CN209795762U - 第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，包括作业船及搭载在作业船上的静力触探单元，所述静力触探单元包括安装框架、贯入单元、控制舱和液压单元，贯入单元和液压单元均与控制舱电连接，本方案利用作业船搭载测试设备，将静力触探单元搭载在特定结构的作业船上，基于双缆绳吊装架，通过船体中心月池进行设备布放与回收，显著提高了滩浅海环境下沉积物强度检测作业的效率及安全性，并在月池盖板上完成部分探杆的连接与拆卸，触探深度可达20米；对探杆升降控制时采用液压缸驱动滑轮组合的行程放大机构设计，降低了设备的整体高度，提高了设备在海底的稳定性，能够有效提高工程勘察的质量与精度，经济效益明显，使海洋工程地质评价勘测周期也大为缩短。

Description

第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置

技术领域

本实用新型涉及海洋地质勘探领域，具体涉及一种第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置。

背景技术

滩浅海主要指20米水深范围以浅的沿海滩涂、潮间带和浅海地带，滩浅海区域不仅是中国石油勘探开发的重要阵地，也是国家海防设施部署的战略营地，具有重要的科研、经济与军事价值，准确快速获取工作区域的强度尤为重要。

目前沉积物强度的测试通常是通过打钻获得样品进行室内测试来获得的，工作周期长，测试精度低。静力触探技术作为获取沉积物强度的有效手段，目前被广泛应用于陆地和海洋。但是，现有的水下静力触探设备涉及的仪器体积和重量较大，必须用大船进行装载，仅适用于深海的海底工程地质勘查，在滩浅海区域很少应用。

如授权公告号为【CN101838981B】发明专利公开一种水下岩土触探设备及水下岩土勘探方法，提出了一种可在不同尺度深水中进行岩土工程勘测的水下岩土静力触探设备以及采用该设备的水下岩土勘探方法，在一定程度上解决了海底强度原位测试时触探设备可移植性差的问题，但该方法涉及的仪器体积大，重量大，必须用大船进行装载，仅适用于深海的海底工程地质勘查；另外，授权公告号为【CN103144751B】的发明专利公开一种滩浅海沉积物强度原位检测装置及方法，可以实现滩浅海沉积物强度的原位测试，但其在具体工作时，是利用船在水中拖动原位测试设备，测试设备独立于船直接在水面上借助浮力生消装置工作，而且需要工作人员在装置上部控制探杆运行，安全性较差。

实用新型内容

本实用新型提出一种第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，以实现在滩浅海区域高效、准确、安全的工作，从而获得滩浅海区域沉积物的强度，大大减少海洋工程勘察中钻孔的数量，提高工程勘察的质量与精度，经济效益明显，使海洋工程地质评价勘测周期也大为缩短。

本实用新型是采用以下的技术方案实现的：第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，包括作业船以及静力触探单元，所述作业船用以在滩浅海区域自由航行、且前后抛锚后可静止于海面，并实现对所述静力触探单元的搭载、布放、稳定和回收；所述作业船包括船体、月池和起吊装置所述月池设置在船体前甲板，月池上设置有盖板，用以放置静力触探单元，所述起吊装置设置在月池的上方，双缆起吊，并配置缆绳导向，可防止设备打转并限制设备通过月池口时的平移；

所述静力触探单元用以实现对沉积物的强度测试，包括安装框架、贯入单元、控制舱和液压单元，所述贯入单元和液压单元与控制舱电连接，所述液压单元用以为贯入单元提供动力，所述贯入单元包括探杆及探杆升降机构，探杆升降机构与探杆相连，并在控制舱控制下实现探杆的上下移动；

所述探杆升降机构包括滑轮机构和贯入油缸，所述滑轮机构包括升降框架、滑轮组和传动钢缆，所述滑轮组包括固定设置在升降框架上部的第一定滑轮、设置在升降框架下部的第二定滑轮以及设置在第一定滑轮和第二定滑轮之间的两组动滑轮，升降框架的两侧设置有滑槽，所述动滑轮可沿所述滑槽上下运动，第一定滑轮与其中一组动滑轮之间通过第一传动钢缆相连，第二定滑轮与另一组动滑轮之间通过第二传动钢缆相连；

所述升降框架上还设置有滑轨以及沿所述滑轨上下滑动的导向板，导向板上设置有上夹持气缸，升降框架的下方设置有下夹持气缸，所述上夹持气缸和下夹持气缸用以夹持所述探杆；且第一传动钢缆的一端固定，另一端与导向板的上侧相连，第二传动钢缆的一端固定，另一端与导向板的下侧相连。

进一步的，所述船体采用流线型结构设计，包括第一水下船体和第二水下船体，第一水下船体和第二水下船体沿作业船长度方向左右对称设置，第一水下船体和第二水下船体通过加强架构相连，整个船体采用独特的流线型设计在两个分离的水下船体上部用加强构架连接成一个整体的“船舶”的“双体结构”使其具有一定的抗风能力，能够在一级至三级海况下正常作业，在水深小于1m的潮滩环境下，作业船可用拖车拖动，至目标点，水深大于1m的环境，平台可直接开至目标点，开展沉积物强度原位检测。

进一步的，所述船体长20m，宽6m，中间月池尺寸为2.2m×2m，作业船排水量为20吨，吃水1m，特殊的设计以满足滩浅海原位检测需求。

进一步的，所述第一定滑轮、第二定滑轮和动滑轮的数量均为两组，且两组第一定滑轮和两组第二定滑轮均水平设置，两组动滑轮上下设置，采用液压驱动滑轮组合的行程放大机构，降低了设备的整体高度，提高了设备在海底的稳定性，最大贯入深度可达20m。

进一步的，所述安装框架整体外形设计为六棱柱框架结构，安装框架的侧壁上设有多个通孔，安装框架的整体高度不大于1500mm，更适合滩浅海特殊的工程地质环境，以保障设备整体稳定性。

进一步的，所述安装框架的底部对应的设置有多根锚杆，在设备座底后锚杆贯入沉积物进行固定，以防止设备在作业时移动，为方便下放，在安装框架的顶部还设置有吊环，用于与固定龙门式绞车上的缆绳相连。

进一步的，所述静力触探单元还包括控制舱以及与控制舱电连接的传感器单元和动力电池舱，所述传感器单元包括用以检测静力触探单元下放姿态的姿态传感器和高度计，以及检测探杆贯入状态的位移传感器和压力传感器，所述动力电池舱用以为整个装置提供动力电源。

进一步的，所述安装框架上还设置有与控制舱电连接的摄像照明装置，所述摄像照明装置包括摄像机和照明系统，摄像机和照明系统的角度均可调。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

本实用新型利用作业船搭载测试设备，将静力触探设备搭载在特定结构的作业船上，行船速度大大提升，有效提高了滩浅海环境下沉积物强度检测作业的效率；基于双缆绳吊装架，通过船体中心月池进行设备布放与回收，并在月池盖板上完成部分探杆的连接与拆卸，进一步提高静力触探作业的安全性；

对探杆升降控制时采用液压缸驱动滑轮组合的行程放大机构，降低了设备的整体高度，提高了设备在海底的稳定性，触探深度可达20米，有效提高工程勘察的质量与精度，经济效益明显，使海洋工程地质评价勘测周期也大为缩短。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述作业船及静力触探单元的结构示意图；

图2为本实用新型实施例所述静力触探单元的整体结构示意图；

图3为图2中去掉安装框架后的静力触探单元的前视结构示意图；

图4为图2中去掉安装框架后的静力触探单元的后视结构示意图；

图5为本实用新型实施例所述探杆升降机构的原理示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，如图1所示，包括作业船以及静力触探单元，所述作业船一方面用于在滩浅海区域自由航行，另一方面用于搭载、布放、稳定和回收静力触探单元，且作业船前后抛锚后可静止于海面；

所述作业船为小型双体船，包括船体100、月池102、驾驶室104和起吊装置103等，从图1可以看出，所述船体包括第一水下船体1001和第二水下船体1002，第一水下船体1001和第二水下船体1002沿作业船长度方向左右对称设置，且第一水下船体1001和第二水下船体1002通过加强架构相连，月池102位于船体前甲板，主要用于放置静力触探单元105，月池102上配盖板，用时打开，不用时关闭，起吊装置103设置在月池102上方，采用固定龙门式绞车，双缆起吊，配置缆绳导向，可防止设备打转并限制设备通过月池口时的平移，起吊能力2吨；船体设计长20m，宽6m，排水量20吨，吃水1m，该作业船具备前后抛锚后水面静止的能力，中间月池尺寸为2.2m×2m，且该作业船的船载发电机可提供380V/50Hz，不小于8kw系统用电；船体发动机采用汽油或柴油发动机，设计船速5节。整个船体采用独特的流线设计，并在两个分离的水下船体上部用加强构架连接成一个整体的“船舶”的“双体结构”使其具有一定的抗风能力，能够在一级至三级海况下正常作业，在水深小于1m的潮滩环境下，作业船可用拖车拖动，至目标点位开展沉积物强度原位检测。

所述静力触探单元主要用于对沉积物的强度进行测试，包括安装框架200、贯入单元、控制舱220和液压单元，所述贯入单元和液压单元与控制舱电连接，所述液压单元用以为贯入单元提供动力；如图2-4所示，所述安装框架200整体外形设计为六棱柱框架结构，以提高机体框架稳定性，所述安装框架200的顶部设置有吊环203，可用于与固定龙门式绞车上的缆绳相连，安装框架的底部对应设置有6根锚杆(图中未示意)，在设备座底后锚杆贯入沉积物，可防止设备在作业时移动，根据设备的探测深度要求及控制舱和液压单元等部件的结构，安装框架尺寸拟设计为：1740mm(对角)×1450mm(对边)，其总体高度为1500mm，另外，在安装框架上还设置有与控制舱电连接的摄像照明装置，所述摄像照明装置包括摄像机218和照明系统219，摄像机和照明系统的角度均可调。

继续参考图3和图4，所述贯入单元包括探杆202和探杆升降机构，所述探杆202的下方设置有探头201，所述探杆升降机构与探杆202相连，并在控制舱控制下实现探杆202的上下移动；所述探杆升降机构包括滑轮机构和贯入油缸211，所述滑轮机构包括升降框架205、滑轮组和传动钢缆，探杆通过一导向套204设置在升降框架上；所述滑轮组包括固定设置在升降框架205上部的第一定滑轮206、设置在升降框架205下部的第二定滑轮207以及设置在第一定滑轮206和第二定滑轮207之间的两组动滑轮208，升降框架205的两侧设置有滑槽209，所述动滑轮208可沿所述滑槽209上下运动，第一定滑轮206与其中一组动滑轮之间通过第一传动钢缆210相连，第二定滑轮207与另一组动滑轮之间通过第二传动钢缆212 相连；

所述升降框架205上还设置有滑轨213以及沿所述滑轨213上下滑动的导向板214，导向板214上设置有上夹持气缸215，升降框架205的下方设置有下夹持气缸216，所述上夹持气缸215和下夹持气缸216用以夹持所述探杆202；且第一传动钢缆的一端固定，另一端与导向板214的上侧相连，第二传动钢缆的一端固定，另一端与导向板214的下侧相连。

所述贯入单元的工作原理如图5所示，且本实施例中，所述第一定滑轮206、第二定滑轮207和动滑轮208的数量均为两组，且两组第一定滑轮206和两组第二定滑轮207均水平设置，两组动滑轮208上下设置，探杆贯入时，贯入油缸活塞杆伸出，通过传动钢缆和整个滑轮组带动导向板向下运动，固定在导向板上的夹持机械手带动探杆缓慢匀速插入沉积物中，插入深度由位移传感器测量，探杆上提时，油缸活塞杆缩回，导向板向上运动，即可将探杆提出沉积物，探杆升降机构采用液压缸驱动滑轮组合的行程放大机构，降低了设备的整体高度，提高了设备在海底的稳定性。

所述控制舱包括耐压密封舱和相关控制电路，主要用于控制探杆的上下行动作和供电切换，并实现采集、控制信号与作业船甲板显控单元的实时通信，所述静力触探单元还包括与控制舱电连接的传感器单元和动力电池舱，所述传感器单元包括用以检测静力触探单元下放姿态的姿态传感器和高度计以及检测探杆202贯入状态的位移传感器和压力传感器，所述动力电池舱用以为整个装置提供动力电源。密封舱针对不同的水下耐压部件功能要求，采用适当的耐压结构和密封设计，对动力电池舱采用压力补偿自平衡设计，对水下电子设备采用耐压壳体式承载结构；控制电路以微处理器为信息处理控制中心，通过电缆及水密接插件与相应传感器、控制对象连接，完成对上位机动作指令的执行，并完成水下模拟量、数字量和频率信号的采集、存储和上传，本设计采用以STM32F103型单片机为核心的嵌入式技术完成水下实时测控电路的设计。

所述液压单元主要用于实现锚杆及探杆的贯入，包括深水直流电机和液压泵，控制舱发出指令控制各电磁阀完成设备工作，液压单元的压力传感器测量的系统压力可以用来计算贯入力，贯入油缸的位移传感器及探杆位移传感器测量的参数，可检测探杆下插深度，当探杆下插到设定深度或工作压力时，由作业船的甲板操纵平台根据当前检测的参数进行分析处理并下发下一步操作指令，直至全部工作完成。

另外，本实用新型中，所述作业船和静力触探设备的形状设计也可采用其他结构形式，同样达到本实用新型目的，并完成沉积物强度原位检测的情况亦属于本实用新型的专利的保护范围。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于，包括作业船以及静力触探单元(105)，所述作业船在滩浅海区域自由航行、且前后抛锚后可静止于海面，并实现对所述静力触探单元(105)的搭载、布放、稳定和回收；所述作业船包括船体(100)、月池(102)和起吊装置(103)，所述月池(102)设置在船体前甲板，月池(102)上设置有盖板，用以放置静力触探单元(105)，所述起吊装置(103)设置在月池的上方，双缆起吊，并配置缆绳导向；

所述静力触探单元(105)用以实现对沉积物的强度测试，包括安装框架(200)、贯入单元、控制舱(220)和液压单元，所述贯入单元和液压单元与控制舱电连接，所述液压单元用以为贯入单元提供动力，所述贯入单元包括探杆(202)及探杆升降机构，探杆升降机构与探杆(202)相连，并在控制舱控制下实现探杆(202)的上下移动；

所述探杆升降机构包括滑轮机构和贯入油缸(211)，所述滑轮机构包括升降框架(205)、滑轮组和传动钢缆，所述滑轮组包括固定设置在升降框架(205)上部的第一定滑轮(206)、设置在升降框架(205)下部的第二定滑轮(207)以及设置在第一定滑轮(206)和第二定滑轮(207)之间的两组动滑轮(208)，升降框架(205)的两侧设置有滑槽(209)，所述动滑轮(208)可沿所述滑槽(209)上下运动，第一定滑轮(206)与其中一组动滑轮之间通过第一传动钢缆(210)相连，第二定滑轮(207)与另一组动滑轮之间通过第二传动钢缆(212)相连；

所述升降框架(205)上还设置有滑轨(213)以及沿所述滑轨(213)上下滑动的导向板(214)，导向板(214)上设置有上夹持气缸(215)，升降框架(205)的下方设置有下夹持气缸(216)，所述上夹持气缸(215)和下夹持气缸(216)用以夹持所述探杆(202)；且第一传动钢缆的一端固定，另一端与导向板的上侧相连，第二传动钢缆的一端固定，另一端与导向板的下侧相连。

2.根据权利要求1所述的第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于：所述船体(100)采用流线型结构设计，包括第一水下船体(1001)和第二水下船体(1002)，第一水下船体(1001)和第二水下船体(1002)沿作业船长度方向左右对称设置，第一水下船体(1001)和第二水下船体(1002)通过加强架构相连。

3.根据权利要求2所述的第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于：所述船体(100)长20m，宽6m，中间月池(102)尺寸为2.2m×2m，作业船排水量为20吨，吃水1m。

4.根据权利要求1所述的第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于：所述第一定滑轮(206)、第二定滑轮(207)和动滑轮(208)的数量均为两组，且两组第一定滑轮(206)和两组第二定滑轮(207)均水平设置，两组动滑轮(208)上下设置。

5.根据权利要求1所述的第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于：所述安装框架(200)整体外形设计为六棱柱框架结构，安装框架(200)的侧壁上设有多个通孔，且安装框架(200)的整体高度不大于1500mm。

6.根据权利要求5所述的第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于：所述安装框架(200)的底部对应的设置有多根锚杆，在沉放到海底后以对安装框架进行固定，安装框架(200)的顶部还设置有吊环(203)。

7.根据权利要求1所述的第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于：所述静力触探单元(105)还包括与控制舱电连接的传感器单元和动力电池舱(217)，所述传感器单元包括用以检测静力触探单元下放姿态的姿态传感器和高度计以及检测探杆(202)贯入状态的位移传感器和压力传感器，所述动力电池舱用以为整个装置提供动力电源。

8.根据权利要求1所述的第二代滩浅海沉积物强度原位检测装置，其特征在于：所述安装框架(200)上还设置有与控制舱电连接的摄像照明装置，所述摄像照明装置包括摄像机(218)和照明系统(219)，摄像机(218)和照明系统(219)的角度均可调。