长柱状重力活塞取样器作业收放方式浅析

汤清之

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

在海洋综合科考船的使命任务中，始终绕不开一种叫作长柱状重力取样的作业方式，其主要的作用是获取深海沉积物。深海沉积物作为深海环境的记录者，是全球气候变化的海洋记录，也是古海洋学、古地磁学、碳循环及海洋储碳、海洋沉积过程和构造演化、海底深部微生物生命过程、军事海洋学、海底矿产资源勘探、深海海洋工程地质勘察的重要基础性材料［1］。由此可见，综合科考船上的多个学科都需要获取深海沉积物以进行进一步的科学研究，但是一般品质的沉积物已然无法满足当今先进分析仪器的样品处理能力，因此获得超长、连续、无扰动的沉积物柱状样品已经成为了当今深海科考研究的主要突破方向，而这同时也是我国在综合科考船取样技术中遇到的瓶颈之一。

正因为长柱状重力取样面临着巨大的现实需求，所以其技术发展突飞猛进，主要表现在以下几点：一是取样管的长度越来越长，从曾今只有几米的长度跨越到目前普遍20 m以上的长度，甚至有文献记录法国在北大西洋和中国南海获得过超过50 m的长柱样品；二是样本获取的方式不单单依靠重力，还增加了其他方式进行辅助，比如重力活塞取样器、液压活塞取样器和振动取样器等。重力活塞取样器虽然也依靠重力贯入沉积物，但由于采用了活塞，增加了管内的真空度，对样品有相对的抽吸作用，因此减少了样品在管内的摩阻损失，使重力所产生的动能得到较大的利用，使贯入深度增加［2］；液压活塞取样器则是通过外加的液压动力使取样管进入沉积物层或者形成内部真空使沉积物“吸入”取样管；振动取样器则是由外部电源驱动振动器产生剧烈机械振动后使取样管进入泥样。比起液压活塞取样器，重力活塞取样器的机构简单，成本比较低，反而在取样的成功率上要高出一筹。而比起振动取样器，除机构简单、成本低之外，还因为重力活塞取样器对沉积物的扰动较小，获得的样品更有研究价值而备受追捧。所以当今科考业界新建的综合科考船均配置了20 m以上的长柱状重力活塞取样器进行作业，本文也将瞄准这类取样器做为典型，进而进行重点描述。

20 m以上的长柱状重力活塞取样器往往不能简单地通过吊架直接进行收放，而需要有一套翻转机构进行辅助作业，这也就加大了这类取样器的操作难度。目前在国际范围内使用的长柱状活塞重力取样器根据活塞释放的触发方式又可以分为机械式和声学式两种方式，其中声学式取样器在末端有一个高度计，可以探知自己与海底之间的距离，当该距离缩减到一个设定值时则释放活塞，相比而言机械式的机构要比声学式的更为复杂，在船上的操作也需要更多的精力与时间，所以本文将重点围绕机械触发的长柱状重力活塞取样器做描述。

1 长柱状重力活塞取样器简介

1.1 基本组成

如前文所述重力活塞取样器是采取海底沉积物长芯样品的常用采样器具之一，其利用了取样管加配重块的重力，将内含活塞的取样管直接贯入沉积物之中，然后通过活塞的抽吸作用将取样管内抽为真空，这样沉积物就能被“压”入取样管内的衬管之中，而取样管下端口具有密封机构以确保样品在提升过程中不掉落。重力活塞取样器除了能采集泥质沉积物之外，还能采集砂质沉积物并保持沉积物的原始结构［3］。

机械释放的重力活塞取样器主要包括：取样管、管接头、主体配重、样品管、刀口及花瓣、活塞系统、平衡锤、触发机构等。其整体结构如图1所示。

图1 重力活塞取样器的典型结构

其中主要有以下构件组成：

1.1.1 取样管

取样管（参见下页图2）是重力取样的核心部件，也是所有柱状取样器的共有部件。一般而言，一节取样管长5～6 m，在某些节受损后可以被替换。并且由于贯入底质时需承受很强的负载，所以取样管的材料往往采用高强钢，内径一般约为5 in（127 mm）。

图2 取样管

1.1.2 主体+配重

其是承接其他部件的核心部件（如图3所示），对上连着释放机构，对下连着取样管。有些型号的重力活塞取样器主体和配重是连体在一起的（这时候主体结构会因为配重种类的不同而不同），而有些是分体式的，有些主体上还有导流装置增加水下下坠时的稳定性。主体上可以进行配重，或者在主体下增加配重块，以增加取样管进入沉积物的深度。配重质量根据科学家对底质结构的分析进行调配，一般配重的型式有左轮手枪式与杠铃片式。

图3 主体配重（左轮手枪式）

1.1.3 样品管

样品管内衬于取样管的内部（参见图4），是由PVC材质做成，用于取样完毕后将样芯完整取出，使用PVC材质的原因也是方便在船上将样芯切割成段。

图4 样品管

1.1.4 活塞系统

活塞系统类似于针管中的活塞（参见图5），与针管中的活塞不同之处在于：针筒通过活塞的抽动形成真空，取样管释放过程中活塞相对不动，而取样管下坠，形成一个短暂的真空空间供样品进入。

图5 活塞

1.1.5 平衡锤

又称重锤（参见下页图6），通过重力来平衡释放机构中的平衡杆，投放时平衡锤低于取样管末端的刀口，可以比取样管更早接触到海底而失去对平衡杆的重力平衡，进而触发平衡装置释放，使取样管下坠和活塞形成相对运动。在长期的实践过程中，科学家发现取样管内的沉积物样品会因为挤压而变形甚至发生层次上的混乱，这样就会导致分析结果出现偏差，而且这个现象在海底表面的样品中最为明显，后续的样品进入后使表面沉积物受挤压的可能性最大。所以目前比较先进的重力活塞取样器会把平衡锤也设计成一个小的重力取样器，PVC管、刀头、花瓣、配重等一应俱全，由于其取样长度较短表层沉积物受挤压概率很低，可以在承担触发任务的同时也获取未受挤压的表面沉积物，供科学家修正样品的偏差。

图6 平衡锤

1.1.6 触发机构

触发机构是整个重力活塞取样器最复杂的一个装置，是在平衡锤触底之后将活塞与取样管脱离形成相对运动构造出真空空间。图7显示了典型触发机构的详图［2］，其中平衡杆下方的卡口与主体配重上的吊环直接卡接，当平衡杆因失去平衡锤的重力而上抬后，卡口打开，主体配重脱落；主缆与船上的地质绞车连接，主缆在触发机构和主体配重之间留有几十米的余量供取样器触发释放后自由落体；而活塞缆则直接与取样管内的活塞连接，两者间的余量也相对小得多，要保证触发之后活塞缆率先绷紧以形成真空空间。

1.2 工作原理

正如前文所述，长柱状重力活塞取样器的收放是一种相对复杂的作业方式，尤其是机械释放的取样器又多了平衡杆和平衡锤，使其在布放和回收的过程比起声学释放的型式变得更为复杂。一般而言，由于取样之后沉积物样品进入取样管内部，活塞已经由取样管底部端口移动到了顶部，所以与布放时主缆直接连接整个重力活塞取样器不同，回收时主缆连接触发机构（平衡杆）再连接活塞缆再连接取样管，当触发机构回收到甲板上第一个滑轮时取样管还在海面以下，所以其回收过程比布放过程更加复杂、困难。所以，在阐述整个收放的过程中，我们一般认为需要分三个阶段——甲板布放阶段、海底取样阶段、甲板回收阶段。

图7 典型触发机构详图

在甲板布放阶段，由于取样管长度方向的尺度较大，在船上的存放只能平置于甲板上。在开始作业时，首先通过主绞车（地质绞车）放出主缆，通过甲板滑轮导引到舷侧吊架（舷侧A架或舷侧伸缩臂）最后与重力活塞取样器连接。随后通过一套特殊设计的翻转机构将取样管翻至舷外并旋转至垂直状态，然后挂载平衡杆和平衡锤，最终启动主绞车将其投放到水下。一般而言，科考船上称诸如舷侧吊架和翻转机构组成的系统为收放系统，这其中翻转机构设计的妥善与否决定了重力取样的安全性和便捷性，这在下一小节中会详述。

而在海底取样阶段，需要经历如下页图8所示的五个步骤：

（1）重力活塞取样器系统高速向海底下坠。

图8 海底取样阶段的取样步骤

（2）平衡锤接触海底，触发平衡杆上抬。

（3）平衡杆上抬后，主体配重脱钩和取样管一起贯入沉积物，而同时活塞被活塞缆牵在触发机构上与取样管形成相对运动，抽出真空空间。

（4）取样管在刀口的破土力和配重的重力以及真空压力的三重作用下继续贯入沉积物深处。

（5）主绞车上提带动整个系统离开海底。

而到了甲板回收阶段，由于平衡杆已经与主体配重脱离，且之间的活塞缆长度又有几十米，此时整个活塞取样器的长度、形态已经与布放阶段不一致了，可见图8中（5）与（1）的差别。当主绞车不断回收直至平衡杆卡在吊架的滑轮上之时，主体配重甚至尚未出水，我们最需要回收的取样管及其中的样品尚在海面以下，所以在回收阶段，我们将重力活塞取样器拆分为三大部件：部件一是平衡杆、重锤和重锤缆，部件二是活塞缆，部件三是主体配重和取样管及样品。为能够顺利回收部件三，我们必须引入其他甲板机械的配合来优先回收部件一和部件二。根据长期的操作经验来看，在回收阶段需要额外两台辅助绞车来配合。辅助绞车A负载较大，挂钩到平衡杆之下的第一个卸扣与活塞缆直接相连，承担整个重力活塞取样器的重力，此时脱开活塞缆和平衡杆之间的卸扣。再将辅助绞车B和平衡锤缆连接，脱开平衡杆和平衡锤缆的卸扣，再脱开主缆和平衡杆之间的连接，回收平衡杆。与此同时，辅助绞车B回收平衡锤缆和平衡锤，至此，完成了部件一的回收。而后辅助绞车A回收活塞缆将重力取样管提升水线以上，此时活塞缆已全部卷至辅助绞车A的滚筒之上，完成了部件二的回收。然后再逆向操作布放时的步骤，将重力活塞取样器固定在翻转机构之上，翻转回收至甲板面上，科学家取出衬管完成样品的回收。

需要指出的是，在上一代科考船中，曾出现过长柱状重力取样器难以回收的案例，这主要是因为没有配置辅助绞车，导致海上作业困难。一般工作中常用的平衡锤质量有150 kg和250 kg两种，而平衡杆自重也有30 kg［4］，而取完样的20 m级重力取样器自重也有数吨，30 m级的重力取样器会更重，所以如果没有辅助绞车配合作业的话，靠人力或者非专用的甲板机械辅助，势必会造成回收困难。根据笔者的经验，对于上述的30 m级重力取样器，辅助绞车A建议配置安全工作负荷5～8 t，同时需有100 m左右的容绳量以容纳绞车自身钢丝绳+活塞缆，而辅助绞车B仅需1 t左右的安全工作负荷即可，但需要较大的容绳量以保证回收绞车自身钢丝绳+重锤缆，一般需比辅助绞车A的实际容绳量多10～20 m。

2 取样器收放技术分析

2.1 常见的取样器收放系统型式

现阶段几个主流的科考船上主要配置了以下三种长柱状重力取样收放系统：长托架式、短托架式和无托架式。

2.1.1 长托架式

长托架式的取样系统（参见下页图9）最显著的特征是具有一个可以覆盖取样管全长的框架式托架将其承载于其中，整个托架的强度和刚度都足以支撑一定海况下的收放。而在长框架的头部（主体配重端）有一个机械翻转机构，而在尾部则往往是一台吊机将其牵住，这样就形成了一个双支点的梁支撑整个系统的运作。在需要布放的过程中，头部的翻转机构主动将托架从甲板上抬起并越过舷墙至舷外，同时尾部的吊机跟随整个翻转机构的动作也将取样管起升、移出。在托架完全处于舷外之后头部的翻转机构成为了一个旋转中心，而尾部的吊机释放钢丝绳直至整个托架处于垂直位置。随后主吊架（可以是舷侧A架、也可以是伸缩臂）和主绞车一起运动将重力活塞取样器提出框架，然后由伸缩臂进一步向外移动使框架和取样器完全脱离，然后释放主绞车将重力活塞取样器放向深海。

图9 长托架式长柱状重力取样收放机构

图10 短托架式长柱状重力取样收放机构

2.1.2 短托架式

短托架式又称为吊杆式的长柱状重力取样收放机构（参见图10）。它和长托架最明显的区别是其没有完整长度的托架承载整个取样管，仅在头部有一个非常短的托架承载主体配重部分。而在尾部，由于失去了整个长托架的保护，不可能仅靠一台吊机来起吊取样管，否则取样管脆弱的刚性将会使其在起吊之后迅速弯曲，取而代之的是采用若干台小吊杆均布地承载取样管的质量。当然，与长托架类似的是，其在头部也有一个翻转机构来完成取样管头部的抬起、平移和翻转工作，后面几台小吊杆也相应做类似的动作。所不同的是，小吊杆与取样管采用卡箍连接，在布放的过程中，当取样管完全竖直之后需要通过松缆等一套特殊的操作来解除卡箍，而在回收过程中也需要人工安装卡箍。

2.1.3 无托架式

无托架式的长柱状重力取样收放装置（参见下页图11）一般都是定制产品很少使用。其特征是整个取样管的翻转机构长度与取样管的长度几乎一致，但是在高度方向隐藏在舷墙内，在宽度方向尽可能占用最少的船宽。整个取样管则在舷内就对接到翻转机构之上，然后跟随其一起翻出，故而省去了托架结构，在其翻出舷外之后呈现出若干个水平吊杆起到与短托架收放装置类似的作用。而且为保证翻转机构占用的甲板面积最小化导致每个吊点的尺寸不能像短托架一样大，所以其吊点的安全工作负荷可能比较低，需要用更多的吊点来支撑同样规格的活塞取样器。由于整个取样管需要现场对接到翻转机构之上，同时翻转机构与取样管之间也一样需要卡箍或者类似的连接件连接，再者翻转机构本身并不像短托架一样允许取样管存在变形，所以需要在满足翻转机构精度的条件下同时连接取样管和卡箍，操作非常麻烦，这也是其在综合科考船上使用越来越少的原因。

图11 无托架式长柱状重力取样收放机构

图12 无托架式收放机构中取样管挠度

图13 短托架式收放机构中取样管挠度

2.2 取样器收放的几个关键因素

2.2.1 取样管挠度的控制

挠度指的是取样管在水平状态下的垂直变形量，相对应的是布放过程中“移动至舷外”和回收过程中“移动至舷内”两步骤。我们在设计过程中总是对挠度的大小有非常敏感的意识，过大的挠度不但对取样管本身的安全性不利，而且在跨舷作业时易和舷墙发生干涉。

为减少挠度，最切实有效的办法是增加取样管的支撑点（吊点），图12描述了某科考船项目采用无托架长柱状重力取样管方案（4吊点）在取样完成之后的变形量有限元计算结果；图13描述了某科考船项目采用短托架长柱状重力取样管方案（2吊点）在取样完成之后的变形量有限元计算结果。保守起见，取样管均暂定为127×7，图12和图13中的挠度非实际比例，仅为观察方便。

由上述计算可见，采用4吊点系统（无托架方案）的支撑点较多，且在取样管的主要受力段形成单/多跨梁，所以变形情况较好。采用2吊点系统（短托架方案）的支撑点少，在恶劣条件下容易形成悬臂梁而有较大变形，但是即便如此，其相对变形仍然控制在0.5%以内，且足够回收进舷内。

需要指出的两点是：

（1）算例中短托架方案仅仅是因为考虑到布置、成本等综合因素导致了吊点数量不及无托架方案，如果不计成本，则可以增加吊点数量以改善挠度；

（2）对于长托架收放机构，虽然其本身不会对取样管造成任何变形，可以将取样管保护在一个不受弯的工况中，但长托架也有一个比较大的问题，那就是重力取样管在贯入海底的一刹那会因为底质层的硬度过高或其他原因导致取样管弯折，这就需要用其他吊机或者甲板机械辅助将弯曲的取样管尽可能扳正到垂直面内，以期尽可能地放入托架内。

2.2.2 收放系统的控制简易度

从前文的描述中可以看到，取样器系统包含的起吊点、支撑点是比较多的，但是如果在控制中出现偏差的话则会造成整个系统的操作故障，所以笔者认为尽可能地减少系统中的工作部件并降低部件之间的协同难度始终是系统设计的真谛。

对于长柱状重力取样管而言，取样管下放时以靠近前部的支撑点为圆心作圆周运动，逐步旋转至竖直位置。如果在进行该运动时对取样管的支撑点越多，那么在运动过程中需要协调的点就越多，各点之间的速度关系需满足式（1）。

式中：vi为第i个支撑点的下放线速度，m/s；li为第i个支撑点距旋转中心的距离，m；ω为取样管旋转的角速度，rad/s。

这样就会对同步性提出更高的要求，也对设备在海上长期工作埋下故障隐患。当取样管确定为30 m，而要在保证作业效率的前提下必须保证一定的收放速度（ω不能太低），减少i的总数（即支撑点的数量）是非常有意义的。但是如果减少了支撑点的数量又会和上述第一点相矛盾，也会增加取样管在收放过程中的变形量，这对系统设计者而言就需要经过精密计算并结合工程经验之后反复权衡来获得一个均衡的配置。特别地，对于短托架和无托架的收放系统而言，毫无疑问其i均大于1，导致的结果就是这两型收放系统都需要至少2个部件协同操作，并且与在线速度成精确的比例关系。但是，这种速度比例越精确，对于用普遍采用液压驱动的取样器收放系统而言就越困难，间接导致了必须在这类小设备上采用变频控制的绞车以获得精确到0.1 m/s数量级的速度控制能力，这也无形中增加了成本。

2.2.3 收放系统的舷外工作强度

作为先进的综合科考船，尽可能地降低舷外的工作强度始终是设计者必须面临的挑战。虽然重力取样收放装置比较特殊，舷外作业不可避免，但是我们也要选择一种尽可能安全、可靠的收放系统型式，以降低舷外作业的强度和风险。

对于长托架而言，唯一需要舷外作业的地方就是处理平衡杆和平衡锤的挂和脱。但是对于短托架和无托架的方案而言显然除了上述工作之外还需要回收和挂上所有吊点的卡箍，这样就会增加舷外工作的时间，而且如果卡箍数量越多，则舷外工作的时间越长、强度也越大、危险系数也越高。

图14 典型的舷外作业情况

2.3 取样器收放系统对比

综合上述无托架、短托架和长托架这三种长柱状重力活塞取样器的特点，对其变形控制、控制简易度、舷外工作强度、占用甲板面积、系统全重几个方面进行了较全面的对比，参见下页表1。

表1 三种型式的长柱状重力取样收放系统对比

从表1中可以看出，三种型式的各有自己的优缺点。总体来讲，在具体选用哪一型的问题上，可以综合全船的排水量和甲板面积来考虑。笔者建议如果有类似系统的设计可以先分析甲板面积和质量上最适合哪种型式，再结合船东的使用经验、使用频率和未来的学科发展来综合判定具体哪种型式更适合所设计的科考船。在此给出一定的判断依据：

（1）长托架的方案在操作和使用上相对更为便利、可靠，但其占用面积大、系统也较重。笔者推荐用在排水量和甲板空间比较富裕的科考船上，对于船东操作该系统经验比较少的，由于长托架的操作比较方便也应被优先考虑。但是，如果作业任务牵涉到40～50 m或者更长的取样管时，长托架就有了比较大的劣势，不但会因为托架过重，增加收放系统的安全工作负荷，还会因为长度过大导致托架本身的刚度都难以控制；

（2）无托架方案在布置和质量上有很大优势，非常适合一些排水量和甲板面积紧张的船舶。但其执行机构最多、最复杂，不但会增加机械结构的故障风险，还会造成操作人员的培训周期长、操作流程复杂等困难，故不利于船东短期内熟练使用；

（3）短托架的方案则介于两者之间，是一种相对平衡的方案，也是近年来国际主流科考船使用最多的一种方案。特别需要指出的是，短托架方案可以通过增设小吊杆来收放更长的取样器，目前国际上50 m以上的长柱状取样器也基本上都是通过短托架的方案完成的。

3 结 语

本文通过对长柱状重力活塞取样器结构的介绍、对取样流程的阐述，以及对不同取样器翻转机构的对比，给设计者一个合理的推荐参考。由于长柱状重力取样装置除了基本的翻转机构之外还需要主绞车（一般是纤维缆绞车）和主吊架（一般为舷侧A架或者舷侧伸缩臂）来配合作业，这两种设备的参数、型式选取也非常复杂，鉴于本文的篇幅有限，所以未详细展开。未来我国的长柱状重力取样器的发展还是需要面向全海深、超长度、智能化的方向发展，进一步缩小与国外顶尖科考船的差距，其中全海深的要求重点在于绞车系统的技术革新，而50 m以上的超长度由于不方便再采用长托架完成显得异常困难，需要有更新型的取样器收放系统来高效、可靠的完成取样作业。