深海沉积物无扰动保压取样技术的研究

论文摘要

海底表层沉积物中含有甲烷、H2S、H2等溢出性气体和大量的嗜压型微生物,如果不能实现保真取样,很容易造成沉积物样品中气相溶解成分的散失以及嗜压型微生物的死亡,所以沉积物保真取样设备必须要求能够保持长时间的原位点压力。此外,以前的深海沉积物保真取样设备在采样过程中对沉积物产生的扰动较大,影响了所采集样品的真实性和可信度,对样品的后期处理和研究带来偏离和误导。本文通过对海底沉积物保压取样设备在采样前和采样过程中所可能出现的扰动进行分析,研究能够在全程视频监视下,采集到无扰动样品的沉积物高保压取样设备。全文共分六章。第一章介绍了海底表层沉积物取样技术的应用和保真取样概念,并分析了深海保真取样设备在国内、外的发展状况;最后阐述了本课题研究的目的、意义和主要研究内容。第二章主要对取样管采样的驱动方式进行研究,在此基础上提出采用压力适应型液压油源的驱动方式;最后,对压力补偿技术进行了研究和仿真,以达到降低压力变化的目的,提高液压驱动装置的可靠性,最终实现降低取样过程中的样品形状扰动。第三章首先分析了能够降低样品扰动的衬筒结构,要获得接近原始状态的沉积物样品,必须研究如何实现保压的问题,本章主要研究了保压筒密封保存样品的技术以及在取样器回到海平面后的压力补偿技术。第四章主要分析和研究取样器机械结构对样品扰动的影响,保压取样器主要由多级油缸、保压筒、样品衬筒和双球阀四部分构成,其中保压筒的密封可靠、耐压稳定是实现保真取样的关键,对保压取样器的各个关键部分进行了结构设计,特别是多级油缸和双球阀的设计。另外对压力简体进行了应力分析,验证根据筒体壁厚设计准则设计的高压筒体的应力状态。第五章对无扰动保压采样装置进行了总体结构优化设计,合理布置各项装置,尽量减少了取样器的横截面积,以避免取样器在着底过程中产生的压力波效应,扰动表层沉积物,使之更适合深海采样。第六章对全文进行了总结,重申了本文的创新点,并展望了进一步工作的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 沉积物取样技术的应用
• 1.1.1 背景
• 1.1.2 保真取样技术
• 1.2 国内外深海保真取样设备的发展
• 1.2.1 PCS保压取芯器
• 1.2.2 PCB保压取样筒
• 1.2.3 HYACE系统
• 1.2.4 国内沉积物取样技术
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 课题的主要研究内容
• 第2章 驱动方式降低样品扰动的技术研究
• 2.1 取样管驱动方式研究
• 2.1.1 机械释放机构驱动（利用重力取样）
• 2.1.2 静水压能驱动
• 2.1.3 压力适应型液压系统驱动
• 2.2 压力补偿技术研究
• 2.2.1 压力补偿装置
• 2.2.2 基于Matlab/simulink的压力补偿仿真
• 2.3 本章小结
• 第3章 保压方式降低样品扰动的技术研究
• 3.1 降低样品扰动的衬筒结构研究
• 3.1.1 带花瓣的取样衬筒结构
• 3.1.2 无扰动衬筒设计
• 3.2 样品的密封保存技术研究
• 3.2.1 样品取样过程
• 3.2.2 上端口密封结构
• 3.2.3 下封口密封结构
• 3.3 保压方式研究
• 3.3.1 保压原理
• 3.3.2 保压筒体积变化量
• 3.3.3 蓄能器类型选择
• 3.3.4 蓄能器补偿压力计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 取样器机械结构降低样品扰动的技术研究
• 4.1 保压取样器结构
• 4.2 保压筒体设计
• 4.2.1 材料的选择
• 4.2.2 保压筒体壁厚计算
• 4.2.3 保压筒应力仿真
• 4.3 衬筒活塞设计
• 4.3.1 单向阀设计
• 4.3.2 活塞上部设计
• 4.3.3 活塞下端设计
• 4.4 多级液压缸设计
• 4.4.1 液压缸型式的确定
• 4.4.2 液压缸的固定
• 4.4.3 液压缸的结构设计
• 4.4.4 液压缸工作过程分析
• 4.4.5 液压缸仿真分析
• 4.5 双球阀设计
• 4.5.1 双球阀结构
• 4.5.2 球阀计算
• 4.5.3 球体应力仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 无扰动取样设备总体结构研究
• 5.1 无扰动取样系统总体结构设计
• 5.1.1 机械触发原理取样系统的扰动分析
• 5.1.2 无扰动保压取样系统总体结构优化设计
• 5.2 本章小结
• 第6章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 主要创新点
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间参与的科研项目以及所获奖励
• 致谢