深海冷泉流体保温保压取样器

技术领域

本发明涉及深海取样，特别是一种深海冷泉流体保温保压取样器。

背景技术

深海冷泉是与周围海水温度基本一致，以水、碳氢化合物、硫化氢或二氧化碳为主要成分，并产生物理化学及生物作用，以喷涌或渗漏方式从海底溢出的流体。目前，深海取样器通常是针对深海热液进行保温取样，已有的针对深海冷泉的取样器设计多数是考虑如何维持冷泉样品的原位压力，却没有充分考虑外部温度变化对冷泉样品中微生物活性、气体溶解度变化的影响，在冷泉区进行流体微生物取样时，所取样品随着深潜器上升转移需要花费数个小时，在没有保温材料的情况下，样品的物理化学性质及内部微生物活性将受到外部温度影响而发生变化，使原位取样及陆上实验室培养失去价值。

现有技术中，申请号为201710984626.4、申请名称为“一种深海保压有机物取样器”的专利主要以维持取样区样品压力为主，忽略整个取样转移过程中样品温度变化对微生物活性及各组份物性的影响；申请号为201410624574.6、申请名称为“一种高保温效果的热液取样器”的专利取样装置样品进出口为薄壁管状结构且不共用通道，内径尺寸及位置分布不合理，造成端面开孔过多，接口处容易爆裂及泄露，样品容易被渗入的空气及杂质污染，使原位取样失去意义；申请号201620156199.1、申请名称为“基于可控单向阀串联结构的深海海水保压取样器”的专利，申请号为201510028650.1、申请名称为“一种采水器”的专利，其取样装置无法搭载实时反映所取样品在转移过程中温度和压力变化的检测装置；申请号为200310122819.7、申请名称为“一种手持式深海热液保真采样器”的专利取样装置过于笨重，在充氮泄压、样品转移及清洗时拆卸困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种深海冷泉流体保温保压取样器，能够维持所取样品原位温度和压力，实现所取样品的高保真，能够有效提高冷泉流体样品的取样率，方便所取样品的转移，可适应深海冷泉极端环境，为深海冷泉流体生态系统及矿产资源研究提供技术及装备支撑。

本发明的技术方案是：一种深海冷泉流体保温保压取样器，其中，包括外筒结构和内筒结构，外筒结构包括外筒筒体，外筒筒体的两端分别固定有外筒端盖，两外筒端盖与外筒筒体组成密闭的腔体，内筒结构设置在该腔体内，外筒筒体一侧的端盖外壁固定有取样阀装置，该侧外筒端盖内设有与取样阀装置连通的进样通道；

所述内筒结构包括内筒筒体、充氮皮囊、活塞和测压接头，内筒筒体和外筒筒体之间填充有保温隔热层，内筒筒体的两端分别固定有内筒端盖，两内筒端盖与内筒筒体组成密闭的腔体，充氮皮囊设置在内筒筒体的腔体内，朝向取样阀装置的内筒端盖为内筒进样端端盖，内筒进样端端盖内设有进样通道，该侧内筒端盖与安装有取样阀装置的外筒端盖之间通过PEEK连接体固定连接，PEEK连接体内设有进样通道，实现外筒端盖、PEEK连接体和内筒端盖内进样通道的连通，充氮皮囊的一端与测压接头连接，测压接头的一端与充氮皮囊连接，测压接头的另一端穿过另一侧的内筒端盖，与测压接头螺母连接，充氮皮囊和内筒进样端端盖之间设有活塞，活塞与内筒筒体的内筒壁之间滑动连接，活塞与充氮皮囊接触；

所述取样阀装置包括T型针阀、阀体和单向快速接头，阀体与外筒端盖的外侧壁固定连接，阀体内设有进样通道，单向快速接头设置在阀体内，且固定在外筒端盖的进样通道处，阀体的进样通道的进样端处设有T型针阀，T型针阀通过针阀连接体和六角薄螺母与阀体固定连接，针阀连接体设置在阀体进样端与T型针阀之间，针阀连接体的外部设有六角薄螺母，T型针阀的底部与阀体支架设有针阀密封垫；

所述内筒端盖的外壁固定有探杆式温度传感器和压力传感器，探杆式温度传感器的探头部分接触内筒筒体内的样品，探杆式温度传感器的外部通过数据线连接数据采集系统，压力传感器的一侧接触内部样品，压力传感器的外侧通过数据线连接数据采集系统，数据采集系统固定在外筒端盖的内壁，数据采集系统包括传感器供电模块、数据采集及转换模块和数据存储模块；外筒端盖的外壁设有水密接插头和外部CTD，水密接插头为六芯接头，其一端与数据采集系统连接，另一端与数据显示器连接。

所述测压接头的外侧设有测压接头保护罩，测压接头保护罩与内筒左端盖的外壁固定连接，对测压接头起到了保护和密封作用。

所述外筒筒体的环形外壁固定有两组外筒抱箍，T型提手的两端分别与两外筒抱箍连接，机械手夹持T型提手，实现了该取样器的安放。

与充氮皮囊连接的内筒端盖的环形外侧设有尼龙环挡圈，尼龙环挡圈与拖曳绳连接，拖曳绳的一端与尼龙环挡圈固定连接，另一端设置在保温隔热层与外筒端盖内侧的结合处，用于拖拽尼龙环挡圈。

所述内筒进样端的内壁设有活塞限位环33，活塞限位环33与内筒筒体呈一体式结构，防止拆卸过程中高压充氮皮囊对活塞产生轴向冲击的安全隐患，提高操作的安全性。

所述内筒筒体的外筒壁上安装有贴片式温度传感器。贴片式温度传感器用于采集内筒筒体壁温度，从而确定内筒筒体内样品的温度变化，同时可以反映外部热量径向传递到内筒筒体外壁的温度变化。

所述外筒筒体和内筒筒体的中部之间设有PEEK支撑环，实现了对内筒筒体的径向支撑，PEEK支撑环由两个半圆环组成，PEEK支撑环的环形外壁与外筒筒体接触，PEEK支撑环的环形内壁与内筒筒体固定连接，PEEK支撑环的环形内壁与内筒筒体之间安装有定位紧固带。

所述内筒端盖内的进样通道、外筒端盖内的进样通道和PEEK连接体内的进样通道的直径为3mm。

本发明的有益效果是：

(1)实现了样品的无污染取样，在取样前对样品进口通道进行抽真空处理，并且在取样后，单向快速接头可以防止内部样品外流和外部海水的进入，有效避免原位样品受到污染；

(2)采用直径为3mm的进样通道，在保证采样速率的同时避免了取样瞬间对取样器内部的冲击，又能过滤掉直径大于等于3mm的生物及杂质；且进样通道均为各内部通孔，相较于薄壁管状通道强度更高，不会出现接口爆裂及泄露，配合更紧密，有效避免多条进出口管道带来的加工及安装不便；

(3)取样及样品转移过程操作简便，取样时只需将T型针阀轻轻打开即可顺利取样；样品转移时只需要拆卸阀体，将快接接头连接到单向快速接头即可实现样品的顺利转移；

(4)内、外筒之间充分填充保温隔热层，在满足保温及隔热要求的前提下，实现了对深海冷泉原位取样的被动保温和保压，能够较好的维持冷泉取样的原位温度和原位压力，大大缩减外筒内径及外筒轴向长度，减轻取样器整体重量；

(5)该取样器的充氮泄压、取样器清洗操作简单。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图；

图2是本发明的外部结构示意图；

图3是本发明的内部结构示意图；

图4是针阀进口处的半剖结构示意图；

图5是PEEK连接体的结构示意图；

图6是保温隔热层的结构示意图；

图7是充氮皮囊的结构示意图。

图中：1外部CTD；2阀体；3单向快速接头；4针阀密封垫；5针阀连接体；6六角薄螺母；7T型针阀；8外筒右端盖；9外筒筒体；10保温隔热层；11PEEK连接体；12外筒抱箍；13T型提手；14PEEK支撑环；15尼龙环挡圈；16测压接头；17测压接头保护罩；18测压接头螺母；19外筒左端盖；20拖拽绳；21内筒左端盖；22充氮皮囊；23内筒筒体；24贴片式温度传感器；25活塞；26内筒右端盖；27探杆式温度传感器；28压力传感器；29数据采集系统；30水密接插头；31外接数据显示器；32定位紧固带；33活塞限位环。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1至图3所示，本发明所述的深海冷泉流体保温保压取样器包括外筒结构和内筒结构，外筒结构包括外筒筒体9，外筒筒体9的两侧分别设有外筒左端盖19和外筒右端盖8，外筒左端盖19、外筒右端盖8和外筒筒体9组成一个密闭的腔体，同时还起到了外部承压的作用。内筒结构设置在该腔体内，内筒结构和外筒结构之间填充有保温隔热层10，隔绝外部热量的传入，提高了冷泉样品取样和转移过程中的保温和隔热效果。保温隔热材料可以采用二氧化硅气凝胶毡、真空绝热板、发泡聚氨酯、或者其它能够起到保温隔热作用的材料，本实施例中优先选用二氧化硅气凝胶毡，对取样得到的冷泉样品起到了保温和隔热的作用，能够很好的维持冷泉取样的原位温度和压力，实现了冷泉样品原位取样的被动保温。外筒筒体9的环形外壁固定有两组外筒抱箍12，T型提手13的两端分别与两外筒抱箍12连接，机械手夹持T型提手13，实现了该取样器的安放。外筒筒体9一侧的端盖外壁固定有取样阀装置，本实施例中，在外筒右端盖8的外侧设置取样阀装置，外筒右端盖8内偏心设置进样通道，样品通过该进样通道进入该取样器或者从该取样器内转移。

如图4所示，取样阀装置包括T型针阀7、阀体2和单向快速接头3，其中阀体2与外筒右端盖8的外侧壁固定连接，阀体2内设有进样通道，单向快速接头3设置在阀体2内，且固定在外筒右端盖8的进样口处，该单向快速接头3只允许样品单向流动，本发明中，在正常压力情况下，单向快速接头3只允许样品从外筒结构流入内筒结构中。阀体2的进样通道的进样端处设有T型针阀7，通过T型针阀可以控制样品的进入量。T型针阀7通过针阀连接体5和六角薄螺母6与阀体2固定连接。针阀连接体5设置在阀体2进样端与T型针阀7之间，起到了连接阀体2和T型针阀7的作用，针阀连接体5的外部设有六角薄螺母6，旋紧六角薄螺母6，起到了紧固T型针阀7的作用。T型针阀7的底部与阀体2支架设有针阀密封垫4，针阀密封垫4用于T型针阀关闭状态下的密封，提高了阀体2进样端的密封性。

内筒结构包括内筒筒体23、充氮皮囊22、活塞25和测压接头16，本实施例中，内筒筒体23的一端与内筒右端盖26固定连接，内筒筒体23的另一端固定有内筒左端盖21，内筒筒体23与内筒右端盖26、内筒左端盖21组成密闭的腔体，同时还起到了内部承压的作用。充氮皮囊22设置在内筒筒体的腔体内，充氮皮囊22的左端与测压接头16连接，测压接头16的右端与充氮皮囊22连接，另一端穿过内筒左端盖21，与测压接头螺母18连接。充氮时，卸下测压接头螺母18，将外部蓄能器与测压接头16连接，通过测压接头16向充氮皮囊22内充氮加压。测压接头螺母18对测压接头16起到了保护和密封作用。测压接头16的外侧设有测压接头保护罩17，测压接头保护罩17与内筒左端盖21的外壁固定连接，测压接头保护罩17与内筒左端盖21之间设有O型圈，实现了测压接头保护罩17与内筒左端盖21之间的密封连接，测压接头保护罩17对测压接头16起到了保护和密封作用。

内筒左端盖21的环形外侧设有尼龙环挡圈15，尼龙环挡圈15与拖曳绳20连接，拖曳绳20的一端与尼龙环挡圈15固定连接，另一端设置在保温隔热层10与外筒左端盖内侧的结合处，用于拖拽尼龙环挡圈15。在利用测压接头16对充氮皮囊22进行泄压过程中，先将外筒左端盖拆除，然后拉动拖拽绳20，拖拽绳20拉动尼龙环挡圈15向外移动过程中，将尼龙环挡圈15外侧的保温隔热层移除，卸下测压接头保护罩和测压接头螺母，将外部蓄能器连接测压接头16，进行泄压操作。

充氮皮囊22的右侧设有活塞25，活塞25位于充氮皮囊22和内筒右端盖26之间，活塞25与内筒筒体23的内筒壁之间滑动连接，活塞25与充氮皮囊22接触。内筒筒体23靠近内容右端盖的内壁即内筒筒体进样端的内壁设有活塞限位环33，防止拆卸过程中高压充氮皮囊22对活塞25产生轴向冲击的安全隐患，提高操作的安全性，本实施例中活塞限位环33与内筒筒体23为一体式结构。内筒筒体23的外筒壁上安装有贴片式温度传感器24，贴片式温度传感器24用于采集内筒筒体壁温度，从而确定内筒筒体内样品的温度变化，同时可以反映外部热量径向传递到内筒筒体外壁的温度变化。

内筒右端盖26内偏心设置进样通道，样品通过进样通道进入内筒筒体23内或者从内筒筒体内转移。内筒右端盖26的外壁固定有探杆式温度传感器27和压力传感器28，探杆式温度传感器27的探头部分接触内筒筒体内的样品，探杆式温度传感器27的外部通过数据线连接数据采集系统29，探杆式温度传感器27主要用于实时采集内筒筒体内样品的温度变化。压力传感器28的一侧接触内部样品，压力传感器28的外侧通过数据线连接数据采集系统29，主要用于实时采集内筒筒体内样品的压力变化。本实施例中，数据采集系统29固定在外筒右端盖8的内壁，数据采集系统29包括传感器供电模块、数据采集及转换模块和数据存储模块。外筒右端盖8的外壁设有水密接插头30和外部CTD(Conductivity TemperatureDepth，温盐深，简称CTD)1，水密接插头30为六芯接头，其一端与数据采集系统29连接，另一端与数据显示器31连接，通过数据显示器31实时显示内筒结构中样品的温度和压力变化。外部CTD1用于检测深海流体取样点的温度、压力和盐度。

内筒结构和外筒结构之间通过以下结构实现连接。首先，外筒筒体9和内筒筒体23之间设有PEEK支撑环14，PEEK支撑环14由两个半圆环组成，PEEK支撑环14的环形外壁与外筒筒体9接触，PEEK支撑环14的环形内壁与内筒筒体23固定连接，PEEK支撑环14的环形内壁与内筒筒体23之间安装有定位紧固带32，定位紧固带32用于防止PEEK支撑环14轴向移动，本实施例中PEEK支撑环14位于外筒筒体9和内筒筒体23的中部，实现了对内筒筒体23的径向支撑。另外，内筒右端盖26和外筒右端盖8之前通过PEEK连接体11固定连接，实现了内、外筒之间的轴向固定连接及支撑，同时PEEK连接体11内设有进样通道，实现了外筒右端盖8内的进样通道与内筒右端盖26内的进样通道之间的连通。本实施例中，内筒端盖内的进样通道、外筒端盖内的进样通道和PEEK连接体11内的进样通道的直径均为3mm，在保证采样速率的同时避免了取样瞬间对取样器内部的冲击，又能过滤掉直径大于等于3mm的生物及杂质。同时PEEK(poly-ether-ether-ketone，聚醚醚酮，简称PEEK)作为非金属材料，能够有效减少热量在内筒结构和外筒结构之间的轴向传导。

利用该取样器实现样品取样的工作过程如下所述。取样器在取样前，先通过测压接头16给充氮皮囊22预充相应取水深度压力值的40％～60％，活塞25在充氮皮囊22的压力作用下处于内筒右侧活塞限位环处，T型针阀7处于拧紧关闭状态，从T型针阀7与针阀密封垫4结合的封口处到活塞25右侧之间的样品通道均处于抽真空状态，有效避免了气体及海水对原位样品的污染；到达指定流体取样区取样时，深潜器机械手夹持T型提手13将取样器阀体2的进样口放到取样区，外部CTD1会对取样区的温度、压力及盐度进行采集，机械手手动旋转打开T型针阀7，样品在内外压差的作用下依次经过阀体2、针阀密封垫4、单向快速接头3、外筒右端盖8、PEEK连接体11、内筒右端盖26，最终到达内筒筒体23内，并推动活塞25向充氮皮囊22侧移动，活塞25在样品压力的作用下挤压充氮皮囊22，受压充氮皮囊22压力与所取样品压力达到平衡时，机械手手动旋转关闭T型针阀7，完成一次取样试验。整个回收过程中，所取冷泉样品在充氮皮囊22及紧密的结构密封条件下不会发生压力泄露，而且冷泉样品被保温隔热层10层层包裹，能够极好的维持冷泉取样的原位温度，达到理想的保温保压取样效果；搭载的贴片式温度传感器24、探杆式温度传感器27及压力传感器28能够实时采集内部样品的温度及压力变化数据，并传输给数据采集系统29，通过水密接插头30直观地反映到外接数据显示器31上。

样品转移时，先将阀体2从外筒右端盖8拆卸，然后将快接接头连接到单向快速接头3，在内外压差作用下即可实现样品的顺利转移。

清洗该取样器时，只需在单向快速接头3处连接取水接头，采用高压水泵将纯净水压入取样器中(压力50～70MPa),而后再将水放出，重复上述动作过程三次即可将取样器清洗干净。

在充氮泄压时，拉动拖拽绳20，拖拽尼龙环挡圈15带出左侧保温隔热层10，然后卸下测压接头保护罩17及测压接头螺母18，外部蓄能器或者外部充氮装置连接测压接头15即可实现充氮泄压。

以上对本发明所提供的深海冷泉流体保温保压取样器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。