新型全封闭刀口联合式管口封的设计及应用.pdf

第2 2 卷 第2 期 海岸工程 2 0 0 3 年6 月 文章绾号 ： 1 0 0 2 3 6 8 2 ( 2 0 0 3 ) 0 2 0 0 9 2 0 5 新型全封闭刀口联合式管口封 的设计及应用 韩贻 兵 ， 臧启 运 ， 徐孝诗 ( 国家海洋局 第一海洋研究所 ，山东 青岛 2 6 6 0 6 1 ) 摘 要 ： 重力活塞取 样器是 海洋地质调 查不可缺 少的调查设备 ， 而 管口封又是 重力活塞取样 器 的重要部件。管口封的好坏 不但 影响 到取 样器 的贯入深度和取芯辜 ， 还 影响 到所取 岩芯的 质量 介绍 了一种最近研制成功的新型全封闭刀 口联合式管口封。 海上实验 在特 定海区成功 的获取 了 1 7 1 1 m 的长岩 芯， 取样 率达 9 1 3， 创造 了我国海洋地质调 查用重力活塞取 样 器获取岩心的最长记 录。该设计 已通过 国家知识产权局批准授予实用新 型专利。 关键调 ： 调查设备 ； 取样器 ； 蕾口封； 刀 口 中图分类号 ： TH7 6 6 文献标识码 ： A 1 前 言 管 口封是重力活塞取样器重要部件之一， 它的性能优劣直接影响着取芯率。一个理 想的管 口封应具备 2个条件 ： ( 1 ) 当取样器在水 中下冲和向海底沉积物贯入时， 它应当 完全敞开而不产生任何阻力 。 否则， 不但 由于阻力而减少贯入深度直接影响所取岩芯长 度 ， 而且还可能对所取岩芯产生扰动。( 2 ) 当取样器被提拔时， 管 口封应在瞬间完全关 闭， 否则会造成样品的漏失 。由此可见， 管 口封的优劣与取芯率和获取的岩芯质量息息 相关。 2 国内外发 展概 况 管 口封作为重力取样器的重要部件 ， 有着与取样器几乎相同的发展历史。近一百多 年来， 在国内外的海洋沉积物取样工作中先后采用了布筒式 、 花瓣式、 活门花瓣式和刀 口联合式等多种形式的管 口封。 收稿日期； 2 0 0 2 - 0 9 - 1 6 作者筒介 ， 韩贻兵( 1 9 6 0 - ) ， 男 ， 高级工程师， 主要 从事海 洋地质调查仪器研制工作 ( 责任编辑 ： 武建平) 维普资讯 http:/www.cqvip.com 第2 2 卷 韩贻兵， 等： 新型全封闭刀口联合式管 口封的设计及应用 9 3 布 筒式管 口封是最早应用 在重 力活塞取样器上 的封 口设备 。由于其结构复杂影响取芯率早 已被淘汰。 花瓣式管 口封由于其结构简单使用方便等特点 ， 直到 近期许多柱状取样器还在使用 。花瓣式管 口封其结构为一 系列 花瓣式 的金属薄 片， 被均布 固定在 一个 带状金属 环 上 。各片尖部均 向内弯曲， 其材质一般为铜片 ， 也有使用不 锈钢制作的。 使用时将其安装在刀 口与取样管之间( 图 1 ) 。 随着人们对取样深度和取样质量要求 的提高 ， 花瓣式管 口 封存在的问题 已日渐突出 。 这是 由于花瓣是由一定厚度和 弹性 的金属薄 片制作而成 ， 随着取样长度 的增 加， 要想封 住样 品不 使样品滑出， 势必 要加大金属薄 片的强度 和弹 性 。所取岩芯越长 ， 花瓣强度和弹性就需要越大 ， 当花瓣的 强度和弹性大到一定程度时 ， 取样器的贯入深度和取芯率 就会受到影响。 2 0世纪 8 0年代 国外发展起来的刀 口管 口封联合装置 ( 图 2 ) 使用效果 良好 。它是利用取样器下冲提拔时刀 口产 生的阻力而带动藏在样管与刀 口间的活块做开启和关 闭 动作 。当刀 口下冲时 ， 作用在刀 口上 的上推力顶 活块紧贴 于刀口内壁， 使管 口封开启。当向上提拉取样器时 ， 刀 口外 壁的阻尼块受阻而使刀 口下行 ， 同时拉动活块下行关 闭管 口。其缺点是封口的活块不能完全封 闭管 口， 易造成粉砂 和稀软泥流失见图 3 a 。 3 新 型全封 闭刀 口联合式管 口封 的设 计 2 图 l 花瓣式管口封安装图图 1 刀口， 2 取样管 ， 3 花瓣管 口封 图 2 刀口管口封联合装置 1 刀口I 2 活块管 口封 ， 3 取 样管 通 过综合对比分析 ， 原刀 口管 口封联合装置存 在的主要问题是遇到 易流动的沉积 物容易流失。产生这一缺点的原因显然是近呈矩形 的活块关 闭时不能将管 口安全封 闭 所致 ， 因此解决问题的关键主要集中在活块及其预留空间的改造上。 3 1 外型设计 改变原刀口联合式管 口封缺点的最简单 办法是将原矩形的活块在保 留原活块 的尾 部设计的同时， 将主体改为等腰三角形 ， 并使三角形 的正面和底边有一定 曲度 ， 曲率半 径皆等于衬管半径 ； 顶角投影则等于 4 5。 。使整个 三角形中部厚 ， 边部渐薄， 且每个活瓣 类同， 并在刀口联合体 内壁上预留相应的空间。 3 2 原材料选择 由于管口封活瓣在海水中工作， 选取的原材料需满足 2个条件 ： ( 1 ) 强度要大 ； ( 2 ) 维普资讯 http:/www.cqvip.com 9 4 海岸工程 第 2 期 抗腐蚀 。综合对 比多种材料 ， 结合价格和加工工 艺 要求 ， 我们选 择不锈钢 ( 1 C r 1 8 Ni 9 Ti ) 为管 口封 活瓣的主要材料 。 3 3 加工工艺 因活瓣的外型不规则， 特别是当活瓣在样管 下冲和贯入时 ， 要藏于刀口联合体 内， 换句话说 即 刀 口联合体上需留有活瓣 隐藏的空间， 其 加工难 度较 大 ， 用一般 的机械 加工方法 很难 达到技 术 要求。 图3 刀口联合式管口 封密封对比 ( a ) 活块管 口封 I ( b ) 新型活瓣式 为 了能使加工出的刀 口联合式管 口封达到设计要求 ， 我们采用线切割和精密铸造 相结合的方法 ， 将刀 口联合式管 口封的下体 上部 内壁依照刀 口联合式管 口封的活瓣的 外形用线切割方法 将其切 出一凹槽， 用蜡灌入开出的凹槽中制成活瓣模型 。将模型取 下 ， 铸造 出与刀 口联合式管 口封的下体上部孔槽一一对应的活瓣 。 这样制出的花瓣组装 后关 闭状态最大缝隙仅为1 0 ram( 图 3 b ) 。 4 现场应用 4 1 海上试用 1 9 9 8年， 我们将装备了新型全封闭刀 口联合式管 口封的重力活塞取样器安装在“ 向 阳红 O 9 号 调查船上， 在冲绳海槽 7 0 3 1 3 “ 1 水深 的海域进行 了海上试验。 从表 1 给出的试验结果可以看出， 在以粘 土和粉砂为主的较软沉积 区取样 ， 岩芯最 长达 1 7 1 1 m， 取样率最低为 8 O 2 ， 说明全封 闭刀 口联合式管 口封的研制是成功的 。 但有一次在砂质沉积区试验则没有采到样品 ， 根据经验判断是 由于贯入极浅或无法贯 入所致 。 表 1 长岩芯重力活塞取样器试用结果( 1 9 9 8年) 4 2 正式使用 1 9 9 8年试用之后， 长岩芯重力活塞取样器又经过反复试验改进， 后正式投入使用 维普资讯 http:/www.cqvip.com 第2 2 卷 韩贻兵， 等： 新型全封闭刀口联合式管口封的设计及应用 9 5 ( 全封闭刀 口联合式管 口封没有任何修改) 。先后用于国家“ 1 2 6专项沉积调查， ， 和“ 中韩 黄海沉积动力学底质调查” ， 同时还将刀 口联合式管 口封移植到振动取样管上使用 。 4 a 来共计采集柱状岩芯 1 0 0多个 ， 成功率大于 8 O ， 尤其在以粉砂 、 粘土为主的较软底质 沉积物中成功率达 9 0 以上。实践证明重力活塞取样器全封闭刀口联合式管 口封的研 制是成功的( 表 2 ) 。 表 2 典型站 柱状取样结果 5 结 语 在重力活塞取样器的研制过程中， 为了获得理想的管 口封， 在前人成果的基础 上经 过研究 ， 重点解决 了设计、 原材料和加工工艺等一系列问题 ， 研制成了全封闭刀 口联合 式管 口封 。经过使用证明 ， 该研制是成功的， 并 已获得国家知识产权局批准授予的一项 实用新型专利。 参考文 献 ： 1 张君元 重力活塞取样 管的结构及其 应用 J 海洋科学集刊 ， 1 9 7 6 ， ( 1 1 ) ： 4 1 3 4 1 5 2 臧启运 ， 韩贻兵， 徐孝诗重力活塞取样器取样技术研究口 海洋技术， 1 8 ( 2 ) ： 5 6 6 1 3 国家海洋局海洋技术研究所海洋开发技术进展 M 北京： 海洋出版社， 1 9 9 8 维普资讯 http:/www.cqvip.com 海岸工程 第2 期 De s i g n a nd Ap pl i c a t i o n o f Ne w Co mb i ne d Pi p e He a d S e a l W i t h Fu l l y Enc l o s e d Kni f Ed g e HAN Yi - b i n g ，Z ANG Qi y u n，XU Xi a o - s h i ( F i r s t I n s t i t u t e o f Oc e a n o g r a p h y， SOA，Qi n g d a o 2 6 6 0 6 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t：The g r a v i t y pi s t o n c o r e r i s a n i n di s p e ns a bl e e q ui p me nt f o r ma r i ne ge ol o g i c s u r ve y，a n d t h e p i p e h e a d s e a l i s a n i m p or t a nt c o mpo ne nt ，S O t h e q u a l i t y o f p i pe he a d s e a l a f f e c t s n o t o n l y t h e p e n e t r a t i o n d e p t h a n d c o r i n g r a t e o f g r a v i t y c o r e r ， b u t a l s o t h e q u a l i t y o f c o l l e c t e d c o r e I n t h i s p a p e r ，a n e w c o mb i n e d p i p e h e a d s e a l wi t h f u l l y e n c l o s e d k n i f e d g e i s i n t r o d u c e d A c o r e 1 7 1 1 m l o n g wa s s u c c e s s f u l l y c o l l e c t e d i n a n o f f s ho r e e xp e rime n t a r e a wi t h t he ne wl y d e s i gn e d c or e r， a nd t he s a mp l i n g r a t e a c h i e v e d 9 1 3 oA ， wh i c h c r e a t e d a c o l l e c t e d c o r e l e n g t h r e c o r d wi t h t h e g r a v i t y p i s t o n c o r e r i n Ch i n e s e o f f s h o r e g e o l o g i c s u r v e y s Th e d e s i g n h a s b e e n a wa r d e d t h e n e w p r a c t i c a l p a t e n t b y t h e Na t i o n a l I n t e l l e c t u a l Pr o p e r t y Ri g h t Ad mi n i s t r a t i o n o f Ch i n a Ke y wo r d s：s ur v e y e q ui pme n t ；c o r e r ；p i p e h e a d s e a l ；k ni f e dg e 维普资讯 http:/www.cqvip.com