搭載于 ROV 的深海半自動沉積物保壓取樣器設(shè)計

莊廣膠，王　彪，吳　超，葛　彤

（1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2. 上海海洋大學(xué) 深淵科學(xué)與技術(shù)研究中心，上海 201306）

搭載于 ROV 的深海半自動沉積物保壓取樣器設(shè)計

莊廣膠1，王彪2，吳超1，葛彤1

（1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2. 上海海洋大學(xué) 深淵科學(xué)與技術(shù)研究中心，上海 201306）

隨著 ROV（Remotely Operated Vehicles）在大洋科考活動中應(yīng)用越來越成熟，為了運用 ROV 取得更豐富的樣品，需要針對 ROV 的特點研發(fā)專用的取樣工具?？紤] ROV 搭載的可行性和深海沉積物樣本的采集及保存需要保持取樣原點壓力的需求，設(shè)計一套 ROV 可以搭載使用的深海半自動沉積物保壓取樣器，研究其深海半自動密封、體積置換及壓力損失補償技術(shù) 3 項基本技術(shù)，并對以上技術(shù)進行計算分析和實驗驗證，結(jié)果表明該技術(shù)方案具有較好的原位保壓能力。

深海；保壓；體積置換；壓力補償；取樣器；ROV

0　引　言

深海生物圈的微生物量占全球總量的 90%。從深海檢測到的微生物與其他環(huán)境的微生物有明顯差異，具有獨特代謝途徑、信號傳導(dǎo)和防御機制，是研究早期生命過程與地球環(huán)境演化的活化石，具有無可替代的科學(xué)價值［1-3］。高壓是深海區(qū)別于其他生態(tài)系統(tǒng)的一個基本環(huán)境參數(shù)。深海微生物適應(yīng)了高壓環(huán)境，具有耐壓性甚至嗜壓性。海洋沉積物幾乎覆蓋所有的海床表面，占地球表面的 65% 以上。厚度從幾厘米到幾千米不等，平均厚度 500 m，處在平均 3 800 m 水深下［4］。在沉積物中的有機物等營養(yǎng)物質(zhì)是在海水形成并沉淀到海底，沉積物中的物質(zhì)傳遞以擴散作用為主，有明顯的化學(xué)梯度。因此，對沉積物的研究一方面能夠揭示由于過去的沉積作用下的物質(zhì)積累，另一方面能夠揭示微生物作用下的物質(zhì)轉(zhuǎn)化［5］。傳統(tǒng)的電視抓斗取樣器或拖網(wǎng)等獲得的深海沉積物，由于在回收至水面的過程中，海水的壓力不斷減少，導(dǎo)致沉積物中的深海微生物死亡，從而失去了研究的價值，因此研發(fā)海水原位沉積物保壓取樣器的需求已經(jīng)非常迫切。ROV具有在水下工作時間長、作業(yè)能力強，無作業(yè)人員人身危險等優(yōu)勢，再加上光纖技術(shù)的發(fā)展，臍帶纜中的光纖可以使操縱員及科學(xué)家實時地觀察海底的圖像［6］，因此 ROV 已經(jīng)成為大洋科考不可或缺的利器。研發(fā)ROV 可以搭載使用的深海沉積物保壓取樣器意味著可以在大洋底部靈活的、有選擇的采集沉積物樣品，從而獲得其他手段難以獲得的樣品。

1　取樣器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1常見沉積物保壓取樣器結(jié)構(gòu)

目前常規(guī)的深海沉積物保壓取樣器一般為重力式，即由水面母船釋放，設(shè)備依靠自身重量將取樣桶插入沉積物，然后通過吊放設(shè)備的吊索將取樣筒回收至保壓艙內(nèi)［7-8］。常規(guī)的深海沉積物保壓取樣器的重量在 1 t 以上，根本不適合 ROV 搭載。

1.2ROV 搭載的保壓取樣器結(jié)構(gòu)

相對于常規(guī)的沉積物保壓取樣器，ROV 搭載的保壓取樣器有以下幾個特點：重量要輕，可以利用 ROV的機械手及供電、控制接口，同時作為一個沉積物保壓取樣器，具備沉積物的采集功能和保壓存儲功能。

如圖1所示，本取樣器包括：取樣筒、保壓筒、導(dǎo)引器、封口器、蓄能器、體積置換器及主框架 3 部件，其中體積置換器位于主框架背后。

圖1　深海半自動沉積物保壓取樣器系統(tǒng)組成Fig. 1　Configuration of the deep-ocean semi-automatic sediment pressure sampler

取樣筒由 ROV 機械手抓持，目前大部分調(diào)查作業(yè)的 ROV 都會配置一個七功能的伺服機械手，可以實現(xiàn)精細且靈活的操作，機械手力量通常都在 100 kgf 以上，完全可以勝任取樣工作。取樣筒為空心筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有推塞，機械手上的觸發(fā)油缸推動推塞可以將沉積物樣品推出。保壓筒通過鉸鏈固定在主框架上，可以通過機械手操作，與主框架呈一定的角度。保壓筒筒口為內(nèi)螺紋，封口器可以將螺塞旋入保壓筒筒口，螺塞的前部為密封圈，實現(xiàn)保壓筒的密封。保壓筒上有數(shù)個接口，分別與蓄能器、體積置換器及取樣品閥口接通。導(dǎo)引器安裝在保壓筒筒口，防止沉積物附著在筒口密封位置，造成密封失效。

1.3本取樣器工作原理

取樣器的工作過程如圖2所示。取樣前，保壓筒的筒口安裝導(dǎo)引器，保壓筒筒口外翻，封口器位于高點，準備工作一般在 ROV 入水前在母船的甲板配置完成；在找到合適的取樣點后 ROV 的機械手從 ROV 的取樣籃中抓取取樣筒，插入沉積物中取得沉積物，將取樣筒的端口對準導(dǎo)引口，機械手推動推塞將樣品轉(zhuǎn)移至保壓筒內(nèi)；然后機械手拔除導(dǎo)引器；機械手操作封口器下行；水面控制臺操作封口器，將保壓筒封口密閉。

圖2　取樣器工作過程示意圖Fig. 2　Diagrammatic sketch of the sampler's working procedure

1.4保壓系統(tǒng)組成

本取樣器保壓系統(tǒng)涉及到的組成部分如圖3所示。下水準備時蓄能器充高壓氮氣壓力值達到作業(yè)深度壓力的 80%，蓄能器的活塞處于最左側(cè)，體積置換器的活塞也復(fù)位到最左側(cè)。在 ROV 到達作業(yè)海底時，蓄能器內(nèi)的氮氣會因為高壓收縮，其壓力會與外界海水壓力一致。機械手將沉積物放置到保壓筒之后，封口器開始封口。封口器在旋入的過程中，保壓筒內(nèi)的樣品和海水由于幾乎沒有可壓縮性，導(dǎo)致封口器旋入時所排開的海水必須轉(zhuǎn)移到體積置換器中，且封口器旋緊時體積置換器的活塞恰好到達最右端。在取樣器上升至海面的過程中，取樣筒外部的壓力逐漸降低，由于筒內(nèi)外的壓差會使得筒體膨脹導(dǎo)致筒內(nèi)壓力降低，此時蓄能器內(nèi)部的氮氣就會膨脹，彌補壓力損失。

圖3　保壓系統(tǒng)組成圖Fig. 3　Configuration of the pressure retention system

2　保壓性能計算

2.1保壓筒內(nèi)壓變形計算

根據(jù)壓力容器在內(nèi)壓作用下的徑向和軸向變形量便可計算保壓筒的理論體積變化量。

徑向位移為：

軸向位移為：

式中：P 為內(nèi)壓，d和D 分別為內(nèi)外徑；r 為應(yīng)力分析處半徑；L 為筒體原長；E 為筒體材料彈性模量；μ 為泊松比。

保壓筒體積變化量為：

2.2氣體壓力補償計算

為了控制保壓筒內(nèi)的壓力衰減，必須有額外的壓力控制裝置。常規(guī)的做法是給壓力筒連接一個蓄能器，利用蓄能器內(nèi)氣體體積彈性模量小、體積膨脹后壓力下降小的特點減緩保壓筒內(nèi)的壓力損失，該方法為被動式的壓力補償裝置，可以運用理想氣體狀態(tài)方程進行計算。

式中：P1為取樣點處壓力值，35 MPa；V1為取樣點處高壓氮氣室體積；T1為取樣點處海水溫度，275 K；P2為返回甲板時保壓筒內(nèi)壓力值；V2為返回甲板時高壓氮氣室體積；T2為回收至甲板溫度，293 K。

通過計算，取樣器取樣完畢回到甲板時，保壓筒內(nèi)的壓力不僅不會衰減，反而會因為周圍環(huán)境溫度的上升，導(dǎo)致高壓氮氣溫度上升，從而使氮氣室壓力上升導(dǎo)致保壓筒壓力上升，在甲板溫度 293 K（22 ℃）時，該壓力值會上升到 37 MPa。計算表明：

1）氣體壓力補償技術(shù)可有效控制保壓筒內(nèi)壓力的衰減；

2）溫度變化對保壓筒內(nèi)的壓力值影響較大。

2.3體積置換器設(shè)計

本保壓筒端蓋采用的是軸向密封，在端蓋進入保壓筒的過程中，端蓋所排開的海水沒有排泄的出口，海水的彈性模量很大，可壓縮性能非常有限，升高的保壓筒內(nèi)壓會導(dǎo)致端蓋無法進入保壓筒形成有效的密封，因此在端蓋進入保壓筒的過程中需要有排水接口將多余的海水導(dǎo)走。

根據(jù)分析的體積置換器作用，體積置換器的置換體積為保壓筒端蓋與保壓筒形成有效密封開始到保壓筒端蓋運行到最終密封位置后所排開的海水體積。由于保壓筒端蓋與保壓筒之間采用軸向密封，軸向密封的特點就是對端蓋是否精確到達最終位置無嚴格要求，因此體積置換器的置換體積取值可略小，防止保壓筒端蓋到達旋緊位置時體積置換器還有余量，導(dǎo)致壓力補償器需要補償?shù)捏w積變大引起保壓效果變差。

無論是德國行政訴訟的調(diào)解制度，還是我國現(xiàn)有的調(diào)解制度，若要制度性、系統(tǒng)性地進行構(gòu)建，都是一項重大的系統(tǒng)工程，但對于構(gòu)建調(diào)解制度中的幾個關(guān)鍵問題，應(yīng)當(dāng)結(jié)合我國當(dāng)下時代立法背景予以明確回應(yīng)。

3　實驗研究

該取樣器進行海試需要協(xié)調(diào) ROV與科考船等裝備，暫時沒有合適的實地使用機會，因此先行開展了實驗室試驗。在實驗室測試階段并不具備完全模擬海底的使用環(huán)境，而且本實驗研究的重點是取樣器的保壓效果，因此本實驗重點驗證圖2（d）-（e） ，即保壓筒封口后的保壓效果。

具體的實驗方法是將取樣器按照圖4的封口器封口之前的狀態(tài)放入深海壓力環(huán)境模擬器，采用最大模擬壓力 120 MPa、入口直徑 760 mm 深海壓力環(huán)境模擬器，將封口器的控制信號引出到深海壓力環(huán)境模擬器外面，深海壓力環(huán)境模擬器封閉加壓到 35 MPa 后，從深海環(huán)境模擬器外側(cè)控制封口器將保壓筒密封，然后將深海壓力環(huán)境模擬器壓力卸掉，取出取樣器，從測壓口測量保壓筒內(nèi)的壓力。

圖4　壓力試驗Fig. 4　Pressure test

經(jīng)實驗測試，取樣器在 35 MPa 壓力點將保壓筒密閉后，從深海壓力環(huán)境模擬器中取出后，壓力值為33.54 MPa（環(huán)境溫度 15 ℃）。由于深海壓力環(huán)境模擬器內(nèi)的溫度與環(huán)境溫度幾乎一致，因此不存在溫度引起的壓力變化，而保壓筒內(nèi)的壓力衰減值大于理論計算值 34.76 MPa。造成實際保壓壓力值大于理論計算保壓壓力的原因為以下幾點：

1）理論計算只計算了保壓筒的膨脹變形，沒有將體積置換器和蓄能器的計算進去；

2）密封圈部分在取樣點并不承受內(nèi)外壓差，但在保壓狀態(tài)確承受 35 MPa 內(nèi)外壓差，會產(chǎn)生較大的擠壓變形；

3）連接保壓筒、蓄能器和體積置換器之間的高壓軟管在巨大的內(nèi)外壓差下也會產(chǎn)生膨脹變形，從而導(dǎo)致保壓效果下降。

實驗的第二部分是研究溫度對保壓效果的影響。將取樣器放置于水槽中，通過向水中添加冰塊獲得低于環(huán)境溫度的水溫；采用加熱設(shè)備獲得高于環(huán)境溫度的水溫，從而調(diào)整置于水中的取樣器的溫度，取樣器的保壓壓力隨溫度的變化情況如表1所示。

表1　取樣器保壓壓力隨溫度變化情況Tab. 1　The sampler's pressure changed with temperature

從表格中的數(shù)據(jù)可看出，實驗值的變化趨勢基本與計算值一致。但實驗值與計算值有一定的差別，原因最主要的是溫度的控制，水槽的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用的是簡易的措施，很難長時間維持在穩(wěn)定的溫度值，導(dǎo)致測試點的溫度值與目標(biāo)溫度值有一定的偏差；此外，在超高壓下，氣體也不再嚴格遵守理想氣體的狀態(tài)方程，在體積恒定的情況下，氣體的壓力和氣體的溫度不是簡單的線性關(guān)系；選用的高精度壓力測量傳感器本身也有 0.05% 的測量誤差。

4　結(jié)　語

本取樣器在 3 500 m 典型深度值下采集的沉積物樣品，回到常壓狀態(tài)下，若溫度不變，取樣器保壓值與采樣點壓力值會有 1.22 MPa 的衰減；溫度每變化 1 ℃，壓力值相應(yīng)變化約 0.12 MPa。沉積物中的深海微生物雖然嗜壓，對范圍不大的壓力波動卻并不敏感。因此本取樣器的保壓設(shè)計是可靠的，滿足深海沉積物中微生物保壓的采集需求。

［1］趙昌會， 葉德贊， 魏文鈴. 深海微生物的研究進展［J］. 微生物學(xué)通報， 2006， 33（3）： 142-146. ZHAO Chang-hui， YE De-zan， WEI Wen-ling. Research on deep-sea microbiology［J］. Microbiology， 2006， 33（3）： 142-146.

［2］王鵬， 肖湘， 王風(fēng)平. 西太平洋暖池區(qū)深海沉積物細菌群落結(jié)構(gòu)分析［J］. 同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2009， 37（3）： 404-409. WANG Peng， XIAO Xiang， WANG Feng-ping. Phylogeny of bacteria in deep-sea sediments from West Pacific warm pool［J］. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2009， 37（3）：404-409.

［3］陳秀蘭， 張玉忠， 高培基. 深海微生物研究進展［J］. 海洋科學(xué)，2004， 28（1）： 61-66. CHEN Xiu-lan， ZHANG Yu-zhong， GAO Pei-ji. Progress in deep-sea microbiology［J］. Marine Sciences， 2004， 28（1）： 61-66.

［4］FRY J C， PARKES R J， CRAGG B A， et al. Prokaryotic biodiversity and activity in the deep subseafloor biosphere［J］. FEMS Microbiology Ecology， 2008， 66（2）： 181-196.

［5］張宇， 肖湘. 深海微生物的研究與開發(fā)［J］. 生命科學(xué)， 2012，24（9）： 986-990. ZHANG Yu， XIAO Xiang. Research and development on deep sea microbiology［J］. Chinese Bulletin of Life Sciences， 2012，24（9）： 986-990.

［6］陳宗恒， 盛堰， 胡波. ROV在海洋科學(xué)科考中的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用［J］. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2014（21）： 3-4. CHEN Zong-heng， SHENG Yan， HU Bo. The ROV development present situation and the application in marine science research［J］. Science and Technology Innovation， 2014（21）： 3-4.

［7］李世倫， 程毅， 秦華偉， 等. 重力活塞式天然氣水合物保真取樣器的研制［J］. 浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）， 2006， 40（5）： 888-892. LI Shi-lun， CHENG Yi， QIN Hua-wei， et al. Development of pressure piston corer for exploring natural gas hydrates［J］. Journal of Zhejiang University （Engineering Science）， 2006，40（5）： 888-892.

［8］張慶力， 劉貴杰， 劉國營. 新型海底沉積物采樣器結(jié)構(gòu)設(shè)計及采樣過程動態(tài)分析［J］. 海洋技術(shù)， 2009， 28（4）： 20-23. ZHANG Qing-li， LIU Gui-jie， LIU Guo-ying. The structural design and dynamic analysis of collecting process of new type seabed sampler［J］. Ocean Technology， 2009， 28（4）： 20-23.

Development of a deep-ocean semi-automatic sediment pressure sampler for ROV application

ZHUANG Guang-jiao1， WANG Biao2， WU Chao1， GE Tong1
（1. School of Naval Architecture， Ocean and Civil Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China；2. Shanghai Engineering Research Centre of Hadal Science and Technology， Shanghai Ocean University， Shanghai 201306， China）

As ROVs （Remote Operated Vehicles） used in ocean research activities are more and more mature， sampling tools specially designed for ROV application are needed to obtain rich varieties of deep-ocean samples. Considering the ROV's feasibility and the requirement of pressure retention for deep-ocean sediment sample collection and preservation， a deep-ocean semi-automatic sediment pressure sampleris developed. This paper focuses on three basic technologies of the sampler： deep-ocean semi-automatic sealing， volume displacement and pressure loss compensation. Computational analysis and experiment results indicate the effectiveness of the ROV sampler design.

deep-ocean；pressure retention；volume displacement method；pressurecompensation；sampler；ROV

U674.941；U672.74

A

1672-7619（2016）09-0108-04

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.09.022

2016-02-25；

2016-03-17

中國大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)協(xié)會資助項目（DY125-21-Js-06）

莊廣膠（1986-），男，講師，研究方向為水下機器人技術(shù)。