全海深宏生物保壓采樣-培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

劉廣平 金永平 彭佑多 劉德順 萬步炎

湖南科技大學(xué)海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程試驗(yàn)室，湘潭，411201

0 引言

全球海洋總面積約占地球總表面積的71%，深海海底貯存大量生物群落，對這些深海海底生物進(jìn)行科學(xué)研究，是人類認(rèn)識和研究海洋生命演化和海底環(huán)境的重要手段[1-3]。深海生物長期生活在高靜水壓力、低溫、高濃度無機(jī)物和低有機(jī)碳含量環(huán)境下，這一特殊環(huán)境使得深海生物在被現(xiàn)有的生物采集裝置采集返回水面過程中，由于外部壓力的降低以及外部溫度的升高而無法存活，這對生物的精確研究產(chǎn)生極大的影響[4-6]。

目前國內(nèi)外學(xué)者在生物采樣方面做了一些研究工作，BILLINGS等[7]研制了一種SyPRID深海生物采樣器，該深海宏生物采樣器作業(yè)水深為6000 m，是一個成對系統(tǒng)，每個深海宏生物采樣器采用管內(nèi)管設(shè)計(jì)，深海宏生物采樣器總長為3.11 m，入口處呈喇叭形，直徑為0.71 m，可進(jìn)行兩次重復(fù)或兩次獨(dú)立生物采樣。PEOPLES等[8]研制了一種新的著陸器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在全海深環(huán)境下進(jìn)行采樣，采用模塊化設(shè)計(jì)，著陸器上可布置用于收集大型動植物、水、拍攝視頻、圖像的儀器和一個保壓深海生物采樣器。WANG等[9]提出一種電機(jī)驅(qū)動式活塞保壓采樣器，通過在活塞上放置餌料誘捕海底生物，利用電機(jī)控制活塞運(yùn)動使深海生物進(jìn)入采樣器內(nèi)，在回收過程中通過壓力補(bǔ)償器補(bǔ)償采樣器內(nèi)部的壓力損失。

深海生物采集完成后，需要對其進(jìn)行轉(zhuǎn)移和培養(yǎng)。深海生物培養(yǎng)釜是一種用于模擬深海生物生活環(huán)境的裝置，是結(jié)合深海生物研究和現(xiàn)代生命科學(xué)研究成果的重要紐帶，可實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室模擬深海環(huán)境下培養(yǎng)、觀測和分析深海生物[10-13]。美國Hawaii大學(xué)開發(fā)的深海微生物采集培養(yǎng)釜不僅可以對深海微生物進(jìn)行采樣，而且還可以進(jìn)行培養(yǎng)；KIM等[14]開發(fā)的深海大型生物培養(yǎng)釜具有觀測窗結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時觀測功能，高壓流動體系設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高壓在線加氣加液等；MCNICHOL等[15]開發(fā)了一套熱液管狀蠕蟲培養(yǎng)釜，該系統(tǒng)具有流動體系的特點(diǎn)，可以進(jìn)行海水和氣體交換，同時該培養(yǎng)釜還有一套PIRISM觀測系統(tǒng)，可以將所培養(yǎng)的管狀蠕蟲幼體導(dǎo)入到熒光顯微鏡下進(jìn)行高壓在線觀測；PEOPLES等[16]研制的流動式船載深海微生物培養(yǎng)釜可以模擬深海極端環(huán)境培養(yǎng)微生物，可實(shí)現(xiàn)壓力和溫度自動控制。然而，上述培養(yǎng)釜工作壓力在30～70 MPa以內(nèi)，培養(yǎng)對象大部分為深海微生物，且不可實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控培養(yǎng)釜內(nèi)部情況并及時調(diào)整。因此，為了在實(shí)驗(yàn)室原位培養(yǎng)深海宏生物，應(yīng)考慮以下四個方面：①保證壓力、溫度控制精度高，以避免培養(yǎng)釜內(nèi)壓力波動大而影響深海宏生物活性；②培養(yǎng)釜筒體應(yīng)一直處在超高壓狀態(tài)下，確保培養(yǎng)釜筒體耐壓強(qiáng)度高；③可實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)釜內(nèi)的水和生物排泄物無壓降轉(zhuǎn)移；④培養(yǎng)釜的加工材料不應(yīng)對深海生物培養(yǎng)造成污染。因此本文提出了一種全海深宏生物保壓采樣-培養(yǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可搭載在著陸器和潛水器上對全海深環(huán)境下的宏生物進(jìn)行保壓采樣；同時詳細(xì)介紹了在等壓模式下進(jìn)行深海宏生物樣品轉(zhuǎn)移原理和試驗(yàn)過程，設(shè)計(jì)了一種深海宏生物保真培養(yǎng)釜，能夠?qū)崿F(xiàn)深海宏生物的原位培養(yǎng)和實(shí)時監(jiān)測。

1 保壓采樣-培養(yǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

全海深宏生物保壓采樣-培養(yǎng)系統(tǒng)由全海深宏生物保壓采樣器和全海深宏生物保真培養(yǎng)釜兩部分組成。其中全海深宏生物保壓采樣器用于獲取全海深環(huán)境下的宏生物樣品，全海深宏生物保真培養(yǎng)釜用于對所取回的全海深宏生物樣品進(jìn)行保真培養(yǎng)。

1.1 全海深宏生物保壓采樣器

全海深宏生物保壓采樣器結(jié)構(gòu)如圖1所示，采樣器主要由保壓筒、出入口密封機(jī)構(gòu)、壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)和餌料補(bǔ)給機(jī)構(gòu)組成。

(a)整體圖

(b)結(jié)構(gòu)圖圖1 全海深宏生物保壓采樣器結(jié)構(gòu)圖

出入口密封機(jī)構(gòu)由閥蓋、閥體、扭簧組成，閥蓋在扭簧的帶動下可以實(shí)現(xiàn)開閉動作，用于對采樣器出入口端密封。保壓筒用于對采集的深海宏生物進(jìn)行保壓，保壓筒筒體材料采用TC4鈦合金，具有強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕等特點(diǎn)，保壓筒入口端設(shè)有止返器，止返器有兩個功能，一是用來防止采樣過程中生物逃逸，二是用來驅(qū)趕生物轉(zhuǎn)移。壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)由活塞、端蓋、高壓筒組成，通過預(yù)充一定量的氮?dú)鈱?shí)現(xiàn)對保壓筒回收過程的壓降進(jìn)行補(bǔ)償。齒輪開閉機(jī)構(gòu)用于在超高壓下控制出口密封機(jī)構(gòu)開閉，通過調(diào)節(jié)壓力使齒條桿帶動出口閥蓋的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)采樣器在超高壓力下轉(zhuǎn)移生物樣品。轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)移手柄、轉(zhuǎn)移桿、齒輪組成，通過轉(zhuǎn)動手柄帶動止返器在轉(zhuǎn)移桿上移動，從而驅(qū)趕保壓筒內(nèi)的生物轉(zhuǎn)移。餌料補(bǔ)給機(jī)構(gòu)由端蓋、筒體、壓縮彈簧、活塞、單向閥和單向閥控制桿組成，通過彈簧帶動活塞擠壓餌料包，餌料從單向閥流入保壓筒內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對深海生物的誘捕和營養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)給。全海深宏生物保壓采樣器安裝在支撐架上，支撐架長為700 mm，寬為300 mm，高為160 mm。

1.2 全海深宏生物保真培養(yǎng)釜

圖2為全海深宏生物保真培養(yǎng)釜結(jié)構(gòu)圖。該培養(yǎng)釜具有以下特點(diǎn)：①可模擬0～110 MPa的壓力和0～4 ℃的低溫環(huán)境；②可實(shí)時監(jiān)控培養(yǎng)釜內(nèi)的工作環(huán)境，并具有視頻傳輸功能；③采用由內(nèi)向外的密封機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)超高壓環(huán)境下的可靠密封；④可以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)釜內(nèi)的水和生物排泄物無壓降轉(zhuǎn)移。

圖2 深海宏生物保真培養(yǎng)釜結(jié)構(gòu)

深海宏生物培養(yǎng)釜由五部分組成：

(1)保壓系統(tǒng)，它由保壓筒體、端蓋等組成。保壓筒體與端蓋通過16個直徑為160 mm的螺栓連接，保壓筒體內(nèi)徑為420 mm，筒體高度為1170 mm。端蓋上設(shè)有通孔，用于視頻、通信、照明和其他物理接口。

(2)加壓系統(tǒng)，它由加壓泵、高壓閥、壓力表和壓力傳感器等組成。壓力傳感器實(shí)時監(jiān)測培養(yǎng)釜內(nèi)的壓力，通過加壓泵與高壓閥連接，可以控制整個系統(tǒng)壓力，調(diào)壓范圍為0～150 MPa。

(3)制冷系統(tǒng)，它由制冷機(jī)、冷凝管、溫度傳感器等組成。溫度傳感器實(shí)時監(jiān)測培養(yǎng)釜內(nèi)的溫度，通過控制器控制制冷機(jī)的功率，從而控制整個系統(tǒng)溫度，調(diào)溫范圍為0～4 ℃。

(4)支撐調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它由電機(jī)、減速器、齒輪機(jī)構(gòu)等組成。當(dāng)生物取樣器從海底取樣完成時，需要將樣品轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)釜內(nèi)，為了能夠充分地轉(zhuǎn)移，通過控制器控制電機(jī)使齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，從而帶動培養(yǎng)釜轉(zhuǎn)動，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移、培養(yǎng)和排水等動作，轉(zhuǎn)動角度范圍為0～180°。

(5)監(jiān)控系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)、控制器、高壓相機(jī)及高壓燈等。通過高壓相機(jī)和高壓燈可以實(shí)時觀測培養(yǎng)釜內(nèi)生物生活狀態(tài)，通過計(jì)算機(jī)和控制器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸和監(jiān)測等功能。

1.3 保壓采樣-培養(yǎng)工作原理

深海宏生物保壓采樣的工作原理如圖3所示，其中保壓采樣分為下放、捕獲、回收三個過程。

圖3 全海深宏生物保壓采樣的工作原理

(1)下放。深海宏生物采樣器各零部件集成完后安裝在著陸器上。著陸器下放前，打開出入口翻板密封閥并通過觸發(fā)桿對其限位。通過充氣閥向壓力補(bǔ)償器內(nèi)預(yù)充一定量氮?dú)?，使活塞處在壓力補(bǔ)償器底端。餌料包放置在餌料筒活塞頂部，餌料筒上的單向閥通過觸發(fā)桿打開，彈簧處于壓縮狀態(tài)。出入口翻板密封閥和餌料筒上的觸發(fā)桿通過著陸器上的觸發(fā)繩連接承重塊。

(2)捕獲。著陸器下放過程中，壓力補(bǔ)償器中的活塞在海水壓力的作用下向上移動，直到活塞下腔的壓力和上腔的壓力達(dá)到平衡。餌料筒的彈簧推動活塞運(yùn)動。到達(dá)采樣點(diǎn)時，餌料筒內(nèi)的活塞擠壓餌料包，餌料包通過單向閥流入保壓筒內(nèi)，從而誘捕海底生物。

(3)回收。深海宏生物保壓采樣器采樣完成后，通過甲板的指令切斷觸發(fā)繩，從而使觸發(fā)桿取消對出入口翻板密封閥的限位，出入口翻板密封閥關(guān)閉，同時，餌料筒上的單向閥關(guān)閉。深海生物保壓采樣裝置回收至甲板過程中，由于外界海水壓力的減小，采樣筒筒體膨脹變形，此時壓力補(bǔ)償器將補(bǔ)償由于采樣筒膨脹變形而導(dǎo)致保壓筒內(nèi)部的壓力降低。

深海宏生物保真轉(zhuǎn)移的工作原理如圖4所示，保真轉(zhuǎn)移分為對接、轉(zhuǎn)移、培養(yǎng)三個過程。

圖4 全海深宏生物保真轉(zhuǎn)移的工作原理

(1)對接。將支撐機(jī)構(gòu)安裝在深海宏生物保真培養(yǎng)釜端蓋上，深海宏生物保真培養(yǎng)釜內(nèi)注滿了與采樣點(diǎn)等壓力、等溫的水；深海宏生物保壓采樣器回收至甲板后，將它安裝在支撐機(jī)構(gòu)上，通過支撐機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)深海宏生物保壓采樣器的位置實(shí)現(xiàn)對接，拆除支撐機(jī)構(gòu)。

(2)轉(zhuǎn)移。通過加壓系統(tǒng)開啟深海宏生物保壓采樣器出口翻板密封閥和深海宏生物保真培養(yǎng)釜內(nèi)的翻板密封閥；轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)移手柄，使止返器驅(qū)趕保壓筒內(nèi)的生物進(jìn)入深海宏生物保真培養(yǎng)釜內(nèi)；控制電機(jī)驅(qū)動齒輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，使深海宏生物保真培養(yǎng)釜和深海宏生物保壓采樣器向上轉(zhuǎn)動0～90°，實(shí)現(xiàn)深海宏生物的無壓降轉(zhuǎn)移。

(3)培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中，通過傳感器可以實(shí)時監(jiān)測深海宏生物保真培養(yǎng)釜內(nèi)的壓力、溫度、溶解氧等參數(shù)；加壓系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)可以保持深海宏生物保真培養(yǎng)釜內(nèi)的壓力和溫度在設(shè)定的閾值內(nèi)，排水系統(tǒng)可以在超高壓力下無壓降地轉(zhuǎn)移，餌料投放系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)深海宏生物的營養(yǎng)補(bǔ)給。

2 保壓采樣-培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

2.1 保壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保壓系統(tǒng)是整個培養(yǎng)裝置中最關(guān)鍵的部件，由于培養(yǎng)裝置長期處于內(nèi)壓為110 MPa的超高壓環(huán)境下，選擇0Cr17Ni12Mo2作為保壓筒體及端蓋的材料，該材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性、高溫強(qiáng)度好，且長期培養(yǎng)對深海宏生物無污染，因此能夠滿足制造要求。圖5為保壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，保壓筒端蓋上開有內(nèi)徑為69 mm的通孔，用于轉(zhuǎn)移從海底取回的宏生物，孔的底部設(shè)有翻板密封閥，翻板密封閥包括閥蓋、閥體及齒輪桿，齒輪桿的一端與閥蓋底部的齒輪連接，齒輪桿另一端與加壓泵連接，通過加壓泵加壓、卸壓可以使閥蓋啟閉。翻板密封閥采用由內(nèi)向外的密封方式，采用偏心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更有利于系統(tǒng)密封，偏心角度為10°。為了保證密封效果，保壓筒內(nèi)由徑向安裝在端蓋上的O形密封圈進(jìn)行密封，密封圈的材料為丁腈橡膠。保壓筒體內(nèi)安裝有螺旋狀的冷凝管和溫度計(jì)，它們分別連接到制冷機(jī)，以控制保壓筒內(nèi)的溫度。在保壓筒底部設(shè)有過濾器和污水出口，宏生物在培養(yǎng)一段時間后所產(chǎn)生的排泄物及污水通過排污口進(jìn)行排放，污水依次經(jīng)過排污閥、排污筒、轉(zhuǎn)移閥、水質(zhì)分析儀，最后通過水質(zhì)分析儀可以對保壓筒內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行分析。

圖5 全海深宏生物保壓系統(tǒng)示意圖

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能控制模塊主要由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成(圖6)。下位機(jī)的核心部件是主控制器，采用主控芯片作為核心控制單元，采用一個串口控制水質(zhì)分析儀的工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時讀取測量的各個參數(shù)。下位機(jī)與上位機(jī)的通信通過一個串口實(shí)現(xiàn)。采用通用輸入輸出引腳(GPTO)控制高壓燈驅(qū)動控制電路，通過改變輸入到高壓燈電流的方式控制高壓燈的亮度，從而滿足實(shí)際的照明需求。下位機(jī)還通過 ITC 接口控制一個時鐘模塊，從而實(shí)現(xiàn)智能控制模塊定時工作的需求。針對智能控制模塊，需要控制溫度傳感器和壓力傳感器的工作。上位機(jī)采用計(jì)算機(jī)作為核心控制單元，控制著整個智能控制模塊的工作；此外，下位機(jī)為餌料自動投遞裝置、智能調(diào)節(jié)裝置和制冷系統(tǒng)提供合適的控制接口，并控制它們的工作，實(shí)現(xiàn)智能餌料投放、溫度調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)等功能。

圖6 控制系統(tǒng)示意圖

上位機(jī)的核心部件是計(jì)算機(jī)，它通過視頻控制器讀取高壓相機(jī)傳輸?shù)囊曨l信號，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)釜內(nèi)的實(shí)時監(jiān)控以及必要時圖像的采集。上位機(jī)和下位機(jī)之間采用雙向通信，上位機(jī)可以控制下位機(jī)的工作，下位機(jī)測量的相關(guān)理化參數(shù)可以傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。采用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程控制，從而達(dá)到智能控制模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.3 保壓筒體壁厚計(jì)算

根據(jù)技術(shù)規(guī)范的要求，參照J(rèn)B4732-1995 《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和GB150-2011《壓力容器》，對該保壓筒進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算。保壓筒體壁厚根據(jù)福貝爾爆破壓力計(jì)算式確定[17]：

(1)

其中，p為設(shè)計(jì)壓力，p=115×1.25=143.75 MPa，Di為保壓筒體內(nèi)徑，Di=420 mm，nb為設(shè)計(jì)安全系數(shù)，nb=2.5，σs、σb分別為保壓筒體材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，σs=310 MPa，σb=620 MPa，材料的許用應(yīng)力[σ]=124 MPa。保壓筒體的計(jì)算壁厚δ= 200 mm?？紤]到腐蝕和機(jī)械磨損等因素會使筒體變?nèi)鹾妥儽?，筒體壁厚取為220 mm。培養(yǎng)釜結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)列于表1。

2.4 保壓筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

為了確定設(shè)備運(yùn)行的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，進(jìn)行了理論計(jì)算，以驗(yàn)證和評估110 MPa高壓室的典型結(jié)構(gòu)。保壓筒體的三個主應(yīng)力可以通過以下公式計(jì)算[18-19]：

表1 培養(yǎng)釜結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值

(2)

(3)

(4)

式中，σh為環(huán)向應(yīng)力(或切向應(yīng)力)；σa為軸向應(yīng)力；σr為徑向應(yīng)力；ri為內(nèi)半徑；ro為外半徑；pi為內(nèi)壓；po為外壓；r為徑向變量(ri≤r≤ro)。

可以看出，保壓筒體內(nèi)壁的環(huán)向應(yīng)力是最大主應(yīng)力。

2.5 培養(yǎng)釜性能有限元分析

圖7 培養(yǎng)釜有限元模型

為了保證理論計(jì)算的安全性和合理性，對培養(yǎng)釜進(jìn)行了有限元分析，所使用的軟件是ANSYS/Workbench。本文對培養(yǎng)釜進(jìn)行數(shù)學(xué)建模、網(wǎng)格劃分和應(yīng)力測試，通過應(yīng)力評估分析了整個培養(yǎng)釜設(shè)計(jì)的可靠性。端蓋及筒體采用六面體網(wǎng)格劃分，宏生物進(jìn)口處和翻板密封閥采用四面體網(wǎng)格劃分，翻板密封閥與端蓋接觸部分網(wǎng)格細(xì)化。培養(yǎng)釜的網(wǎng)格有限元模型總共由105 551個節(jié)點(diǎn)和51 968個單元組成，如圖7所示。網(wǎng)格劃分后，添加邊界條件到模型中，110 MPa的內(nèi)部壓力施加在腔體和平蓋的內(nèi)表面上。為了防止腔體的剛性位移，對筒體底部的外曲面施加固定的邊界條件，最后建立模型得到有限元分析結(jié)果。

為了確保結(jié)構(gòu)安全，還對培養(yǎng)釜進(jìn)行了變形和應(yīng)力分析。圖8、圖9分別為培養(yǎng)釜總變形圖、軸向變形圖和徑向變形圖。從圖中可以看出，整個培養(yǎng)釜的最大變形發(fā)生在平蓋的中心。這是因?yàn)槠缴w底部承受實(shí)驗(yàn)壓力，周圍的螺栓限制其向上運(yùn)動，這導(dǎo)致平蓋處于向上彎曲的狀態(tài)，因此，上表面被拉伸，下表面被壓縮，最大變形量為0.2736 mm。

圖8 培養(yǎng)釜總變形圖

(a)軸向變形圖

(b)徑向變形圖圖9 培養(yǎng)釜軸向和徑向變形圖

圖9為培養(yǎng)釜軸向和徑向變形圖。結(jié)果表明，對于平蓋，其中心區(qū)域的軸向位移大于其圓周的軸向位移。最大變形出現(xiàn)在平蓋的中心，數(shù)值為0.258 mm。由于平蓋外表面的圓周受到螺栓的擠壓，因此在平蓋中心軸向位移最小。在110 MPa實(shí)驗(yàn)壓力下，腔體有一定程度的向外體積膨脹。其下表面向腔體偏轉(zhuǎn)，最大徑向位移為-0.210 mm，而其上表面向外擴(kuò)展，最大徑向位移為0.210 mm。

圖10、圖11分別為培養(yǎng)釜的總應(yīng)力、軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力云圖。從圖10中可以觀察到，由于腔室中存在測試壓力，因此在封蓋與腔室接觸處存在應(yīng)力集中，這時峰值應(yīng)力為436.42 MPa，該值超過材料的屈服極限310 MPa，因此會產(chǎn)生局部小塑性變形。雖然局部小的塑性變形不會影響高壓室的使用，但在設(shè)計(jì)中應(yīng)更加努力地加強(qiáng)圓角過渡，并盡量減少此處的應(yīng)力集中。最大軸向應(yīng)力主要集中在球底封頭與腔體的連接段，此外，平蓋底部與腔室接觸的應(yīng)力也較大，還發(fā)現(xiàn)在球底封頭與腔體的連接段，由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)可能出現(xiàn)應(yīng)力集中，在后續(xù)工作中，倒角邊的長度可以優(yōu)化，圓角可以重新設(shè)計(jì)。

(a)總應(yīng)力云圖

(b)軸向應(yīng)力云圖圖10 培養(yǎng)釜的總應(yīng)力和軸向應(yīng)力

圖11中，由于內(nèi)壓為110 MPa，因此最大軸向應(yīng)力同樣出現(xiàn)在平蓋底部與腔室接觸處，同時，腔室中部的軸向應(yīng)力也較大，數(shù)值為369.32 MPa，腔室向外膨脹并在圓周方向上產(chǎn)生拉伸，腔室的內(nèi)壁受到徑向壓縮應(yīng)力，此外，平蓋底部與腔室接觸的應(yīng)力也較大，數(shù)值為357.78 MPa。

(a)周向應(yīng)力云圖

(b)徑向應(yīng)力云圖圖11 培養(yǎng)釜的周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力

為了驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性，將深海宏生物培養(yǎng)釜的理論計(jì)算數(shù)值與相應(yīng)的有限元分析結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。外表面軸向應(yīng)力的最大誤差為5.0%，但理論值和仿真值均小于許用應(yīng)力310 MPa，滿足強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。這說明深海宏生物培養(yǎng)釜的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是合理可靠的。

表2 理論結(jié)果與有限元分析結(jié)果的比較

3 保壓采樣-培養(yǎng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 保壓性能測試

在實(shí)驗(yàn)室對全海深宏生物保壓采樣器進(jìn)行了內(nèi)壓測試試驗(yàn)，測試全海深宏生物保壓采樣器在115 MPa(工作壓力)的內(nèi)壓下的保壓性能，采樣器內(nèi)壓測試過程如圖12所示。首先打開出入口翻板密封閥，將全海深宏生物保壓采樣器放入裝滿水的水槽中，通過注射器抽取采樣器內(nèi)的空氣,然后拉動出入口觸發(fā)桿，使出入口翻板密封閥關(guān)閉,利用手動加壓泵連接全海深宏生物保壓采樣器2號閥，進(jìn)行內(nèi)壓測試試驗(yàn)，如圖13a所示。先將壓力增加到最大測試壓力的10%，在確保沒有泄漏發(fā)生后，每次逐漸增加10%的工作壓力，每個壓力梯度保持1 min，達(dá)到最大測試壓力時停止，壓力表1數(shù)值如圖13b所示。在最大測試壓力下保壓4 h(考慮到全海深宏生物保壓采樣器從海底11 000 m回收至甲板、拆卸、轉(zhuǎn)移等過程所用時間)，觀察壓力表數(shù)值，壓力表2數(shù)值如圖13c所示。最后，開始卸壓，每次逐漸減小10%的最大測試壓力，每個壓力梯度保持1 min，壓力降為零時停止。在110 MPa(設(shè)計(jì)壓力)和127 MPa(設(shè)計(jì)壓力的1.15倍)的壓力下進(jìn)行相同的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，測試壓力越大，全海深宏生物保壓采樣器的壓降越小，內(nèi)部壓力保持在105 MPa以上，壓降率小于4.35%。全海深宏生物保壓采樣器整體能夠滿足超高壓的承載要求。

圖12 采樣器內(nèi)壓測試過程

(a)內(nèi)壓測試試驗(yàn)

(b)壓力表1 (c)壓力表2圖13 采樣器保壓性能試驗(yàn)

表3 保壓性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 保壓轉(zhuǎn)移測試

圖14所示為深海宏生物保壓采樣器轉(zhuǎn)移試驗(yàn)裝置，它由深海宏生物保壓采樣器、轉(zhuǎn)移端蓋、高壓連接管和手動加壓泵組成。本文只測試深海宏生物保壓采樣器在轉(zhuǎn)移過程中的壓降變化，為了便于操作，利用轉(zhuǎn)移端蓋替代深海宏生物保真培養(yǎng)釜。轉(zhuǎn)移端蓋上端設(shè)有兩個高壓接口，一個高壓接口通過高壓連接管1連接深海宏生物保壓采樣器的2號閥，另一個高壓接口通過高壓連接管2連接手動加壓泵。首先通過手動加壓泵向轉(zhuǎn)移端蓋內(nèi)部加壓至深海宏生物保壓采樣器內(nèi)部壓力，打開深海宏生物保壓采樣器的2號閥，以平衡深海宏生物保壓采樣器和轉(zhuǎn)移端蓋的壓力；然后，利用加壓泵與齒輪開閉機(jī)構(gòu)連接，通過加壓使深海宏生物保壓采樣器出口翻板密封閥打開；最后，通過推動出口觸發(fā)機(jī)構(gòu)對出口翻板密封閥進(jìn)行限位，以驗(yàn)證翻板密封閥是否完全打開，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)移手柄進(jìn)行轉(zhuǎn)移。整個試驗(yàn)過程中，壓力沒有變化，出口翻板密封閥完全打開需要15 MPa的壓力。

圖14 采樣器保壓轉(zhuǎn)移試驗(yàn)

4 結(jié)論

本文提出了一種新型全海深宏生物保壓采樣-培養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對全海深環(huán)境下的宏生物進(jìn)行保壓采樣，同時可以滿足深海宏生物的原位培養(yǎng)。深海宏生物保真培養(yǎng)釜配備有控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測培養(yǎng)釜內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，并實(shí)時控制各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)值。同時通過支撐調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠完成轉(zhuǎn)移-培養(yǎng)-更換水和排泄物等動作，全過程實(shí)現(xiàn)無壓降。在對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算后，利用有限元軟件ANSYS/Workbench對高壓室的強(qiáng)度和變形進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：深海宏生物保真培養(yǎng)釜的理論計(jì)算數(shù)值與相應(yīng)的有限元分析結(jié)果的誤差小于5%，因此，有限元分析證實(shí)了設(shè)計(jì)公式的合理性。對深海宏生物保壓采樣器進(jìn)行了保壓性能試驗(yàn)和等壓轉(zhuǎn)移試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，測試壓力越大，全海深宏生物保壓采樣器的壓降越小，內(nèi)部壓力保持在105 MPa以上，壓降率小于4.35%，采樣器整體能夠滿足超高壓的承載要求，并且在等壓模式下能夠滿足無壓降轉(zhuǎn)移。