深海热液保真采样机理及其实现技术研究

发布时间：2020-10-22 02:44

　　 海底热液活动的发现是20世纪海洋科学研究中的重大事件之一,热液口附近不但蕴藏有大量的金属硫化物资源,而且蕴育了极端环境下独特的生物群落,对深海热液喷口及其生态系统的研究具有极其重要的科学意义和经济价值。获取高质量的热液样品是目前进行热液活动研究的最有效和最重要的手段之一。为此,国际上开发了多种多样的深海热液采样设备,但由于热液的高温、高压、强腐蚀性和富含高浓度颗粒物等特性,使得大多数采样器不能很好地满足深海热液保真采样的要求。国内在深海热液采样技术研究方面仍比较落后,随着我国对深海热液活动研究的不断深入,研制高性能的热液保真采样器已成为迫切的需要。 具有良好双向密封性能的耐高温耐腐蚀采样阀及其水下驱动机构是深海热液采样器的核心部件,目前现有热液采样器大多采用商业元件,很难得到满意的使用效果。而且,目前也缺乏较全面的热液保真采样的理论指导。针对这种情况,本文对深海热液保真采样机理和面临的一些关键技术进行了深入的分析和研究。 从采集高纯度、无污染、气液—相热液样品的角度出发,从采样器的气密性要求、采样速度调节原理和防腐蚀技术三个方面分析了热液保真采样的机理。为了保证在采集高温热液时,采样器上的密封材料不会超过其推荐的最高使用温度,重点研究了采样过程中采样管对热液的降温作用。 为了解决热液采样中的高温高压下双向密封的难题,提出了一种新型的采样阀双向自紧密封式结构和压力平衡式结构。采用有限元分析手段,对不同结构形式和密封副材料下的阀芯-阀座接触密封进行了研究,并对阀芯-阀座锥面密封的结构和参数进行了优化设计。并基于双向自紧密封式结构,成功研制了使用钛合金阀芯和纯钛阀座构成密封副的采样阀,提高了采样阀的耐高温和耐腐蚀性能。 针对采样阀水下驱动的要求的应用特点,提出了一种基于机械手触发缸的采样阀液压驱动机构,该驱动机构把触发缸输出的推力和位移转换为适合控制采样阀的推力和位移,具有推力放大的作用和结构简单、可靠性高等优点。此外,为了满足采样器的多种作业要求,提出了一种新型的采样阀水下电控触发机构。对电控触发机构的驱动力和响应时间进行了深入研究,理论分析和试验表明,电控触发机构能提供较大推力,并具有体积小、耗电量少等优点,能较好地满足深海使用要求。 基于本文研究的双向密封采样阀及采样阀的水下驱动机构,开展了深海热液采样器的系统集成研究。根据采样阀触发方式的不同,提出了两种类型的采样器集成方案,即依靠机械手触发缸操作的液压触发式采样器和电控触发采样器,并成功研制了四套液压触发式深海热液采样器和两套热液序列采样器。 开展了深海热液采样器在实验室条件下的模拟实验和海试应用研究。首先,进行了采样器在高压舱内的模拟采样试验,结果表明采样器具有良好的双向密封性能和较高的可靠性。四套液压触发式采样器在大西洋中脊的四个热液区进行了十多次成功的采样,其最大采样深度和最高温度分别高达3622米和370℃。所采集到的热液样品纯度高,分析结果合理,表明采样器具有良好的获取热液保真样品的能力。 采样器的成功研制和海试,充分说明了经过本文研究所形成的深海热液保真采样器在高压双向密封、耐高温耐腐蚀性能、采样阀驱动性能和实时温度测量系统的机电集成等工程技术方面具有较强的实用性和较高的可靠性。本文的研究成果在高温高压密封和深海水体采样领域具有广阔的应用前景。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2009
【中图分类】：TH766
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
目录
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 深海热液采样器的研究进展
    1.3 深海热液保真采样的技术难点
    1.4 本文研究目的和意义
    1.5 本文的主要研究内容
    1.6 本章小结
2 深海热液保真采样机理
    2.1 引言
    2.2 深海热液保真采样的气密性分析
    2.3 深海热液保真采样的流速控制原理
    2.4 深海热液保真采样器的防腐蚀技术
        2.4.1 耐高温耐腐蚀材料选用
        2.4.2 采样过程中采样管对热液的降温分析
    2.5 本章小结
3 采样阀的设计及双向密封技术研究
    3.1 引言
    3.2 采样阀双向密封结构设计
        3.2.1 深海水体采样器常用采样阀及典型结构形式
        3.2.2 采样阀的新型双向密封结构
    3.3 采样阀密封结构的有限元分析
        3.3.1 接触问题的有限元分析方法
        3.3.2 阀芯-阀座的接触建模和仿真分析
    3.4 采样阀的试验研究
        3.4.1 阀芯-阀座压缩变形试验
        3.4.2 密封性能试验
    3.5 本章小结
4 采样阀水下直线驱动技术研究
    4.1 引言
    4.2 基于机械手触发缸的液压驱动机构设计
    4.3 基于储能元件的电控触发机构研究
        4.3.1 电控触发机构的结构设计和工作原理
        4.3.2 电控触发机构的性能分析
        4.3.3 电控触发机构的试验研究
    4.4 本章小结
5 深海热液保真采样器的系统集成
    5.1 引言
    5.2 液压触发式采样器的系统集成
        5.2.1 采样器的结构设计和工作原理
        5.2.2 实时温度测量技术的集成
    5.3 电控触发式采样器的系统集成
    5.4 本章小结
6 深海热液保真采样器的试验研究
    6.1 采样器的实验室试验研究
        6.1.1 液压触发式采样器的试验研究
        6.1.2 序列采样器的试验研究
    6.2 采样器的海试应用
    6.3 本章小结
7 总结与展望
    7.1 论文总结
    7.2 论文主要创新点
    7.3 工作展望
参考文献
作者简历

【引证文献】

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本文编号：2850985