海底熱液活動的發(fā)現(xiàn)是20世紀海洋科學研究中的重大事件之一,熱液口附近不但蘊藏有大量的金屬硫化物資源,而且蘊育了極端環(huán)境下獨特的生物群落,對深海熱液噴口及其生態(tài)系統(tǒng)的研究具有極其重要的科學意義和經(jīng)濟價值。獲取高質(zhì)量的熱液樣品是目前進行熱液活動研究的最有效和最重要的手段之一。為此,國際上開發(fā)了多種多樣的深海熱液采樣設(shè)備,但由于熱液的高溫、高壓、強腐蝕性和富含高濃度顆粒物等特性,使得大多數(shù)采樣器不能很好地滿足深海熱液保真采樣的要求。國內(nèi)在深海熱液采樣技術(shù)研究方面仍比較落后,隨著我國對深海熱液活動研究的不斷深入,研制高性能的熱液保真采樣器已成為迫切的需要。 具有良好雙向密封性能的耐高溫耐腐蝕采樣閥及其水下驅(qū)動機構(gòu)是深海熱液采樣器的核心部件,目前現(xiàn)有熱液采樣器大多采用商業(yè)元件,很難得到滿意的使用效果。而且,目前也缺乏較全面的熱液保真采樣的理論指導。針對這種情況,本文對深海熱液保真采樣機理和面臨的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了深入的分析和研究。 從采集高純度、無污染、氣液—相熱液樣品的角度出發(fā),從采樣器的氣密性要求、采樣速度調(diào)節(jié)原理和防腐蝕技術(shù)三個方面分析了熱液保真采樣的機理。為了保證在采集高溫熱液時,采樣器上的密封材料不會超過其推薦的最高使用溫度,重點研究了采樣過程中采樣管對熱液的降溫作用。 為了解決熱液采樣中的高溫高壓下雙向密封的難題,提出了一種新型的采樣閥雙向自緊密封式結(jié)構(gòu)和壓力平衡式結(jié)構(gòu)。采用有限元分析手段,對不同結(jié)構(gòu)形式和密封副材料下的閥芯-閥座接觸密封進行了研究,并對閥芯-閥座錐面密封的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。并基于雙向自緊密封式結(jié)構(gòu),成功研制了使用鈦合金閥芯和純鈦閥座構(gòu)成密封副的采樣閥,提高了采樣閥的耐高溫和耐腐蝕性能。 針對采樣閥水下驅(qū)動的要求的應用特點,提出了一種基于機械手觸發(fā)缸的采樣閥液壓驅(qū)動機構(gòu),該驅(qū)動機構(gòu)把觸發(fā)缸輸出的推力和位移轉(zhuǎn)換為適合控制采樣閥的推力和位移,具有推力放大的作用和結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點。此外,為了滿足采樣器的多種作業(yè)要求,提出了一種新型的采樣閥水下電控觸發(fā)機構(gòu)。對電控觸發(fā)機構(gòu)的驅(qū)動力和響應時間進行了深入研究,理論分析和試驗表明,電控觸發(fā)機構(gòu)能提供較大推力,并具有體積小、耗電量少等優(yōu)點,能較好地滿足深海使用要求。 基于本文研究的雙向密封采樣閥及采樣閥的水下驅(qū)動機構(gòu),開展了深海熱液采樣器的系統(tǒng)集成研究。根據(jù)采樣閥觸發(fā)方式的不同,提出了兩種類型的采樣器集成方案,即依靠機械手觸發(fā)缸操作的液壓觸發(fā)式采樣器和電控觸發(fā)采樣器,并成功研制了四套液壓觸發(fā)式深海熱液采樣器和兩套熱液序列采樣器。 開展了深海熱液采樣器在實驗室條件下的模擬實驗和海試應用研究。首先,進行了采樣器在高壓艙內(nèi)的模擬采樣試驗,結(jié)果表明采樣器具有良好的雙向密封性能和較高的可靠性。四套液壓觸發(fā)式采樣器在大西洋中脊的四個熱液區(qū)進行了十多次成功的采樣,其最大采樣深度和最高溫度分別高達3622米和370℃。所采集到的熱液樣品純度高,分析結(jié)果合理,表明采樣器具有良好的獲取熱液保真樣品的能力。 采樣器的成功研制和海試,充分說明了經(jīng)過本文研究所形成的深海熱液保真采樣器在高壓雙向密封、耐高溫耐腐蝕性能、采樣閥驅(qū)動性能和實時溫度測量系統(tǒng)的機電集成等工程技術(shù)方面具有較強的實用性和較高的可靠性。本文的研究成果在高溫高壓密封和深海水體采樣領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2009
【中圖分類】：TH766
【文章目錄】：
致謝
摘要
ABSTRACT
目錄
1 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 深海熱液采樣器的研究進展
    1.3 深海熱液保真采樣的技術(shù)難點
    1.4 本文研究目的和意義
    1.5 本文的主要研究內(nèi)容
    1.6 本章小結(jié)
2 深海熱液保真采樣機理
    2.1 引言
    2.2 深海熱液保真采樣的氣密性分析
    2.3 深海熱液保真采樣的流速控制原理
    2.4 深海熱液保真采樣器的防腐蝕技術(shù)
        2.4.1 耐高溫耐腐蝕材料選用
        2.4.2 采樣過程中采樣管對熱液的降溫分析
    2.5 本章小結(jié)
3 采樣閥的設(shè)計及雙向密封技術(shù)研究
    3.1 引言
    3.2 采樣閥雙向密封結(jié)構(gòu)設(shè)計
        3.2.1 深海水體采樣器常用采樣閥及典型結(jié)構(gòu)形式
        3.2.2 采樣閥的新型雙向密封結(jié)構(gòu)
    3.3 采樣閥密封結(jié)構(gòu)的有限元分析
        3.3.1 接觸問題的有限元分析方法
        3.3.2 閥芯-閥座的接觸建模和仿真分析
    3.4 采樣閥的試驗研究
        3.4.1 閥芯-閥座壓縮變形試驗
        3.4.2 密封性能試驗
    3.5 本章小結(jié)
4 采樣閥水下直線驅(qū)動技術(shù)研究
    4.1 引言
    4.2 基于機械手觸發(fā)缸的液壓驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計
    4.3 基于儲能元件的電控觸發(fā)機構(gòu)研究
        4.3.1 電控觸發(fā)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理
        4.3.2 電控觸發(fā)機構(gòu)的性能分析
        4.3.3 電控觸發(fā)機構(gòu)的試驗研究
    4.4 本章小結(jié)
5 深海熱液保真采樣器的系統(tǒng)集成
    5.1 引言
    5.2 液壓觸發(fā)式采樣器的系統(tǒng)集成
        5.2.1 采樣器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理
        5.2.2 實時溫度測量技術(shù)的集成
    5.3 電控觸發(fā)式采樣器的系統(tǒng)集成
    5.4 本章小結(jié)
6 深海熱液保真采樣器的試驗研究
    6.1 采樣器的實驗室試驗研究
        6.1.1 液壓觸發(fā)式采樣器的試驗研究
        6.1.2 序列采樣器的試驗研究
    6.2 采樣器的海試應用
    6.3 本章小結(jié)
7 總結(jié)與展望
    7.1 論文總結(jié)
    7.2 論文主要創(chuàng)新點
    7.3 工作展望
參考文獻
作者簡歷

【引證文獻】

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本文編號：2850985