基于蛟龍號載人潛水器的深海非接觸磁力驅動式沉積物貫入強度測量裝置設計

摘要：

沉積物貫入強度探測是一種重要的深海沉積物強度原位測試技術。針對7000米級深海極端環境特點及精細化原位測量科學需求，開展了一種基于蛟龍號載人潛水器的深海非接觸強磁式沉積物貫入強度原位測量裝置研究，突破了原有貫入強度測量技術在7000米級深海結構復雜，無法實現原位、精細化測量的問題，提出了一種基于載人潛水器的永磁體力平衡傳導非接觸原理解決深海耐壓與應變片形變傳導的技術方法，并完成了樣機研制及深海海上試驗，取得了良好的測試效果。整套系統采用自容式工作方式進行數據的采集及存儲，可與計算機連接實現數據原位讀取，作業水深7000 m，貫入深度最大250 mm，測量量程 0～100 kPa，精度可達5%～10% FS。2021年3月在帕里希維拉海盆，搭載蛟龍號載人潛水器在181、185潛次中完成了5200 m及6650 m海試應用，成功獲得土工力學數據。

關鍵詞：沉積物貫入強度；強磁傳導；原位測試；載人潛水器

中圖分類號：TU413

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.06.013

Design of Deep-sea Non-contact Magnetic Drive Sediment Penetration Measurement Devices Based on Jiaolong Manned Submersible

REN Yugang1，2 LIU Yanjun2 DING Zhongjun1

1.National Deep Sea Center，Qingdao，Shandong，266237

2.School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan，250061

Abstract： Sediment penetration test was an important in-situ testing technique for deep-sea sediment strength. In view of the extreme environmental characteristics of the 7000 meter deep sea and the scientific demands for fine in-situ measurement， a deep-sea non-contact strong magnetic sediment penetration strength in-situ measurement device was developed based on the Jiaolong manned submersible， which broke through the problem that the original penetration measurement techniques in the 7000 meter deep sea structure was complex and could not achieve in-situ and fine measurement， A new method of solving deep-sea pressure resistance and strain gauge deformation conduction was proposed based on the non-contact principle of permanent magnetic force balance conduction of manned submersible. The prototype development and deep-sea sea tests were completed， and good test results were obtained. The whole system adopted self-contained working mode to collect and store data， and might be connected with the computer to realize in-situ data reading. The operating water depth is as 7000 m， the maximum penetration depth is as 250 mm， the measuring range is as 0～100 kPa， and the accuracy may reach 5%～10% FS（full scale）. In March 2021， the Jiaolong manned submersible completed 5200 m and 6650 m sea trials in 181 and 185 dives in the Parihivila basin， and successfully obtained geotechnical data.

Key words： sediment penetration； strong magnetic conduction； in-situ test； manned submersible

收稿日期：2022-09-18

基金項目：

山東省自然科學基金（ZR2020QD041）；國家重點研發計劃（2022YFC2805205）；國家自然科學基金（52175018）

0 引言

隨著我國深海探測的不斷深入，深層探測及勘探開發面臨新的挑戰，對海底沉積物工程力學參數測定日益迫切，目前的測試手段主要包括實驗室測試和現場原位測試。隨著測量技術的進步，原位測試因能實現原狀態現場即時感知，從而能夠有效避免取樣中層序擾動以及在運輸過程中的碰撞帶來的測量誤差影響，使得測量數值更為精準真實，是目前深海探測技術的前沿技術方向［1-3］。

目前國內外針對6000米級深海的沉積物原位阻力測量儀器的研究較少，國外學者開展了較為成熟的研究工作，部分已經實現了商業化開發。SPOONER等［4］針對湖泊沉積物測量需求研制了一款微小型沉積物貫入儀（cone penetrometer，CPT），該貫入儀配置了1個加速度傳感器，質量僅為2 kg，長度小于30 cm；COLP等［5］研制了一款2000米級深海CPT裝置，其質量為48 kg，配置了一個加速度傳感器；STEGMANN等［6］研制了一款工作水深為4000 m的深海貫入儀（deep-water cone penetrometer，DW-CPT），配置了加速度、絕壓及差壓傳感器；STEPHAN等［7］研制了一款工作水深為45 000 m的沉積物貫入設備（LiRmeter），可實現加速度及孔隙水壓力的測量，并實現了工程化應用。國內，賈永剛等［8-9］完成了1500米級自由下落式沉積物貫入儀（free fall-CPT）研制，并成功完成了海試。

上述CPT測試技術能夠解決深海沉積物阻力強度測量的難點，但是其測量手段類似于重力式取樣器，普遍存在體型巨大、儀器笨重、嚴重受制于母船及海況條件、布放困難、測量區域不可控等問題，無法實現精確測量和即時測量。以蛟龍號為代表的深海近底高精細勘探作業裝備得到了迅速發展，2012年完成了7062 m世界最深下潛，并完成了5年試驗性應用航次［10-12］，體現出獨特的作業優勢，開創了高效精細勘探的新模式。本文在國內外自由下落式CPT研究基礎上，結合以蛟龍號為代表的大型深海運載裝備深海精細作業特點，為實現定點區域的高效精確原位測量，提出了基于蛟龍號載人潛水器的深海非接觸強磁式沉積物貫入強度原位測量裝置（Jiaolong-miniature sediment penetrometer，JL-MSPT）設計，旨在針對深海資源勘探區土工力學特征原始數據研究需求，結合蛟龍號定點精確作業特點，研制蛟龍號配套貫入式原位測量裝置作業工具，開展深海稀軟海底沉積物的力學特點的測量，獲取高精度原位土工力學數據，同時考慮到深海高壓特點，采用了強磁式力傳導+高精密力傳感應變片測量方法。

1 深海磁力驅動式沉積物貫入強度評價方法分析

深海沉積物主要指深海2000 m以下的海底沉積物質，通俗稱為“軟泥”，其形成機制較為復雜，包括海洋塵土（火山灰、宇宙塵等）、生物遺骸、自生沉積、陸源黏土膠體等［13-14］，對其土工力學進行測量，可為開展后續深海資源開發提供重要基礎參數。美國、日本等國家都對深海沉積物的物理特性進行過研究分析，我國也曾在2002年4月由中國大洋協會組織，長沙礦冶研究院、中南大學等單位具體開展了深水鈷結殼樣品的物理力學性能測試，各國的分析結果表明，目前5000米級以深的沉積物多為細軟泥，表層力學貫入阻力約為100 kPa級［15-16］。

1.1 沉積物貫入軟泥剪切力評價方法

根據RMAI等［17］提出的錐頭形觸探儀貫入剪切強度評價方法，深海軟質沉積物貫入剪切力測算數學模型為

p=qc+（1-α）μ-σsf（1）

式中，p為貫入剪切強度，kPa；qc為錐尖阻力，kPa；α為儀器的不平衡面積比，此處為0.75；μ為孔隙水壓力，kPa；σs為上覆土體壓力，kPa；f 為軟黏土中的錐尖阻力系數，量綱一。

其中錐尖阻力系數f受到很多因素影響，通過大變形分析法（RITSS）［17］得到f的變化范圍約為 9.2～10.8，本文f變化范圍約為 9.1～9.9，因此可初步驗證數值結果的可靠性。為便于工程應用，阻力系數f取值為9.5。

確定剪切強度后，計算沉積物貫入力，測算公式如下：

Fg=pSt（2）

式中，Fg為沉積物貫入力，N；St為貫入探桿截面積，cm2。

1.2 永磁體磁力傳導測量原理

考慮到7000米級深海極端高壓特殊條件，提出了一種強磁傳導的非接觸方法以解決深海耐壓與應變片形變傳導的技術難題，嘗試將磁力傳導應用于深海力學測量，本質上是基于力平衡基本原理，其評價方法如下：

F=Fc=Fg=pSt（3）

式中，F為最終測得的等效貫入阻力，N；Fc為上下永磁體間產生的最終磁力，N。

當推桿貫入沉積物時，推桿的移動帶動下強磁體產生位移，根據磁力同性相斥基本原理，隨著下永磁體靠近上永磁體，它們之間產生了磁力Fc，隨著距離的趨近，磁力與貫入力逐漸平衡；同時上永磁體在磁力作用下也會產生位移，從而對應變曲軸帶來形變影響，產生應變力Fs，應變力與磁力平衡方程為

Fs=lS=Fc（4）

式中，l為軸向應變量，cm；S為應變片徑向截面積，cm2。

最終通過測量應變片電壓可推算出等效阻力F，從而實現貫入力的測量，具體原理如圖1所示。

1.3 深海環境下全流程貫入機理分析

下水前，對JL-MSPT沉積物強度原位測量裝置進行通電測試，將上部控制艙模塊與下部耐壓強磁觸發與測量模塊及T形機械手把手、保護罩進行組裝。隨后進行系統檢測，保持電池電量充足，設計采集參數，完成數據通信測試，并將整套裝置安裝于蛟龍號采樣籃上，T形把手朝上，磁觸發開關進行通斷測試，完畢后準備隨蛟龍號進行下潛作業工作。作業中，蛟龍號到達作業點后開展精確作業，潛航員操縱機械手抓住JL-MSPT裝置T形把手，通過調整機械手角度，使裝置保持垂直向下，利用開關式機械手上的磁性觸發開關將裝置測量系統開啟，系統啟動后緩慢地將裝置插入沉積物中，靜止5 min完成測量。回收過程中，JL-MSPT隨蛟龍號回收至甲板，將數據進行讀取和轉存，并記錄儀器姿態、經緯度、水深等數據。將采取的數據進行處理、實驗、研究，示意圖見圖2。

2 磁力驅動式深海沉積物測量系統研究

2.1 總體結構設計

針對深海大深度海底沉積物土工力學強度原位測量時存在測量裝置結構復雜、效率低下等技術難題，開展了一種新型的深海非接觸強磁式沉積物強度貫入式微型原位測試裝置研究，如圖3所示。測量系統主要由數據采集單元、通信及存儲單元、耐壓控制艙（包括主控板、采集轉換板、RTC時鐘、傳輸線等）電源、基于磁力傳導原理的貫入力傳感器、貫入探桿及機械手夾持機構等組成。其中耐壓控制艙模塊包括磁開關單元、無線通信單元、控制主控板單元、電池單元、傳感器、數據采集單元等組成；下部耐壓強磁觸發與測量模塊由徑向耐壓殼體、應變測量系統、應變曲軸、上端強磁體、下端強磁體、預置彈簧、探桿組成，具體指標參數見表1。

深海原位貫入力傳感器單元整體分兩個部分且為一體式結構，前端為磁動傳力機構，其內裝有活塞桿，后端內置有測力傳感器。活塞桿外端安裝有其他零件的螺紋 M10×1.5 mm，活塞桿采用的是輕質硬鋁合金材質，密度足夠小。當活塞桿端受力時，活塞桿向內部壓縮移動，磁動傳力機構將活塞桿端的作用力傳遞至內置測力傳感器上，從而使得活塞桿端的受力最終被傳感器測到，如圖4所示。

傳感器單元是整套裝置觸發與測量的核心，由徑向耐壓殼體、應變測量系統、應變曲軸、上端強磁體、下端強磁體、預置彈簧、探桿組成，耐壓殼體高100 mm，內徑16 mm，外徑22 mm，采用316L高強度不銹鋼制造，最大耐壓80 MPa；上端通過應變曲軸將控制艙與測量單元連接在一起，曲軸的徑向貼有應變片，應變片通過電線與控制艙的主控數據采集板連接，實現測量；應變曲軸下端與觸發強磁連接在一起，強磁體布置于傳感器單元的底部；強磁體的下方布置另一個強磁體，該強磁體與外面海水相通，下端強磁體與測桿連接為一體，當測桿由于貫入沉積物而上移時，下端強磁體同步產生上移，上下兩個強磁體由于同性相斥產生了等同的排斥力，從而引起應變曲軸的形變，以此測量出應變力。

2.2 控制模塊設計

耐壓控制艙設計高度為20 cm，內徑為8 cm，外徑為12 cm，上下端由端蓋固定，并加O形圈密封。耐壓控制艙內置鋰電池供電單元（5～12 V）、數據存儲與控制單元，并根據未來功能需要預留了4通道信號通信與控制鏈路，配置姿態傳感器與加速度傳感器，內部電路采用上下疊形布置，由4個絲桿固定，通過水密電纜與上部的磁開關及通信天線連接，與下部的應變測量系統連接，如圖5所示。

JL-MSPT采集系統（圖6）包括水下自動數據采集、存儲及參數設置3個模塊。其中采集板由上層核心數字板和下層模擬板組成，選定STC12C5A60S2系列單片機芯片、復位電路和晶振電路組合成測量所需的單片機，采集參數包括應變阻力、加速度，這些數據均以原始電壓值存儲于模塊存儲器內，為實現不低于30 min的連續測量能力，系統電源容量不低于1000 mA·h。

JL-MSPT數據采集系統可實現無線數據傳輸，可選用B-0004 BLE無線模塊，并將天線通過水密接插件引出電子艙外，實現無線信號的發射與接收。與此同時也可以利用6針水密接插件通過串口通信形式實現USB電腦傳輸，利用Window系統自帶的超級終端軟件實現數據連接與傳輸。

串口線連上并且超級終端配置好以后，就可以給記錄儀加電，在超級終端上就可以看到記錄儀傳上來的啟動信息。可以在“Cmd：”提示符后面輸入相應命令設定時間、日期、采樣頻率等參數，如圖7所示。

2.3 基于有限元理論的耐壓結構安全分析

選擇材料為7075-T651型鋁合金，由GB/T14976可得到材料的相關物理性能參數如表2所示。

電子艙內徑主要由電源的尺寸大小確定，為70 mm，外徑根據承壓能力87 MPa由經驗公式確定為120 mm，厚度為25 mm，長度根據電路板尺寸以及電源尺寸設計為220 mm，設備的總質量約為5 kg。

根據公式

Lcr=1.17DoDo/δe（5）

式中，Do為該殼體的外徑，此處Do=120 mm；δe為該殼體的有效厚度，此處δe=25 mm；Lcr為長短筒的臨界長度值，mm。

可以求得Lcr=563.95 mm gt;220 mm，因此可以判定此殼體為短筒。根據殼體壁厚與內徑的比值δe/Di=25/120gt;1/10可以判斷該殼體為厚壁筒體。基于上述兩個結論，可判斷知該殼體的剛性好，為剛性圓筒，不會因失穩而破壞。

由《壓力容器應力分析與強度設計手冊》［18］可知，壓力容器在進行設計時要進行剛度、強度、穩定性和泄漏等失效的判定，短厚圓筒不存在穩定性失效的可能，因此需要對所選用材料的強度進行失效判定。常用的失效判斷依據有兩個，一個是根據第三強度理論的判定（Tresca準則），另一個是根據第四強度理論（Mises準則）的判定。短厚圓筒的許用外壓［p］計算公式為

［p］=2.6E（δe/Do）2.5m（L/Do）（6）

式中，E為圓筒材料的彈性模量，由標準可知E=71 GPa；m為穩定安全系數，此處取值為3；L為筒體的長度，此處取值為220 mm；δe此處也取25 mm。

將上述數值代入式（2）可求得筒體的安全許用外壓力約為95.7 MPa，大于深海7000 m處的海水壓力71.75 MPa且大于安全系數是1.2倍時的海水壓力值87 MPa。由此可知設備在深度為7000 m的海水中工作時不會被外界海水高壓破壞。

根據應力計算公式

σcr=pcrDo2δe（7）

計算得到耐壓艙殼體的應力σcr=245 MPa，遠小于所選用材料本身的屈服應力極限524 MPa。將強度校核公式

式中，Di為殼體最大內徑，此處取值為70 mm；［σ］θ為設計溫度θ下的許用應力，此處取值為245 MPa；為焊縫系數，無焊縫取值為1；δn為殼體的名義厚度，此處取值為25 mm；C為腐蝕量，此處取鋁合金的電化學腐蝕值1.5 mm。

將上述數值代入式（5）可得到校核壓力p=261.7 MPa，遠大于水下7000 m處的海水壓力，因此該耐壓殼體可以保證內部電器元件在水下正常工作。

利用ANSYS Workbench進行有限元分析（圖8），將電子艙三維IGS模型導入Workbench模塊中，定義材料為7075-T651型鋁合金，泊松比為0.3，采用Tetrahedrons四面體法進行網格劃分，對上下端面及四周加載70 MPa壓力載荷，得到耐壓艙應力云圖和應變云圖，見圖8。由應力云圖可知，最大受力點集中在端面附件，最大應力為456 MPa，安全系數為1.15，在安全許可應力范圍內；由應變云圖可知，最大變形量為0.0072 mm，位移幅度較小，滿足設計許可要求。

3 實驗測試標定及深海原位試驗驗證

3.1 實驗室測試標定

為確保測量參數的有效性，開展了實驗室測試標定工作，如圖9所示。通過加載標準砝碼測量輸出的電壓值方法標定測試值。其中傳感器電源電壓采用直流5 V電壓，輸出為差分電壓信號，接入臺式萬用表進行電壓測試（精度1 μV），輸出的電壓值范圍為-0.498～0.234 mV，輸出電壓差值約為0.7 mV。

3.2 7000米級打壓試驗及與蛟龍號的聯調測試

2019年11月課題組開展了7000米級深海環境下壓力測試試驗（圖10），通過4個高壓循環試驗，土工原位測量裝置未發生漏水情況，通過了壓力測試。2019年10～11月，連續開展了3次與蛟龍號聯調測試，效果良好（圖11）。

3.3 深海真實環境下應用驗證

2021年3月在帕里希維拉海盆，蛟龍號搭載了深海非接觸強磁式沉積物貫入強度原位測量裝置完成了181、185兩個潛次任務，最大下潛深度6650 m，如圖12所示。

深海作業過程中蛟龍號機械手操作順暢，成功獲得了6000米級深海原位土工力學數據，布放和回收過程中系統無異常，系統整體完好無損傷，水下工作過程中，數據采集正常，系統工作穩定，獲得了科技部隨船專家現場見證并完成了現場考核。

本次驗收海試，高精度土工力學觸探儀累計獲取20.5 h原位記錄數據，其中，提取了181潛次、185潛次部分數據進行簡要分析，結果如圖13所示。

4 結語

基于蛟龍號載人潛水器的深海非接觸磁力驅動式沉積物貫入強度測量裝置成功完成了兩個潛次的水下作業，基本達到了設計要求。同時需要指出的是該測量裝置尚未完成標準計量標定，其測量精度的可靠性及穩定性有待于后續進一步驗證，但是為深海土工力學原位測量領域提供了一種新的理論方法和設計思路，該方法有效避免了深海耐壓及密封技術難點，甚至可實現原位即時數據測量，可為后續實現萬米級深淵土工力學測量研究提供另一種研究思路。

致謝 本文得到了國家重點研發計劃“蛟龍號載人潛水器科學應用與性能優化”項目及蛟龍號科學應用航次的大力支持，完成了深海6000米級蛟龍號作業試驗測試，對航次參航隊員表示感謝！

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（編輯 王艷麗）

作者簡介：

任玉剛，男，1987年生，高級工程師。研究方向為載人潛水器作業應用技術。

丁忠軍（通信作者），男，1974年生，教授、博士研究生導師。研究方向為載人潛水器傳感探測及其作業應用技術。E-mail：dzj@ndsc.org.cn。