CN1420348A - 深海沉积物保真采样系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海沉积物保真采样系统。它包括在框架撑脚上装有框架顶盖，吊放支架与中心杆上端固联，中心杆穿过框架顶盖的中心孔能自由滑动，下端与十字架固联，十字架上安装两个蓄能器和两个采样筒，它能随中心杆相对框架顶盖上下运动，蓄能器与采样筒通过管路联接。当将本系统放入深海，框架撑脚到达海底平面放平后，中心杆、十字架及安装十字架的采样筒在重力作用下继续下降，使采样筒内的刀筒快速插入沉积物中采样后，拉起吊放支架向上运动时，梅花瓣离开插筒合拢，切断封住衬筒内的沉积物样。本发明能在4000米水深、温度条件下，无污染、无压力突变地采集沉积物或热液及相应的微生物样品，保持样品的无扰动、层序保真，并可长时间保持样品的温度和压力。

Description

深海沉积物保真采样系统

                          技术领域

本发明涉及一种无边界扰动的深海沉积物保真采样系统。

                          背景技术

深海沉积物的采样样本提升到水面后，一般需要及时进行测试分析研究其原始状态的物理及化学特性，如果不能够保持原始压力和温度等状态，其性质将发生巨大变化。

目前我国对深海沉积物样品的采集，主要使用抓斗和箱式采样器。对于这些取样器而言，尽管取样时已十分注意样品的代表性，但结果仍不能令人满意，代表性还是比较差的。然而，在实际工作中，又不允许将每个站位所采集到的样品全部破碎、混匀后再进行测试，而要将大部分样品尽量按原始状态封装，妥善保存以供更多方面的研究。使用重力管取样器，虽然可采集到尽可能长的垂直柱状沉积物样品，但它还是不能保持样品的原始压力和温度等状态。这样的话，上述采样器采集的深海沉积物样品就不能达到预期的目的。

                          发明内容

本发明的目的是提供一套为深海热液口科学考察配套的深海沉积物保真采样系统，可以实现4000米深海热液口附近沉积物的保温保压采样，并保证沉积物样品的无污染、无边界扰动。

本发明采用的技术方案是它包括如下两个部件：

1.框架部件：包括吊放支架，中心杆，框架顶盖，蓄能器，十字架，框架撑脚；吊放支架与中心杆上端固联，中心杆穿过框架顶盖的中心孔能自由滑动，下端与十字架固联；十字架上对称安装两个蓄能器和两个采样筒，能随中心杆相对框架顶盖上下运动；蓄能器与采样筒间通过管路联接；框架顶盖与框架撑脚通过铰链联接。

2.采样筒部件：包括小钢缆，上端盖，保压筒体，导向筒，活塞导向套，拉伸弹簧，弹簧下固定板，挡块机构，下封口翻盖，衬筒，下端盖，刀筒，插筒，衬筒活塞，活塞固定套，细钢缆；

1)保压筒体是两端带法兰的厚壁圆柱筒体，与上端盖和下端盖分别用高强度螺栓联接；

2)导向筒用螺钉固定在上端盖的下端面中心支口处，起到对衬筒的导向作用；导向筒上部开有条形槽，活塞导向套能在导向筒内上下滑动；活塞导向套与弹簧下固定板通过四根拉伸弹簧联接，弹簧下固定板能在保压筒体内壁上下滑动；

3)挡块机构用螺钉固定在导向筒的下端，突出的弹簧锁舌在采样时可以挡住活塞固定套外壁，防止衬筒上移；

4)下封口翻盖通过铰链固定在下端盖上，两根细钢缆一端联接下封口翻盖的两边，另一端通过下端盖上的圆环向上联接到弹簧下固定板；下封口翻盖竖立在保压筒体内壁的一侧，被衬筒外壁挡住；

5)衬筒活塞的上端与小钢缆联接，小钢缆在导向筒内穿过上端盖的中心孔，绕过固定在框架顶盖上的导向滑轮，再绕过固定在吊放支架上的滑轮，固定到悬挂在吊放支架下面的套钩上；衬筒上端与活塞固定套用螺纹联接，衬筒活塞被封在活塞固定套内，能带动活塞固定套、衬筒在小钢缆的牵引下一起运动；

6)刀筒与下端盖底部端面用螺钉固联，刀筒下端与插筒用螺钉联接形成花瓣撑开机构，能保证无边界干扰采样；刀筒下端侧面和插筒下端侧面与端面形成60°的刀口。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：它能在一定的水深、温度条件下，无污染、无压力突变地采集沉积物或热液及相应的微生物样品，保持样品的无扰动、层序保真，并可长时间保持样品的温度和压力。

                        附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明的采样筒体的结构示意图；

图3是本发明的挡块机构图；

图4是本发明的上封口结构图；

图5是本发明的下封口结构图；

图6是本发明的花瓣撑开机构图；

图7是本发明的小钢缆牵引动作示意图。

                       具体实施方式

如图1所示是本发明的系统结构示意图。它包括如下两个部件：

框架部件：包括吊放支架1，中心杆2，框架项盖4，蓄能器7，十字架8，框架撑脚9；吊放支架1与中心杆2上端固联，中心杆2穿过框架顶盖4的中心孔能自由滑动，并通过杆上突起的台阶5承受框架重量，下端与十字架8固联；十字架8上对称安装两个蓄能器7和两个采样筒6，能随中心杆2相对框架顶盖4上下运动；蓄能器7与采样筒6间通过管路联接，可以补偿回收过程中的压力损失；框架顶盖4与八只框架撑脚9通过铰链联接，框架撑脚9下端的圆盘起支承稳定作用。

采样筒部件(如图2所示)：包括小钢缆3，上端盖12，保压筒体13，导向筒14，活塞导向套15，拉伸弹簧16，弹簧下固定板17，挡块机构18，下封口翻盖19，衬筒20，下端盖21，刀筒22，插筒23，衬筒活塞24，活塞固定套25，细钢缆26；

保压筒体13是两端带法兰的厚壁圆柱筒体，与上端盖12和下端盖21分别用高强度螺栓联接；导向筒14用螺钉固定在上端盖12的下端面中心支口处，起到对衬筒20的导向作用；导向筒14上部开有四个条形槽，活塞导向套15的四个伸脚穿过条形槽能在导向筒14内上下滑动；活塞导向套15与弹簧下固定板17通过四根拉伸弹簧16联接，弹簧下固定板17能在保压筒体13内壁上下滑动，并起到一定的导向作用；挡块机构18用螺钉固定在导向筒14的下端，突出的弹簧锁舌27在采样时可以挡住活塞固定套25外壁，防止衬筒20上移；下封口翻盖19通过铰链固定在下端盖21上，两根细钢缆26一端联接下封口翻盖19的两边，另一端通过下端盖21上的圆环向上联接到弹簧下固定板17；采样时下封口翻盖19竖立在保压筒体13内壁的一侧，被衬筒20外壁挡住，采样完成时在细钢缆26拉力作用下翻倒盖入下端盖21，完成下封口密封；衬筒活塞24的上端与小钢缆3联接，小钢缆3在导向筒14内穿过上端盖12的中心孔，绕过固定在框架顶盖4上的导向滑轮，再绕过固定在吊放支架1上的滑轮，最后固定到悬挂在吊放支架1下面的套钩10上；衬筒20上端与活塞固定套25用螺纹联接，衬筒活塞24被封在活塞固定套25内，能带动活塞固定套25、衬筒20在小钢缆3的牵引下一起运动；刀筒22与下端盖21底部端面用螺钉固联，刀筒22下端与插筒23用螺钉联接形成花瓣撑开机构，能保证无边界干扰采样；刀筒22下端侧面和插筒23下端侧面与端面形成60°的刀口，可顺利插入海底沉积物内。

保真采样的几项关键技术：

1.挡块机构(如图3所示)：在保压筒体13内的导向筒14下端固定有挡块机构18，它有均布四个弹簧锁舌27，可以在采样时挡住活塞固定套25的外壁，使之不会上移；而在小钢缆3提升时利用衬筒活塞24的台阶又能顺利打开锁舌27，带动活塞固定套25、衬筒20上升。

2.上封口密封(如图4所示)：无锥度轴向密封；用衬筒活塞24上部的小圆柱体作为封口，在小钢缆3的拉动下，利用框架重量产生的预紧力，塞入上端盖12的中心孔，通过O型密封圈28的变形完成密封。

3.下封口密封(如图5所示)：5°锥角的轴向密封；用预先竖立在保压筒体13内壁一侧的下封口翻盖19作为封口，利用细钢缆26和拉伸弹簧16将上封口的预紧力分配一部分到下封口，拉动下封口翻盖19翻倒，在导向销29的导向作用下顺利塞入下端盖21的中心孔，通过O型密封圈30的变形完成密封。

4.沉积物切断(如图6所示)：刀筒22下部孔内装有阶梯形的插筒23，插筒23的大圆柱面与刀筒22下部孔紧配后用螺钉固紧，插筒23的小圆柱面与刀筒22保持间隙。衬筒20下部孔内装有梅花瓣31，处于插筒23与刀筒22的间隙内，与插筒的小圆柱面形成滑动配合，衬筒装在刀筒内形成滑动配合。梅花瓣31被插筒23完全撑开，可使沉积物无边界扰动地进入衬筒20，衬筒20提升时梅花瓣31合拢切断沉积物。

5.保压方法：蓄能器7与采样筒6通过管路联接，利用蓄能器7对采样回收过程中采样筒6内的压力损失进行补偿。

6.保温方法：预加冰块在采样筒外壁。

工作过程：采样设备由船上缆车吊放下水，钢缆拉在吊放支架上端，在框架撑脚9到达海底并放平后，中心杆2、十字架8以及安装在十字架上的采样筒6并没有着地，因此在重力的作用下继续下降，使刀筒22快速插入沉积物中，直到吊放支架1撞到框架项部，行程为600mm左右。

当采样系统下降时，样品衬筒20处于刀筒22内，衬筒20内梅花瓣31在插筒23作用下被完全张开；导向筒14下方挡块机构18的四个锁舌27挡住活塞固定套25外壁，使衬筒20不会在采样过程中上移，沉积物样品可完全进入。下封口翻盖19竖直立于保压筒体13内壁一侧，被衬筒20挡住。当采样完成后，船上缆车开始收缆，拉起吊放支架，这时小钢缆3拉动衬筒活塞24，利用衬筒活塞24的台阶打开锁舌27带动衬筒20向上运动，随之梅花瓣31离开插筒23开始合拢，切断并封住衬筒20内沉积物样品。

小钢缆3的牵引动作是在沉积物采样过程中自动完成的(如图7所示)。衬筒活塞24上的小钢缆3首先绕过固定在框架顶盖4上的滑轮，以便导向；再绕过固定在吊放支架1上的滑轮，最后固定到悬挂在吊放支架1下面的套钩10上。设备下放过程中，整个框架重量承受在中心杆2上凸起的台阶5上，框架落地后套钩10随着吊放支架1继续向下运动，在中心杆2下降到最低点时钩挂在框架顶盖4的锁扣11上，从而脱离吊放支架1。这样收缆时小钢缆3拉动衬筒20以2倍于中心杆2的速度向上运动，相对保压筒体13的提升高度最大可等于整个中心杆2的下降距离，从而完成衬筒20在保压筒体13内的密封。整个框架的重量承受在两根小钢缆3上，由于通过滑轮组，每根小钢缆3上受力约为框架重量的1/4。

衬筒20向上运动，衬筒活塞24的台阶套上活塞导向套15，带动拉伸弹簧16和弹簧下固定板17向上运动。弹簧下固定板17通过两根细钢缆26，绕过下端盖21上的套环，连到下封口翻盖19的两边。当衬筒20底端离开下封口翻盖19继续向上运动，细钢缆26开始受力，将拉动衬筒20的向上力转化为使下封口翻盖19封口的向下力。衬筒活塞24完全进入上封口时，通过拉伸弹簧16分配约30公斤力给下封口翻盖19，使之完全压入下封口，实现压力筒体13的密封，采样完成。

Claims (1)

1.一种深海沉积物保真采样系统，其特征在于它包括如下两个部件：

框架部件：包括吊放支架(1)，中心杆(2)，框架顶盖(4)，蓄能器(7)，十字架(8)，框架撑脚(9)，吊放支架(1)与中心杆(2)上端固联，中心杆(2)穿过框架项盖(4)的中心孔能自由滑动，下端与十字架(8)固联，十字架(8)上对称安装两个蓄能器(7)和两个采样筒(6)，能随中心杆(2)相对框架顶盖(4)上下运动，蓄能器(7)与采样筒(6)间通过管路联接，框架项盖(4)与框架撑脚(9)通过铰链联接；

采样筒部件：包括小钢缆(3)，上端盖(12)，保压筒体(13)，导向筒(14)，活塞导向套(15)，拉伸弹簧(16)，弹簧下固定板(17)，挡块机构(18)，下封口翻盖(19)，衬筒(20)，下端盖(21)，刀筒(22)，插筒(23)，衬筒活塞(24)，活塞固定套(25)，细钢缆(26)；

1)保压筒体(13)是两端带法兰的厚壁圆柱筒体，与上端盖(12)和下端盖(21)分别用高强度螺栓联接；

2)导向筒(14)用螺钉固定在上端盖(12)的下端面中心支口处，起到对衬筒(20)的导向作用；导向筒(14)上部开有条形槽，活塞导向套(15)能在导向筒(14)内上下滑动；活塞导向套(15)与弹簧下固定板(17)通过四根拉伸弹簧(16)联接，弹簧下固定板(17)能在保压筒体(13)内壁上下滑动；

3)挡块机构(18)用螺钉固定在导向筒(14)的下端，突出的弹簧锁舌(27)在采样时可以挡住活塞固定套(25)外壁，防止衬筒(20)上移；

4)下封口翻盖(19)通过铰链固定在下端盖(21)上，两根细钢缆(26)一端联接下封口翻盖(19)的两边，另一端通过下端盖(21)上的圆环向上联接到弹簧下固定板(17)；下封口翻盖(19)竖立在保压筒体(13)内壁的一侧，被衬筒(20)外壁挡住；

5)衬筒活塞(24)的上端与小钢缆(3)联接，小钢缆(3)在导向筒(14)内穿过上端盖(12)的中心孔，绕过固定在框架顶盖(4)上的导向滑轮，再绕过固定在吊放支架(1)上的滑轮，固定到悬挂在吊放支架(1)下面的套钩(10)上；衬筒(20)上端与活塞固定套(25)用螺纹联接，衬筒活塞(24)被封在活塞固定套(25)内，能带动活塞固定套(25)、衬筒(20)在小钢缆(3)的牵引下一起运动；

6)刀筒(22)与下端盖(21)底部端面用螺钉固联，刀筒(22)下端与插筒(23)用螺钉联接形成花瓣撑开机构，能保证无边界干扰采样；刀筒(22)下端侧面和插筒(23)下端侧面与端面形成60°的刀口。

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