（机械电子工程专业论文）深海热液序列采样器保压密封及采样控制技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 为了研究深海热液系统，人们发明了各种各样的热液采样器，其中序列采样 器由于可以对热液系统进行长期的观测和序列采样，成为热液采样器研制领域的 一个热点。 本文在国家8 6 3 项目“深海水体序列保真采样技术”的资助下，主要研究内 容如下： 首先通过对单个采样器的保压性能进行理论分析，结合相关实验数据，研究 获得了影响采样器保压性能的重要因素，为改善保压性能提出了改进性的方案。 其次对采样器上大量应用的密封管接头做了重点研究。在分析管接头密封原 理和现有的管接头结构的基础上，提出了一种新型的密封管接头结构，并通过实 验对其密封性能进行了验证。 然后根据长期探测和序列采样的功能要求，设计了序列采样器的控制电路及 其相应的软件，并进行了联合调试。 最后通过控制电路腔及序列采样器整体结构的设计，将控制电路及采样单元 集成在一起，组成两套完整的序列采样器，并在高压舱中进行了模拟采样实验， 结果表明，序列采样器具备较高的可靠性，所得样品的压力指标达到了8 6 3 项目 的要求。 关键词热液系统序列采样器保压性能密封管接头系统集成 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt o s t u d yd e e p s e ah y d r o t h e r m a ls y s t e m ，av a r i e t yo fs a m p l e r sa r e i n v e n t e d ，i nw h i c ht h et i m es e r i a ls a m p l e rb e c o m eah o t s p o td u et oi t sl o n g t e r m o b s e r v a t i o na n dt i m e s e r i e ss a m p l i n gf u n c t i o n t h i sa r t i c l ei ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t ”t h es e q u e n c es a m p l i n g t e c h n o l o g yo f t h ed e e p - s e aw a t e ri t t h em a i nc o n t e n ti sa sf o l l o w s ， f i r s t , b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h ee x i s t i n g s i n g l es a m p l e r , t h er e a s o n st oi m p a c tt h ep r e s s u r er e t a i n i n gp e r f o r m a n c ew e r ef o u n d a n ds o m ep i e c e so f s u g g e s t i o n sf o ri m p r o v e m e n t sw e r ep u tf o r w a r d s e c o n d ，t h es e a l i n gj o i n t s ，w h i c ha r eu s e do nal a r g e - s c a l ei nt h es a m p l i n gd e v i c e w a sr e s e a r c h e da sak e yp o i n t , a f t e ra n a l y z i n gt h es e a l i n gp r i n c i p l ea n dt h ee x i s t i n g s t r u c t u r eo ft h es e a l e dj o i n t s ，an e wt y p eo fs e a l i n gp i p ej o i n t ss t r u c t u r ew a s p r o p o s e d a n dv e r i f i e dt h o u g hi t ss e a l i n gp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t s t h i r d ，u n d e rt h er e q u i r e m e n t so fl o n g t e r md e t e c t i n ga n ds e q u e n c es a m p l i n g ，t h e s e q u e n c es a m p l i n gc o n t r o lc i r c u i ta n di t sc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ew e r ed e s i g n e da n d d e b u g g e d f i n a l l y , t h ec i r c u i tc a v i t ya n dt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h et i m e - s e r i e ss a m p l e r w a sd e s i g n e d ，c o m b i n e dw i t ht h es a m p l i n gu n i t sa n dt h ec o n t r o lc i r c u i t r y , t w o c o m p l e t et i m e s e r i e ss a m p l e r sw e r ef o r m e da n das i m u l a t i o ns a m p l i n ge x p e r i m e n t s w a sc o n d u c t e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h et i m e - s e r i e ss a m p l e r sh a dg o o dr e l i a b i l i t y a n dt h ep r e s s u r eo ft h es a m p l eh a dr e a c h e dt h e8 6 3p r o j e c t sr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：h y d r o t h e r m a ls y s t e m ，t i m e - s e r i e ss a m p l e r , p r e s s u r e - r e t a i n i n g p e r f o r m a n c e ，s e a l i n gj o i n t ，s y s t e mi n t e g r a t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 年 月日签字日期： 年 月日 浙江大学硕士学位论文 致谢 值本文行将付梓之际，谨向两年半以来，在硕士阶段关心、帮助和支持我的 老师、同学、家人致以最诚挚的谢意! 本文是在导师杨灿军教授的悉心指导下完成的。杨老师为人正直，待人热情， 对学生认真负责，并且具备较高的学术水平。在本文的写作过程中，杨老师从课 题选择到言语表达上都给予了耐心的指导，使我能够着眼于重点问题的研讨和解 决，并最终顺利的完成了毕业论文的撰写。在此向杨老师致以最诚挚的感谢，感 谢杨老师两年半以来对我学习、科研、生活上给予的一贯指导。 感谢课题组的各位同学。特别感谢实验室的刘芳芳师姐，吴世军师兄和杨磊 师弟。研一刚入学时正是在刘芳芳师姐的指导下，我才能够迅速的进入到研究生 阶段的学习和科研状态。在转入采样器项目以后，吴世军师兄给了我耐心的指导 和无私的帮助，让我顺利的完成了课题组的任务，更重要的是让我学到了认真扎 实，求是创新的科研态度。在采样器电路板的调试过程中，杨磊师弟的聪明才智 给了我很大的帮助，让我对软硬件的设计和调试有了更加深入的了解。此外，实 验室的张佳帆师兄、李泽松师兄、董亦鸣师兄，周丽娟师姐还有陈燕虎同学两年 多来均给我不同程度的帮助，还有实验室众多的师弟和师妹，正是因为他们的帮 助和陪伴，才让我的硕士生活变得充实和快乐，在此一并表示衷心的感谢。 感谢多年以来一直关心我的父母。他们不但给了我生命，更教会了我做人的 道理，在我近二十年的学习生活中，他们耐心的教育我，默默的支持我，看着我 一步一步的长大成人，并给我了不断奋斗的力量 最后，感谢我自己。可以说没有自己不断进取的态度和艰苦奋斗的精神，再 好的外因也不能促使我取得成功。相信这样的性格会让我在今后的工作和生活中 奋勇直前，勇攀高峰，用更优异的成绩来回报所有关心，帮助和支持我的人们! 谢延青 2 0 1 0 年1 月1 2 日于浙大求是园 浙 学位论z 1 绪论 1 1 研究背景和意义 海底热液系统在1 9 7 9 年首次被发现在如图卜1 所示的热液口附近不但蕴 藏有大量的硫化物等矿物资坪而且蕴育了极端环境下独特的生态系统固此从 被发现开始，海底热液活动的调查研究，就已经成为国际上重大前沿热点研究领 城之一。 田l 一1 正在喷发的毒底热成口 热液的形成鞍为复杂，现阶段一般认为海底热液的形成过程主要由下面四个 步骤组成：1 ) 由于洋中脊地带洋壳的扩张运动，在岩石中形成了大量细小的裂 缝，冷的海水沿着裂缝向下渗透；2 ) 岭的海水遇到被岩浆加热了的高温岩石， 发生剧烈反应；3 ) 海水从岩浆中获得了热量，井携带着从岩石中得来的大量金 属元素向上运行：4 ) 被加热的海水携带着矿物质培裂缝从海底喷发出来。所以 说热渡口是海洋与地竞进行物质和能量交换的窗口，海底热瘦活动带来的物质通 量与河流对海洋产生的通量接近，而所产生的热通量可能仅次于太阳对地球的热 辐射固此，海底热液活动对海洋化学环境大洋环流以及垒球的气候有着重要 的影响“”“”整个过程如图12 所示 圈i - 2 热蘸形成过程 热液系统一般位于海底几千米的深度”“，其环境压力高达几十兆帕，这给原 位探测带来一定的难度为t 研究极端环境下热液的成分以及微生物的特性，各 种各样的热液采样器被研制出来，这些热寝采样器能够采集海底热藏的样品并将 其带回实验室进行分析，且大多数都具备了一定的保压能力，因此在现在的热蘸 研究中得到了广泛的应用由于热液活动及其周围的生态系统具有如图卜3 所示 的随时问的变化性，而且容易受到海底火山、地震及潮汐等因素的影响“”“”3 要研究热液活动及其生物群落的变化规律就需要对热液进行长期连续监剥和序 列的采样。因此，研制能够对海底热j 葭进行长期监测和时序采样的序列采样器成 为现在海底热液采样墨的研究重点 田1 3 热渍口生物群落的生长演替过程1 序列采样器不能简单的把多个采样器单元组合在一起，它应该比现有的单个 浙江大学硕士学位论文 采样器具备更好的保压及密封性能，能够使样品压力尽量接近热液样品的原位压 力，并且它应该具备较好的采样控制能力，以便于在深海环境下对其进行控制。 因此，保压密封性能的研究及采样控制方案的设计对于研制序列采样器非常的重 要。 本课题首先对采样器的保压性能进行了研究，为序列采样器单元的改进设计 提供了依据，其次重点研究了采样器上大量应用的密封管接头，提出了一种新型 的密封管接头结构，然后通过设计控制电路及相应的控制软件，实现了采样器的 即时采样和定时采样，最终通过合理的系统集成研制出了可以进行分时序列采样， 获得热液及其生态环境气密样品的深海热液序列气密采样系统，从而可以加快热 液矿产资源成份分析技术的发展，促进热液生态环境分析技术的进步。序列采样 系统的研制对研究热液活动的变化规律，揭示热液形成机理，探索深海生态环境 的变化规律都具有重要的意义。此外，序列采样系统还可以长期监测热液的温度 参数，也可根据参数的异常实现基于事件的采样，对研究海底火山、地震及潮汐 等对热液活动的影响有重要的意义。 1 2 研究现状 热液采样器在海底热液系统的研究中扮演着重要的作用，从热液系统被发现 以来，包括我国在内的许多国家成功研制了各种各样的热液采样器。 1 2 1 国外研究现状 国外研制的采样器，比较有名的有以下几种。一种是美国a l v i n 深潜器中应 用的“m a j o rp a i r ”采样器，如图1 - 4 所示，它根据注射器的原理，利用弹簧来 吸取样品。另一种是l u p t o n 等人针对“m a j o rp a i r ”采样器气密性的不足的缺 点开发的具有气密性能的g a s t i g h t 采样器，它利用一个密封可靠的采样阀向一 真空容器中注入样品 1 7 o 第三种是j e f f r e y 等人研制了一种气密等压采样器( 图 1 - 5 ) ，该采样器利用蓄能腔中的压缩氮气来保持样品压力，可实现样品的等压 转移，而且可调节采样速度，适合于低速热液扩散流的采样n 引。除了上述几种常 见的热液采样器外，人们还开发了一些用于采集和原位培养热液微生物的采样装 置，比如b i o - s a m p l e r ，s e a m l e s ss y s t e m 和l a r e d o 等热液采样及原位微生物培 养装置“ 田1 4 “m a j o rp a i ，s a m p l e r 田卜sg a s tig h t is o b a r ics a m p l e r 上述的热痕采样设备一次只采集一个样品，为7 对同一地点进行序列采集， 国外也开发7 一些序列采样嚣c r a t g 等人研制的a u t o n o m o u sm i c r o b i a l s a m p l e l - ( 心s ) 可采集6 个无污染的样品( 图卜6 ) ，其基本原理是使用一个客 积泵和一个多通道的转阀来控制采样0 1 。s a e g u s a 等人研制的多瓶气密采样器 w h a t s i i 可采集4 个样品( 图卜7 ) ，该采样器也是利用泵来抽取样品，与a m s 不同的地方是其使用8 个球阀来控制流体，球阎的驱动机构比较复杂。”s c h u l t z 等人研制的i s o s a m p l e r 采样器能长期布置于海底，除了获取序列的保压热液样 品外，还能够长期监控热液的温度和流速，同时也可以加入其它传感器来剥量其 他的热液参数1 s o s a m p l e r ( 囤卜8 ) 栗样的基本原理与w h a t si i 相似，但它 的每个泵、闽和压力补偿器都有独立的控制器，固此显著提高了系统的可靠性， 而且其设计的采样器可与海底观测网络进行连接从而实现长期的原位观测。” 圈卜6a u t o n o m o u sm i c r o b i a ls a a p le r ( a m s )圉卜7w h a t $ i is a m p l e r i1lz_! j ： |n硒娶一t一一 二而事凹飘型广-li姻j翁牲篡 1 2 2 国内研究现状 国内在热液呆样器的研制方面起步较晚，跟发达国豪相比存在较大的差距 现在绝大多数的深海探测设备都是从国外引进的近年来，随着我国对海洋资舞 研究的重视。国内在采样嚣方面取得了不少的成果 最为成功的是浙江大学研制的多款熟j 受采样墨在十五期闻，浙江大学承担 了与7 0 0 0 米载人潜水墨配套的深海热液采样墨的研制，在此期间通过大量的研 究“”3 ，并借助国际合作的机会，所研制的机械武气密采样器在多次中美联合 深潜科考中成功应用井采集到了合格的样品( 图卜9 ) 。在此基础上，淅江大学又 承担了国家8 6 3 项目一一基于时问序列的气密采样器( 深海水体序列保真采样技 术) 的研究任务，这一项目要求在现有的研究基础上，设计完成两套具备更高的 保压密封性能，较好的控弗0 和集成特性，且质量、成本等要控制在允许的范田内 本文所研究内容即是在这一8 6 3 项目的资助下完成的。 囤卜g1s o s a m p l e r 田卜9 浙江大学研制的热渡气密采样嚣 此外，国内从事采样器研究的机构还有中国海洋大学和天漳大学两家单位 其中天津大学采用形状记忆合叠驱动采样闻，研制了热寝采样器的样机1 ，但是 样机的成功应用及其序列采样技术的研究均未见报道 圉l 一10 无津大学采样墨工作原理围 台 件 浙江大学硕士学位论文 1 3 研究难点 深海热液序列采样器一般工作在深海几千米，温度上百摄氏度的极端环境下， 它是用来对海底热液口进行长期探测和序列采样的，因此具有较为苛刻的设计指 标。首先要求样品压力要保持在原位压力的9 0 以上，而且能够保证长时间的可 靠密封。其次长期测量、方便控制的要求对控制电路板及其软件的设计带来了一 定的难度。最后序列采样器需要集成六个采样单元，而且要求质量控制在5 0 k g ， 体积尽量紧凑，因此给系统集成上带来了一定的困难。总结起来，本文的主要研 究难点是： 1 提高序列采样器的保压效果。虽然现有的单个采样器应用已经比较成熟， 但样品的保压能力仍然不能够满足9 0 的技术指标，因此需要在研究保压原理的 基础上，对采样器的保压性能进行分析，找到影响采样器保压性能的关键点并提 出合理的改进建议，以使新的序列采样器能够达到8 6 3 项目的保压要求。 2 设计经济可靠的密封管接头。鉴于现有的管接头要么成本太高，要么密 封效果不可靠，因此对密封管接头的研究和改进显得非常的必要。新的密封管接 头首先需要分析接头的密封原理，其次要求找到现有接头的优缺点，并且根据密 封原理并结合现有接头的优点，努力找到更为合适的密封管接头设计方案，最后 还需要对新的密封管接头进行仿真和实验，以达到优化设计，提高管接头密封可 靠性的目的。 3 采样器控制电路的低功耗设计。由于序列采样器在深海下工作，能源提 供只能依靠自身配备的小容量电池，然而序列采样器需要对深海热液口进行长期 的观察和序列采样，因此要求控制电路板在满足基本功能的情况下尽量的减少能 量损耗，这就需要在电路设计及软件流程规划中要重视低功耗的要求，以便达到 在海底长期工作的目的。 4 满足质量轻、结构紧凑的设计要求。序列采样器一般由r o v 来布放，而 r o v 本身机械手的载重量有限，且每次布放会搭载许多种设备。因此要求序列 采样器的总质量要控制在5 0 埏以下，而且结构要尽量的紧凑，这给序列采样器 的结构设计带来了一定的困难。 6 浙江大学硕士学位论文 1 4 研究内容 本论文的主要内容是在现有的研究基础上，通过研究热液采样器的保压性能 和密封技术，对现有的采样器提出改进建议，然后通过合理的设计控制电路、软 件以及整体结构，实现序列采样器的系统集成，最后对集成后的序列采样器进行 实验，以验证系统的可靠性 具体来说，本论文主要研究内容如下o 1 保压性能研究。这一部分在充分理解热液采样器的保压原理的基础上， 对因简体变形及密封圈形位变化所引起的容积变化量进行了理论分析，计算出了 简体变形及密封圈形位变化所引起的容积变化量的理论值。之后通过实验测量出 了简体的变形量及密封圈的形位变化量，结合采样器的工作过程计算出了这些变 化造成的压力损失。随后将压力损失量跟采样器实际工作时样品压力损失进行比 较，最后判定筒体变形及密封圈形位变化所造成的容积变化是样品压力损失的主 要原因，并为采样器的改进设计提出了建议。 2 高压管接头的密封技术研究。这一部分首先分析了高压管接头的密封原 理，在此基础上，对现有的国内外的两种常用的管接头进行了分析和实验。找出 了现有管接头的优缺点，并且将两种管接头的优点结合在一起设计出了一种全新 的金属管接头结构，最后对新的管接头进行了仿真、实验及优化设计，设计出了 一种经济可靠的高压密封管接头。 3 采样控制技术研究。控制电路及其控制软件是对序列采样器进行采样控 制的关键。本部分根据序列采样器的功能要求，对控制电路进行了模块化的设计， 在设计的过程中充分考虑了低功耗的需求，使得设计出来的控制电路调试方便且 耗能较小。之后采用m s p 4 3 0 自带的c 语言环境编写了下位机软件，并通过 l a b v i e w 编写了上位机软件。最后将电路板，上下位机软件联合在一起进行了调 试。 4 序列采样器的系统集成及试验。本部分在采样单元实验的基础上，通过 控制电路腔及整体结构的设计，将控制部分及各采样单元集成在一起形成了两套 完整的序列采样器。之后对序列采样器进行了高压舱试验，并且将采样的保压结 果跟第二部分的理论分析进行了对比。结果表明，序列采样器具备较高的可靠性， 所得样品的压力指标达到了8 6 3 项目的要求。 7 浙江大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本章首先介绍了深海热液采样器的研究背景和意义，其次介绍了国内外深海 热液采样器的研究现状，然后分析了在现有基础上完成序列采样器的设计所面临 的挑战，最后提出了本课题的具体研究内容。 8 浙江大学硕士学位论文 2 保压性能研究 2 1 引言 作为衡量样品质量的重要指标，样品的压力主要取决于采样器的保压性能， 因此在采样器的研制过程中，采样器的保压性能研究一直被国内外各研究机构所 重视。过去浙江大学设计团队对采样器的保压原理进行了较深入的分析啪卜嘞1 ， 并采用蓄能器、补偿腔等保压方法达到了较为理想的保压效果。然而现有的热液 采样器最终得到的样品压力相对于原位压力仍有较大的下降，只能够达到原位压 力的8 5 左右，距离序列采样器9 0 的保压要求还有一定的差距。内压试验排 除了采样器泄漏导致压力下降的可能性，因此，在现有的采样器基础上，研究深 海热液采样器的保压原理，找到影响保压性能的原因并提出改进性的建议对于研 制深海热液序列采样器非常的重要。 2 2 保压原理分析 深海热液采样器的基本结构如图2 1 所示，主要由两部分组成：1 ) 采样阀 及其开启机构；2 ) 采样筒，包括采样腔、蓄能腔、连接器及位于采样腔和蓄能 腔中的活塞m 1 。 霪 -、 、 、 、 霪 氮气 、 、 、 、 、 霪 预充水 豸、。 、 、 、 ll 、 样占矗 、 日 、 l | 、 、。 图2 - 1 采样器的原理图 采样过程如下：采样器下放之前，蓄能腔和采样腔中的活塞均位于左端，蓄 能腔根据采样深度的要求预充一定压力的高压氮气，两个活塞之间的采样腔充满 9 浙江大学硕士学位论文 纯净水或者深海底部海水作为缓冲液体。截止阀和采样阀处在关闭状态。当下放 到作业深度时，打开采样阀，热液在自身压力的作用下流入采样腔，推动活塞及 缓冲液体向右移动并压缩蓄能腔中的氮气，等到氮气压力达到采样压力时，关闭 采样阀，热液即被保存在采样器之中。最后，把内含热液样品的采样器从海底收 回，送到实验室进行样品分析 由采样器的工作过程可知，采样器的工作过程及其压力变化大概可以分为以 下几个阶段，为了方便研究，将采样器模型简化成为如图2 2 所示的压力模型。 准备阶段：内部压力等于预充氮气压力p e ，略大于外部压力。下放阶段：随着 海水深度的增加，外部压力p a 逐步上升，到达采样点时，外部压力大于内部压 力。采样阶段：采样阀打开，热液经采样阀流入采样腔，p b p c ，活塞向有运动 压缩氮气，p e 上升，直到p a = p e 时，采样阀关闭，此时，采样器的内外压保持 平衡，采样器内样品的压力等于采样点的压力。回收阶段：随着海水深度的减小， 外部压力p a 减小，内部压力p c = p e p a 。由以上的分析可以知道，到采样阶段完 成时，内部样品的压力与外部热液的压力相等，因此，在不存在泄漏的情况下， 样品压力的损失完全来自于采样器的回收过程【3 4 1 。 p a ：， p 8 p cp dp 图2 - 2 采样器压力模型 对采样器的回收过程进行进一步分析可知，从海底到海面过程中温度、压力 等环境因素发生了较大的变化。温度的变化能够导致蓄能腔内气体体积发生变化， 从而间接引起样品压力p b 的变化。由于日常采样作业时海面的温度相对海底的 温度要高，因而从海底到海面过程中蓄能腔内气体会因温度升高而体积变大，压 力升高，这有利于采样器的保压。相反，采样器从海底到海面的过程中，由于 p c = p e p b ，采样简体会因为内外压差而发生膨胀，采样简端面密封圈的形状和 位置也会因内外压差发生变化( 如图2 3 ) ，这两个变化都会导致采样器容积的变 大，从而引起采样器内样品压力的下降。因此，由初步的分析可知，引起采样器 1 0 浙江大学硕士学位论文 内样品压力下降的重要因素是采样器回收过程中的简体变形与密封圈的形位变 化。 2 3 理论计算及仿真 图2 - 3 密型圈的形位变化 由2 2 部分中对采样器保压原理的分析可知，引起采样器内样品下降的一个 重要的原因是采样器回收过程中的简体变形。采样器回收过程中，外部海水的压 力下降导致采样筒体内压大于外压，采样简体在内外压差的作用下产生变形，可 以简化成为压力容器受内压作用时的变形问题。图2 4 为采样筒的二维示意图， 为了计算方便，忽略简体的倒角及端盖处壁厚的变化，由压力容器在内压作用下 的径向和轴向变化可以计算出采样简体的变形量b 5 1 。 径向位移为： 轴向位移为： 囹2 - 4 采样简体二维图 甜= 亲旷c i - 2 t ) + b 2 蒯 。， ( 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文 式中：只为内压力，仉6 分别为内外径，为应力分析处半径，三为简体原 长，为泊松比，e 为材料弹性模量，此处采样简体的材料为t c 4 ，是一种钛 的合金，之所以采用这种合金材料，是因为t c 4 能够耐腐蚀，且强度比较高， 能够适应深海环境下高压，高腐蚀的要求1 。 保压简体积变化量为： a v = 圪一巧= 万( 口+ “) 2 ( l + x l ) 一7 0 2 l ( 2 3 ) 将采样筒参数代入上述公式可得到简体变形的理论值。 表2 1现有采样简体参数及计算结果 内径外径 弹性模量匪妇圆筒长度 a ( m m )b ( m m ) e ( m p a )b ( m p a ) l ( m m ) 3 04 01 1 6 0 0 07 1 55 0 8 泊松比 计算半径变形量 “ r ( m m )a l i ( m m )a r i ( m m )a v i ( m 1 ) 0 3 53 00 1 2 0 7 7 50 0 6 4 1 9 23 2 4 8 l 以上的计算是以我国7 0 0 0 米载人潜水器相配套的采样器为基础的。所选择 的尺寸参数为7 0 0 0 米采样器的实际参数，压力参数为7 0 0 0 米采样器实验时高压 舱的真实压力，之所以选择这个压力，是为了方便将此处的计算结果与高压舱试 验时的结果相比较。 对于密封圈的形位变化量，如图2 3 所示，由于密封圈体积较小，在理论计 算时密封圈自身的体积变化可以忽略，则密封圈的形位变化量近似等于沟槽的体 积减去密封圈的体积的一半。则形位变化量可由下式获得： v 2 = ( b h n d l 一盯2 r t d 2 ) z = o 38 m i ( 2 4 ) 式中：b 、h 为沟槽的宽度和深度，d 。、d 2 分别为沟槽与密封圈的中径，r 为 密封截面的半径。 由上述的计算可知，因此采样简体容积变化的主要因素为内外压差造成的简 体变形。由于采样简体结构的不规则性，在进行计算时，忽略了倒角及端盖处壁 厚的变化，因此导致压力容器的计算公式得到的理论值跟实际值之间存在一定的 1 2 浙# 顿学论文 误差为7 验证上述计算过程的准确性，并更加精确的得到采样筒体变形的值， 我们通过有限元分析软件a n s y s 对采样筒体进行了仿真之所以选用a n s y s ， 这是因为a n s y s 软件是最常用的专业有限元分析软件它由世界上最大的有限 元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它能与多数c a d 软件接口，实现数 据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r , n a s t r a n 。a l o g o r , 卜d e a s ，a u t o c a d 等，是 现代产品设计中的高级c a d 工具之一 通过a n s y s 软件进行分析通常包括前处理、求解模型，后处理三个过程 由于采样筒为轴对称模型，简便起见，在a n s y s 建模时首先将采样筒体转化为 平面模型，并去掉表面她较小的倒角，划分网格之后可以得到如图2 - 5 所示的模 型 n 囹2 - 5 采样筒体仿真模型 在仿真时，在采样筒体的a 点施加全约束( a l ld o f ) ，用以固定采样筒体 的内壁：b 点施加x 轴方向的约束( u x ) ，用以限制径向移动，同时保持轴向 移动的自由度。仿真时，在采样筒体的左侧的内壁上施加7 15 i v l p a 的压力，运 行有限元计算，可以得到有限元分析的结果，包括备节点的位秽、应力，应变等 为了计算采样筒体受压之后的体积变化量，最为关心的是采样简体内壁节点在受 压之后的位移量，图2 - 6 所示的印为7 1 5 m p a 下采样简体总的位秽变化量的仿真 结果 新江太w 也电z 田2 - 6 采样筒体变形仿真 在得到仿真结果之后，导出采样筒体内壁每一个节点的原坐标( x y ) ，位 移变化量( u x ，u y ) 和变化后的位移( x ，y ) 将采样简体分成若干个小的圆 筒，每一个小圆柱体的半径高及体积分别表示为： r = x ( i ) 2 ； h 2 ( y i y o ) v ( i ) - 印i + r 2 哺： ( 2 - 5 ) 通过m a d a b 编程利用f o r 循环语句求出每一个小圆筒的容积后叠加可以 得到呆样筒的总容积。利用这个方法可以分别求出施加压力前后采样简体的总容 积，前后的容积之差即可以得到采样筒体的容积变化量，经计算可得客积变化量 为31 8 m l ，仿真结果与计算结果基本一致，说明7 在此处应用压力容器容积计算 公武的可行性 2 4 试验研究 2 4 1 实验方案 虽然上述的计算及仿真得到j 采样简体客积变化的理论值，但由于实际加工 出的采样筒体跟图纸之间存在一定的误差，再加上死区容积等原因，理论值跟实 际值之问并不一致为7 更加精确地得到采样器实际应用时采样篱体容积的变化 新江太硼学位论文 量，需要设计一个全新的实验来对体积变化量进行测量实验方集的主要思路是 通过测量常压及高压下采样简内压入水的体积变化来得到采样筒容积的变化量， 由于采样简体内水的体积不好测量，通过测量质量变化量的方法束转化成为体积 变化量 根据以上的宴验思路，设计了如图2 - 6 所示的实验装置实验装置由两部分 组成一部分是由手动泵增压缸、压力表等组成的增压部分，主要负责向采样 筒内部打入压力：另一部分是由采样筒及其前后两端的截止闰组成的测量部分， 用来跟其他测量装置配合一起来测量采样筒的变形量 荫攀 嚣肿 舛f 产 # o i ”l 妇皿e 手r 一 圉2 - 6 试验方寨示意田 实验分为以下四个步骤 1 将干燥的采样筒截止阎4 截止阃5 及不锈铜管按围2 5 中的剥量部分 连接在一起，用精度o i g ，量程8 k g 的美国进口g & g 电子秤按如图2 - 7 所示测 量其总质量为m 圈2 - 7 总质量测量示意田 浙江大学硕士学位论文 2 、将采样筒内灌满水后按图2 - 6 所示连接好，打开截止阀2 、3 、4 、5 ，关 闭截止阀l ，通过手动增压泵向采样筒内打入水，待量筒处有稳定流量的水流出 时，证明采样筒及管道内部均已充满水关闭采样阀4 和5 ，并将采样筒，截止 阀4 、5 一起取下，用电子秤称得此时的质量m 。 3 、将采样简及截止阀4 、5 重新接入实验装置，打开截止阀l 、3 、4 ，关闭 截止阀2 和5 。通过手动泵、增压缸向采样筒内打压，待压力到达7 1 5 m p a 时关 闭截止阀4 ，并将采样筒，截止阀4 、5 一起取下测量总质量m ，。 4 、打开截止阀5 ，由于采样筒内压力为7 1 5 m p a ，远远高于大气压力，采 样筒内液体自动从截止阀5 处流入量简，待不再有水流出时，关闭截止阀5 ，测 量采样筒，截止阀4 和5 的质量为m 。，。 按上述的步骤测量五次，并求平均值，表2 2 是经5 次测量并取平均值之后 得到的实验结果。 表2 - 2 实验结果 质量mm o m m o 数值( g ) 4 6 6 0 1 5 3 6 5 95 3 9 3 25 3 6 6 6 2 4 2 实验结果及分析 由于试验中水的压力达到了7 1 5 兆帕，在如此高的压力下水自身存在着不 可忽略的压缩性，计算过程中由于水自身的压缩引起的体积变化必须给予考虑。 因此，高压下采样简体容积的变化量等于多打入的水的体积再减去水自身压缩的 体积。 在1 个标准大气压，温室2 0 ( 2 的环境下，水的密度取p = l g m l ，水的体积 弹性模量取足= 2 2 3 7 x1 0 9 n m 2 。水自身压缩量与压强变化的关系式如下： 矿：一垒! 兰竺q k ( 2 6 ) 其中a v 为液体体积的变化量；p 为液体压强的变化量；v o 为液体的原 体积；k 为液体体积弹性模量。设压力变化p 时多打入水的质量为v ，则因 1 6 浙江大学硕士学位论文 简体变形引起的体积变化量k a v , = 矿_ l y 1 矿：竺二竺 p v o = 堕二竺 p ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 由( 2 6 ) 式至1 j ( 2 - 9 ) 式可得， a v , ：塑m - m 一a p x ( m o - m ) ：3 6 6 ，”， p k xp ( 2 1 0 ) 实验之前，采样筒内外压力平衡，o 型圈位置位于凹槽的中间位置。实验后， o 型圈在内压的作用下向外测移动，在不考虑试验前后o 型圈自身变形( 实际 变形量很小) 的情况下，由于因o 型圈移动及压缩造成的体积变化量圪近似等 于： k ：m o - m o ：0 7 所， p ( 2 1 1 ) 最后可以得到压力变化时单个简体总的体积变化量： a v = a v , + 圪= 4 3 6 m l ( 2 1 2 ) 由实验得出的结果比理论分析的结果要高，分析其原因，一方面是由于计算 简体变形容积k 时，包含了采样简体内部的死区容积及金属管内的容积在高压 时引起的容积变化，另一方面是由于除了o 型圈形位变化之外，采样简与端盖 等处的间隙也会因高压实验而注入更多的水，导致实验后的整体质量上升，从而 导ra v , 比理论计算值要大。此外，实验方案中为了测量方便，忽略了采样简体 内部的死区容积及金属管内的容积在高压时引起的容积变化。总体来看，实验结 果与理论分析的结果差距在5 以内，在接下去的计算过程中，以实验结果为主。 根据2 2 部分中对保压原理的分析，结合采样器的工作过程，在整个采样过 程中，蓄能腔内气体的变化经历等温过程： p o v o = p 1 v 1 = p 2 v 2 ( 2 - 1 3 ) 浙江大学硕士学位论文 式中的参数及其取值如下： 初始状态，气腔充气 p o = 7 2 m p a ，v o = 5 6 3 m l 采样后，气腔压力变为7 1 5 m p a ，即 p 1 = 7 1 5 m p a v 1 2 p o 瓦g o = 5 6 6 9 m l ( 2 1 4 ) 采样器取出水面后，外压为大气压，相对于内部的高压来看可以近似于0 ， 总体积变化量为2 a v ，则 v 2 = v l + 2 a v = 6 5 4 1 m l p z = p o 瓷= 6 1 9 7 m p a ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式中的p 2 为采样器取出水面之后气腔内部高压气体因为采样筒容积变化而 下降到的理论压力，在忽略掉采样简体内活塞与采样筒壁之间压力的情况下，这 一压力即为样品的压力。 2 4 3 高压舱试验及分析 本章是在实验室已经设计完成的7 0 0 0 米深海热液采样器的基础上进行分析 的，此采样器共设计了5 套，于2 0 0 8 年在中国船舶重工集团公司7 0 2 研究所进 行了高压舱验收试验，图2 8 为热液采样器验收试验时候的照片。试验时将采样 器准备完毕之后放入高压舱，通过电动增压泵将高压舱的压力加至7 1 5 m p a ，用 来模拟7 0 0 0 米深海下的环境压力，通过水下的电动液压缸来触发采样器进行模 拟采样，采样结束之后模拟采样器返回水面的过程对高压舱进行缓慢泄压，之后 将采样器取出高压舱并保压6 个小时，最后测量采样器内部的样品压力，测量结 果见表2 3 。 表2 - 3 高压舱试验结果 采样器序号 l234 高压舱压力m p a 7 1 57 1 57 1 57 1 5 样品压力m p a 6 0 55 9 85 9 56 0 与理论结果偏差 2 3 73 5 03 9 93 1 8 1 8 图2 8 采样嚣验收试验照片 从表2 - 3 中可知，采样器高压舱试验的保压结果与理论分析的结果基本一致， 证明由筒体变形及密封圈的形位变化量引起的客积变化是导致样品压力损失的 主要原因。也就是说，在实际应用时，虽然采样嚣采集到的样品有所下降，但是 并非泄漏所致，样品的基本成分并没有发生变化。 2 5 改进性建议 根据2 3 及24 部分的分析并结合武2 - 1 4 可知，要想提高采样器样品的压力 主要有两种可行的方法一种是提高气腔内预克气体的压力对于这种方法，由 于采样器总质量标准及高压气裸压力的限制，预充气体的压力不能无限提高另 一种方法则是设法减少内外压差造成的容积变化。由于客积变化主要是由采样简 体变形造成的，因此在设计新的筒体时需要尽量的增加简体的壁厚，并注意在简 体尖角地方浑加倒角，以减小简体变形量 根据上述的建议，在新设计采样单元时，一方面提高了采样倚的相对壁厚， 减小了简体变形引起的体积变化量根据序列采样单元简体的参数及2 3 中的分 析，可以得到表2 _ 4 中的结果 浙江大学硕士学位论文 表2 - 4 序列采样单元简体参数及计算结果 内径外径弹性模量医为圆筒长度 a ( m m )b ( m m ) e ( m p a )a ( m p a ) l ( m m ) 2 03 01 1 6 0 0 04 0 51 6 0 泊松比 计算半径变形量 u r ( m m )a l i ( m m )r i ( m m )v i ( m 1 ) o 3 52 00 0 1 3 4 0 70 0 1 8 6 4 40 3 9 1 9 表中的av i 即简体变形引起的容积变化以，同理根据序列采样单元端盖上 的密封圈的参数，也可以得到z 的理论值为0 0 5 1 m l 。考虑到如2 4 部分中死 区容积等因素的影响，修正后采样前后两个筒体总的体积变化理论值2 a v 约为 1 2 m l 。根据2 4 部分中的2 1 3 至2 1 6 公式进行计算，可以得到序列采样单元采 样压力为4 0 5 m p a 、充气压力为8 m p a 、初始气体容积为1 6 3 m l 时的理论保压值 为3 8 8 m p a ，理论的保压效率可以达到9 5 8 左右，能够满足序列采样器项目9 0 的保压指标的要求。 2 6 本章小结 本章首先分析了采样器的保压原理，提出采样器回收过程中简体变形及密封 圈形位变化所引起的容积变化是造成样品压力损失的主要原因。然后采用理论模 型和有限元分析的方法对容积变化量进行了分析，计算出了容积变化量的理论值。 之后通过实验测量出了采样筒体实际应用时容积的变化量，并结合采样器的工作 过程计算出了这一变化造成的压力损失的理论值。最后将压力损失的理论值与高 压舱试验的实际值相比较，从而证明了因采样简体容积变化所造成的压力损失是 采样器实际应用时压力损失的主要原因，并为提高采样器的保压效果提出了改进 性的建议。 浙江大学硕士学位论文 3 高压管接头密封技术研究 3 1 引言 密封管接头是深海热液序列采样器中大量使用的零配件。采样器的采样腔和 采样阀之间都是通过密封管接头连接在一起的。合格的密封管接头要求能够在高 压下实现无泄漏的连接，而且能够多次重复性的使用。在先前设计的采样器中使 用了多种国内外的管接头。国产的管接头价格便宜，但是密封效果不好，且在高 压下面会发生危险。国外的管接头能够满足高压下密封的要求，但是相对来说， 价格十分昂贵，这在大量使用的情况下是不允许的。因此，有必要深入分析高压 管接头的密封理论，并在此基础上设计出一种经济实用的新型管接头，以满足将 来序列采样器中大量使用的要求。 3 2 密封理论分析 密封分为动密封和静密封两种。静密封的定义为防止流体在经过机械连接件 时泄露的一种方法啪1 。在这里我们使用的高压管接头即属于接触式静密封的形式。 接触式静密封的机理是由于密封面上的压力造成封闭环，并使封闭环上产生 大于介质压力的反力，从而阻止介质分子的介入，从而形成密纠删。从微观方面 来看，静密封的基本机理是密封材料的塑性( 或弹性) 流入匹配