何防止已取沉积物样品流失，在低扰动下保持取样效率高。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种操作方便、结构简单、紧凑、易于加工制造、取样效率高、转移时对样品扰动小、可靠性高的高取样率海底表层沉积物取样器及取样方法。

本发明采用的技术方案：一种适用于高取样率海底表层沉积物取样器，包括挤样装置、取样管总成和海捞装置，所述的取样管总成包括取样管、气密件、连接杆和手柄，取样管两端开口，取样管的下端设有海捞装置，取样管的上端与气密件密封连接，手柄通过连接杆固定在气密件上端面上，取样管侧壁上均设有若干排水孔，排水孔实现取样管内腔和外界的连通，取样管内设有活塞；所述的气密件上设有通孔，通孔的一端连通取样管内腔上端，通孔的另一端连接挤样装置。

上述的适用于高取样率海底表层沉积物取样器中，取样管为阶梯轴，上部直径大于下部，气密件底端设有盲孔，盲孔的顶面与气密件上的通孔连通；取样管上部插装在气密件盲孔内；气密件底端与气密件端盖管螺纹连接，气密件端盖中心孔直径小于取样管上部直径，气密件底端至盲孔顶面的距离大于取样管上部长度；所述的排水孔设置在取样管的上部，排水孔位于同一水平面内；所述的气密件盲孔侧壁上设有多个排水孔I，多个排水孔I位于同一水平面内；排水孔的上方至少设有两密封槽，排水孔的下方至少设有一密封槽，密封槽内设有密封圈；取样管顶端与盲孔顶面接触时，排水孔I与排水孔连通；取样管的轴肩与气密件端盖接触时，排水孔I与排水孔密封。

上述的适用于高取样率海底表层沉积物取样器中，所述的挤样装置包括针阀及阀连接管，气密件上通孔的上端通过阀连接管与针阀连通，活塞侧壁上设有密封槽，密封槽内设有密封圈。

上述的适用于高取样率海底表层沉积物取样器中，所述的海捞装置包括圆环桶及若干弹性片，弹性片下端安装在圆环桶上，圆环桶与取样管管体螺接。

一种利用上述的适用于高取样率海底表层沉积物取样器的适用于高取样率海底表层沉积物取样方法，包括如下步骤：

（1）利用水下机器人的机械手抓取所述的适用于高取样率海底表层沉积物取样器的手柄，将适用于高取样率海底表层沉积物取样器移动到垂直于海底表层沉积物表面的位置；

（2）操控机械手下压，将适用于高取样率海底表层沉积物取样器压入海底表层沉积物中，直到取样管全部压入海底沉积物表层为止；

（3）取样完成后，操控机械手将适用于高取样率海底表层沉积物取样器从海底表层沉积物中拔出；

（4）利用外部高压水管连接针阀的进出水孔，开启针阀，向针阀通水，水进入气密件和取样管之间的内腔，缓慢推动挤样活塞将海底沉积物向外移出。

上述的适用于高取样率海底表层沉积物取样方法中，步骤（2）中，机械手下压速度为5-10mm/s。

与现有技术相比，本发明的技术效果是：

（1）本发明的适用于高取样率海底表层沉积物取样器操作方便、结构简单、紧凑、易于加工制造、取样效率高、转移效果好、可靠性高，特别适合于如载人潜水器、无人潜水器、ROV等水下作业装备进行海底表层沉积物的取样。

（2）本发明在下插至沉积物取样过程中，取样管与沉积物产生的端面阻力、侧壁摩擦力大于气密件与取样管之间的摩擦力，气密件相对取样管下移，排水孔对齐，进行排水，使得海底沉积物进入取样管的过程更为流畅，可减少海底沉积物进入取样管过程中产生的扰动，降低对海底沉积物层理结构的破坏。

（3）本发明在完成沉积物取样后，操控机械手上拔，取样管与沉积物产生的端面阻力、侧壁摩擦力大于气密件与取样管之间的摩擦力，气密件相对取样管上移，排水孔错位，取样管与气密件之间形成空腔，使得取样管内的沉积物样品不易从取样管内壁滑落，提高海底表层沉积物的取样率，减少作业成本。

（4）本发明在进行挤样转移操作时，只需通过对挤样装置的针阀进水口打水，高压水进入气密件与取样活塞之间的腔隙内，推动取样活塞向下移动，取样活塞推动沉积物样品向外转移，对样品的扰动小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中Ⅰ处放大剖视图。

图3是本发明的取样初始位置时的结构图。

图4是本发明的取样装置取样完毕时的剖视图。

图中：1-手柄，2-连接杆，3-针阀，4-阀连接管，5-气密件，6-取样管，7-手柄接头，8-锁紧螺母，9-定位销，10-内六角螺钉，11-压紧螺母，12-内六角螺钉，13-气密件端盖，14-挤样活塞，15-阀固定板，16海捞装置，101-密封挡圈，102-密封圈，103-密封圈，104-密封圈，105-四氟挡圈，106-密封圈，107-密封圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的适用于高取样率海底表层沉积物取样器包括手柄1、连接杆2、针阀3、阀连接管4、气密件5及取样管6，手柄1和连接杆2之间通过手柄接头7连接，手柄接头7粘环氧树脂胶后压入手柄1内芯，手柄接头7与连接杆2螺纹连接并设有定位销9，手柄接头7上设有锁紧螺母8，起锁紧作用。连接杆2底端通过内六角螺钉12固定在气密件5顶部。连接杆2上设有阀固定板15，针阀3通过内六角螺钉10固定安装在阀固定板15上。

所述的气密件5底端设有盲孔，盲孔的顶面与气密件5上的通孔51的下端连通；通孔51的上端位于气密件5顶面上，经阀连接管4针阀3连通。取样管6上部插装在气密件盲孔内。所述的气密件5底端设有外螺纹，气密件端盖13设有内螺纹，气密件端盖13与气密件5的外螺纹管螺纹连接。气密件端盖13中心孔直径小于取样管上部直径，气密件5底端至盲孔顶面的距离大于取样管上部长度，这样使得取样管在盲孔内能够移动一定的距离。所述的取样管6上部侧壁上设有排水孔61，多个排水孔61位于同一水平面内；所述的气密件5盲孔侧壁上设有多个排水孔I 51，多个排水孔I 51位于同一水平面内。排水孔61的上方设有两密封槽（密封槽的数量可以多于两个），排水孔的下方设有一密封槽（可以多于一个密封槽），密封槽内设有密封圈103。取样管5顶端与盲孔顶面接触时，排水孔I51与排水孔61连通，实现取样管内腔与外界的连通，取样时排水。取样管6的轴肩与气密件端盖13接触时，排水孔61的上方的两密封槽103、106内的密封圈对排水孔I 51密封，排水孔61上方和下方的两密封槽103、104内的密封圈对排水孔61密封，此时排水孔I51与排水孔61不能连通取样管内腔与外界。

如图2所示，气密件5的下部为上大下小的圆锥形，锥面处开有密封槽，密封槽内设有密封圈102，可实现对外保压功能。气密件5盲孔的顶部固定有密封挡圈101与四氟挡圈105，密封挡圈101位于活塞14的正上方，四氟挡圈105位于取样管6的正上方；两者配合可实现一定的保压和定位功能。取样管6内设有活塞14，活塞14侧壁上设有密封槽，密封槽内设有密封圈107，在针阀3打入高压水的作用下，推动挤样活塞14向下移动，实现挤样功能。取样管6的下端处设有海捞装置16，所述的海捞装置包括圆环桶及若干弹性片，弹性片下端安装在圆环桶上，圆环桶与取样管管体螺接。

如图3所示本发明在取样初始位置时，活塞14置于取样管6顶端，取样管6顶端与四氟挡圈105接触，取样管6排水孔与气密件5排水孔对齐，海捞装置16的若干弹性片在取样时在沉积物的压力作用下张开，沉积物经海捞装置16进入取样管6，上层水通过排水孔61和排水孔I51排出。

如图4所示，本发明取样完毕时，取样管6阶梯下端面与气密件端盖13接触，气密件5的排水孔I51与取样管6的排水孔61错位，排水孔61的上方的两密封槽内的密封圈103、106对排水孔I 51密封，排水孔61上方和下方的两密封槽103、104内的密封圈对排水孔61密封，在气密件5的内腔中形成空腔，同时在已取沉积物的自重压力下，海捞装置16收缩，使得取样管6内的已取沉积物样品不易从取样管6内壁滑落。

本发明的适用于高取样率海底表层沉积物取样器方法，包括如下步骤：

（1）利用水下机器人的机械手抓取所述适用于高取样率海底表层沉积物取样器的手柄1，将高取样率海底表层沉积物取样器移动到垂直于海底表层沉积物表面的位置。

（2）操控机械手下压，下压的速度为5-10mm/s，将适用于高取样率海底表层沉积物取样器缓慢压入海底表层沉积物中，直到取样管6全部压入海底沉积物表层为止。在取样管6压入海底表层沉积物的过程中，取样管6与沉积物产生的端面阻力、侧壁摩擦力大于气密件5与取样管6之间的摩擦力，气密件5相对取样管6下移，排水孔I51与排水孔61连通，取样管6内的海水通过排水孔向外排出。

（3）取样完成后，操控机械手将适用于高取样率海底表层沉积物取样器缓慢从海底表层沉积物中拔出，取样管6与沉积物产生的端面阻力、侧壁摩擦力大于气密件5与取样管6之间的摩擦力，气密件5相对取样管6上移，排水孔I51与排水孔61错位，取样管6与气密件5之间形成空腔，同时在已取沉积物的自重压力下，海捞装置16收缩，使得取样管6内的沉积物样品不易从取样管6内壁滑落。

（4）利用外部高压水管连接针阀3的进出水孔，开启针阀3，向针阀3通水，水进入气密件5和取样管6之间的内腔，缓慢推动挤样活塞将14海底沉积物向外移出。

Claims (6)

1.一种适用于高取样率海底表层沉积物取样器，其特征是：包括挤样装置、取样管总成和海捞装置，所述的取样管总成包括取样管、气密件、连接杆和手柄，取样管两端开口，取样管的下端设有海捞装置，取样管的上端与气密件密封连接，手柄通过连接杆固定在气密件上端面上，取样管侧壁上均设有若干排水孔，排水孔实现取样管内腔和外界的连通，取样管内设有活塞；所述的气密件上设有通孔，通孔的一端连通取样管内腔上端，通孔的另一端连接挤样装置。

2.根据权利要求1所述的适用于高取样率海底表层沉积物取样器，其特征在于：取样管为阶梯轴，上部直径大于下部，气密件底端设有盲孔，盲孔的顶面与气密件上的通孔连通；取样管上部插装在气密件盲孔内；气密件底端与气密件端盖管螺纹连接，气密件端盖中心孔直径小于取样管上部直径，气密件底端至盲孔顶面的距离大于取样管上部长度；所述的排水孔设置在取样管的上部，排水孔位于同一水平面内；所述的气密件盲孔侧壁上设有多个排水孔I，多个排水孔I位于同一水平面内；排水孔的上方至少设有两密封槽，排水孔的下方至少设有一密封槽，密封槽内设有密封圈；取样管顶端与盲孔顶面接触时，排水孔I与排水孔连通；取样管的轴肩与气密件端盖接触时，排水孔I与排水孔密封。

3.根据权利要求1所述的适用于高取样率海底表层沉积物取样器，其特征在于：所述的挤样装置包括针阀及阀连接管，气密件上通孔的上端通过阀连接管与针阀连通，活塞侧壁上设有密封槽，密封槽内设有密封圈。

4.根据权利要求1所述的适用于高取样率海底表层沉积物取样器，其特征在于：所述的海捞装置包括圆环桶及若干弹性片，弹性片下端安装在圆环桶上，圆环桶与取样管管体螺接。

5.一种利用根据权利要求1-4中任一权利要求所述的适用于高取样率海底表层沉积物取样器的适用于高取样率海底表层沉积物取样方法，包括如下步骤：

（1）利用水下机器人的机械手抓取所述的适用于高取样率海底表层沉积物取样器的手柄，将适用于高取样率海底表层沉积物取样器移动到垂直于海底表层沉积物表面的位置；

（2）操控机械手下压，将适用于高取样率海底表层沉积物取样器压入海底表层沉积物中，直到取样管全部压入海底沉积物表层为止；

（3）取样完成后，操控机械手将适用于高取样率海底表层沉积物取样器从海底表层沉积物中拔出；

（4）利用外部高压水管连接针阀的进出水孔，开启针阀，向针阀通水，水进入气密件和取样管之间的内腔，缓慢推动挤样活塞将海底沉积物向外移出。

6.根据权利要求5所述的适用于高取样率海底表层沉积物取样方法，步骤（2）中，机械手下压速度为5-10mm/s。

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