全海深沉积物保压取样装置设计及试验研究

摘要

为了实现全海深沉积物保压取样，提出基于着陆器的自密封式全海深沉积物保压取样系统。取样系统主要由深海充油电机、传动机构、取样机构、保压筒、蓄能器、压力传感器和多个高压针阀及不锈钢毛细管组成。为取样器在海底自主取样提供动力，设计了专用于深海超高压的水下电池。整套装置总重60 kg，其中，水下重量45kg。通过设计花瓣压缩环形取样、下端自封闭、两端自平衡的新型取样机构，简化了装置的结构，减轻了装置重量。通过对取样器贯入过程的分析和计算，得到最大贯入力的值为786.5 N。搭建了贯入试验台架以模拟沉积物的取样过程，在不同性质的黏土中测试取样器的取样能力和贯入力，试验结果与计算结果相符合。对于硬塑性、塑性和流塑性3种黏土，取样器的取样体积分别为410、120和20 mL，最大贯入力分别为720、210和20 N。为验证取样器保压筒的密封性能和强度，进行了110 MPa内压试验，保压120 min无压降。为验证取样器在高压下的工作稳定性及保压性能，在60 MPa和100 MPa高压舱内进行了多次测试，试验结果表明，60 MPa下保压率超过90%,100 MPa保压率超过88%。最后，在中国2021大洋科考TS21航次中，取样器搭载“奋斗者号”载人潜器在西菲律宾盆区和马里亚纳海沟进行了3次原位测试，所提出的取样器均完成保取样任务，保压率超过80%，共获取保压沉积物样品超过700 mL。

关键词

深渊 / 保压取样 / 贯入力 / 沉积物 / 高压舱测试 / 海上测试