鏈式海底地震儀節點結構設計與試驗

張川 周建平 阮愛國 翁利春 段磊 曾錦鋒 陳寧特

摘要：海底地震儀是一種重要的海洋地震觀測設備。針對中國近岸淺海洋流噪聲大和人類活動頻繁的特點，提出鏈式地震觀測方式并對鏈式海底地震儀節點進行機械結構設計。首先根據內部構件尺寸與布局對地震儀節點整體結構進行設計;然后通過理論計算與有限元仿真方式確定地震儀節點倉體的殼體厚度、端蓋厚度和密封尺寸;最后通過壓力試驗驗證所設計的地震儀節點結構的耐壓和水密性能符合要求，通過地震觀測對比試驗驗證其接收天然地震的能力。此鏈式海底地震儀未來將應用于浙江近海的實際地震觀測，提供實時連續的地震觀測數據。

關鍵詞：鏈式地震儀; 結構設計; 仿真計算; 壓力試驗; 地震試驗

中圖分類號： P755.2????? 文獻標志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2024）03-0672-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230330001

Structural design and experiments of cabled ocean-bottom seismometer nodes

ZHANG Chuan1，2， ZHOU Jianping2，3，4， RUAN Aiguo1，2， WENG Lichun5，DUAN Lei6， ZENG Jinfeng5， CHEN Ningte2

（1.School of Oceanography， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200030， China;2. Second Institute of Oceanography， Ministry of Natural Resources， Hangzhou 310012， Zhejiang， China;3. Marine Intelligent Observation Technology Innovation Center， Ministry of Natural Resource， Hangzhou 310012， Zhejiang， China;4. Jiangsu Far Reaching Marine Information Technology and Equipment Innovation Center， Changzhou 213001， Jiangsu， China;5. Hangzhou Hanlu Ocean Technology Co.， Ltd， Hangzhou 311200， Zhejiang， China;6. School of Naval Architecture， Ocean & Civil Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China）

Abstract：?Ocean-bottom seismometers represent crucial marine seismic observation instruments. Considering the loud ocean currents and frequent human activities in China's offshore shallow waters， we proposed a chain seismic observation method and designed the mechanical structure of a cabled ocean-bottom seismometer node. First， the overall structure of the seismometer node was designed based on the dimensions and layouts of its internal components. Subsequently， the hull thickness， end cover thickness， and sealing dimension were determined based on theoretical calculations and finite element simulations. Finally， a pressure test verified the pressure resistance and water tightness of the designed seismometer node structure， while a comparative seismic observation test validated the structure's ability to detect natural earthquakes. Considering these accomplishments， the designed cabled ocean-bottom seismometer is planned to be deployed for actual seismic observations in the offshore area of the Zhejiang Province to gather real-time and continuous seismic observation data.

Keywords：cabled seismometer; structural design; simulation calculation; pressure test; seismic test

0 引言

全球天然地震有85%發生在海洋區域，對海洋地震進行觀測與研究具有重大意義。我國海域面積遼闊，沿海城市經濟發達。以東海為例，東海是我國的東部近海，我國很多經濟大省都與其相鄰，東海大陸架寬廣，淺水范圍比較大，其中浙江近海島礁區地貌復雜，海底水動力作用比較活躍［1］。海底地震儀是一種直接把地震檢波器放置在海底的地震觀測儀器。在東海大陸架布放海底地震儀，可以對海洋地震進行監測與預警，保障我國東海大型海洋工程以及沿岸城市的安全［2］，也可以對地球深部構造研究提供數據支持［3-4］。目前最常見的海底地震儀為自浮式地震儀，其通過將地震計封裝在外殼內并投放到海底來接收地震信號。國際上美、德、英、法等國都有相對成熟的自浮式地震儀，國內中國科學院地質與地球物理研究所研制的I-4C、I-7C型地震儀［5-6］以及南方科大研制的分體式地震儀磐鯤［7］都已經成功應用。但是陸架淺海區域的海底洋流噪聲以及水面船只和人類活動噪聲較大，會影響到暴露在海底表面的儀器安全，因此，自浮式地震儀觀測方式不能適應淺水區的長期觀測要求。

為了在淺海大陸架區域進行長期地震觀測，需要選擇合理的地震觀測方式。國際上，加拿大Neptune［8］海底觀測網和美國OOI［9］海底觀測網通過在光電纜上連接自浮式地震儀來進行海洋地震觀測。近年來我國在自浮式地震儀的基礎上也開展了一些改進研究。2015年周建平等國家高技術研究發展計劃（863計劃）課題：“基于觀測網的海底地球物理環境長期實時監測系統研發和集成（2012AA09A404 ）”技術報告，2016.通過國家863計劃“海底觀測網試驗系統”重大項目支持研究，在我國首次實現了深水遠距離的基于陸基的光纜實時在線地震和地磁觀測。從觀測結果來看，即使在南海深海盆地，置放在海底表面的地震儀記錄的水平噪聲仍明顯大于垂直噪聲。2018年郝天珧等［10］在福建浯嶼島海底建立了地震觀測臺，利用光電纜把地震觀測臺數據實時傳輸到岸上的數據中心，但是此站點結構設計體積相對較大，難以埋在沉積物之下，儀器的降噪和生存安全難以保證。

鏈式海底地震觀測是一種較為新型的地震觀測方式，其通過海底光電纜將一個個地震儀節點連接起來，每一個節點內部都有地震計，地震儀節點接收到的信號可以通過光電纜實時傳回陸地基站，而陸地基站也可以通過光電纜給地震儀供電，這種在線式有纜地震觀測方式可以對海洋地震開展實時連續觀測。通過對鏈式地震儀進行合理設計與布放，可有效限制淺海噪聲大的問題。在鏈式地震儀領域，日本走在前列，已經發展了一些比較成熟的鏈式地震觀測系統，比如DONET［11］、S-net［12］等。其中DONET觀測系統布置有20個海底觀測節點，節點之間相距10～30 km不等，每個節點搭載有地震儀、水聽器、壓力計等傳感器，其中地震儀被埋設到海底1 m以下來減少環境噪聲干擾。S-net觀測系統在全長5 500 km的海底光電纜上連接有150個觀測節點，有些節點的布設水深超過了7 000 m。

國外的相關技術并不對我國開放，為了實現對我國陸架淺海區域的地震觀測，擬設計出一套能應用于浙江近海的鏈式地震觀測系統。其需要滿足可實時連續觀測、噪聲小、安裝布設方便等特點，并且觀測節點數不小于3。考慮到近淺海海底的復雜環境以及頻繁的漁業活動，擬將地震儀埋設布放，這種布放方式也能使地震儀與海底有更好的耦合從而接收到質量更好的地震信號。鏈式地震儀節點機械結構設計是整體設計的第一步也是比較關鍵的一步，其結構需要滿足水密耐壓、地震計良好耦合、低機械噪聲和小型化輕型化等要求。本文對地震儀節點的整體結構和耐壓殼體、端蓋、水密等方面進行了設計與仿真分析，得到了符合要求的地震儀節點結構，并通過試驗驗證了所設計地震儀結構的有效性。

1 鏈式地震儀節點整體設計

研制的海底鏈式地震儀設備包括三個地震儀節點，節點之間通過水密接插件和光電纜串聯并連接到陸地基站。除了地震儀殼體本身外，一個地震儀節點還包含三維地震計、姿態傳感器、控制電路和水聽器等構件。除水聽器外，耐壓殼體可以為其他非水密構件提供水密性的安裝空間。

海洋裝備的耐壓殼體外形一般選擇球殼型或者圓柱殼型等規則的曲面薄殼結構［13］，這種結構的承壓能力相對較高，且加工也相對容易。考慮到鏈式海底地震儀節點之間需要通過水密光電纜進行串連，圓柱形結構兩端圓面是安裝水密接插件的最佳選擇，并且圓柱形結構也易于在海底進行埋設，所以本文所設計的耐壓殼體選擇圓柱殼型結構。

鏈式地震儀節點耐壓殼體的尺寸取決于內部構件的尺寸及安裝要求。在其他參數變化不大的前提下，選擇體積較小的構件以滿足小型化要求。地震計作為地震儀內部最重要的構件，其需要與殼體剛性連接，這樣地面振動信號才能在不失真的前提下通過殼體傳遞到地震計。姿態傳感器的作用是接收實時方位信息，其需要與地震計平行放置，即姿態傳感器的x軸、y軸、z軸要分別平行于地震計的x軸、y軸、z軸，這樣姿態傳感器接收的姿態信息就是地震計的實時姿態。其他系統構件需要與地震計分開，以減弱機械噪聲干擾，從而使地震計接收到質量較好的地震信號。綜合考慮到地震儀節點內部各個構件的尺寸和安裝要求，新研制的地震儀節點的耐壓殼體圓筒內空長度L=400 mm，耐壓殼內徑Di=143 mm，同時從光電纜到耐壓殼體之間設計有過渡性結構。耐壓殼體可以對內部元器件起到保護作用，殼體兩端的塑料錐套對耐壓殼體外的相關構件起保護作用，同時對海底洋流起到緩沖作用，有利于地震計接收到良好的地震信號。

最后設計的鏈式地震儀節點結構的剖視圖如圖1所示。

2 地震儀節點耐壓性能設計

中國近海陸架的最大水深約200 m，對應的海水壓強約2 MPa。需要選擇合適的殼體材料和殼體厚度來滿足強度和穩定性要求。

2.1 耐壓殼體材料選擇

水下儀器的工作環境相對來說比較惡劣，耐壓殼體材料的選擇需要從抗壓性能、耐腐蝕性、重量和體積等方面綜合考慮。通常來說，增加殼體厚度或者選擇高強度的材料都會使承壓性能增加，但往往又會增加成本或者使地震儀重量增加。所以需要在滿足承壓要求的前提下選擇最合適的材料、殼體厚度以及端蓋厚度。可供選擇的幾種常見耐壓殼體材料及其參數如表1所列。

從力學性能來看，三種材料屈服強度都比較高，選擇合適厚度都能夠滿足200 m水深的壓力條件。鋁合金密度較小，易于加工制造，材料成本也比較低，經陽極氧化處理后耐腐蝕能力好;不銹鋼雖然耐海水腐蝕，但是其密度較大，不符合輕型化設計;鈦合金重量較輕并且耐海水腐蝕，非常適合于水下設備的制造，但是其材料和加工成本相對較高。

綜合以上分析，我們研制的地震儀節點選擇鋁合金6061-T6作為耐壓殼體材料，并進行表面陽極氧化處理來提高其抗腐蝕能力。

2.2 耐壓殼體的設計與仿真

本研究按照解析公式法對耐壓殼體進行計算與校核，各種符號和國標規范［14］保持一致。

外壓圓筒的失效形式有兩種：一種是筒體剛度不足發生失穩破壞;另一種是筒體強度不夠而發生屈服失效［15］。當圓筒外徑與圓筒厚度比值大于20時，圓筒被視作薄壁圓筒，一般來說，對于薄壁圓筒周向失穩總是先于強度失效發生，所以在計算薄壁圓筒外壓承載能力時只需關注穩定性問題。導致外壓筒體發生失穩破壞的最小外部壓力稱為臨界壓力，以Pcr表示。根據設計經驗，對于200 m水深工作環境，通常都設計為薄壁圓筒，在計算時需要重點考慮其穩定性。薄壁圓筒也有長圓筒和短圓筒之分，當圓筒長度L大于臨界長度Lcr時就屬于長圓筒，反之則屬于短圓筒。

臨界長度Lcr的計算公式為：

Lcr=1.17D0D0δe （1）

式中：D0為圓筒的外徑;δe為圓筒的有效厚度。

根據式（1），無論厚度取值為多少，Lcr計算結果都大于400 mm。由于本文所設計的耐壓殼體的圓筒長度小于臨界長度，所以屬于短圓筒。短圓筒的臨界壓力計算公式為：

Pcr=2.59EδeD02.5LD0 （2）

式中：Pcr為臨界壓力;D0為筒體的外直徑;δe為筒體的有效厚度;E為材料的彈性模量。

實際情況下不允許外部壓力接近或者等于臨界壓力，必須留有一定的安全裕度。實際允許的最大外壓稱為許用壓力，用［P］表示。［P］的計算公式為：

［P］=Pcrm （3）

式中：m為安全系數，主要是考慮到計算公式的可靠性、加工制造上的誤差、材料性能存在的差異及操作工況的變化等因素，此處m取3。

對于耐壓殼體厚度的確定采用試算法。根據經驗，選擇3 mm、4 mm、5 mm及7 mm的厚度來進行穩定性校核。計算結果如表2所列。

根據此鏈式地震儀的使用需求，其最大工作水深200 m，工作壓力為2 MPa。從表2可知，當耐壓殼體厚度大于4 mm時都滿足許用壓力大于工作壓力的使用要求，但是從殼體重量和設計成本考慮，最后確定的耐壓殼體厚度為4 mm。

使用ABAQUS有限元軟件對設計的耐壓殼體模型進行真實應力場仿真分析。為了簡化計算，在ABAQUS中直接建立圓柱殼模型，圓柱殼外均布2 MPa海水壓力，然后畫網格求解計算，得到此海水壓力下耐壓殼體的應力云圖（圖2）。

從圖2可以看出，耐壓殼體在中間大部分區域的有效應力分布比較均勻，應力值在30 MPa左右;靠近兩端的有效應力呈現出漸變特征，整個殼體上的應力最大值為44.19 MPa，小于鋁合金6061-T6的屈服強度240 MPa，表明地震儀的耐壓殼體強度滿足設計需要。

2.3 端蓋的設計與仿真

端蓋的材料同樣使用鋁合金6061-T6。端蓋與耐壓殼體之間通過螺栓連接。端蓋總體上屬于實心圓板，圓板端面承受均布載荷。

根據規范［14］，端蓋的計算厚度δp按照式（4）進行計算。

δp=DcKpc［σ］tφ （4）

式中：Dc為圓板計算直徑;K為結構特征系數;pc為計算壓力;［σ］t為設計溫度下材料的許用應力;φ為焊接接頭系數。

根據結構的實際設計情況，此處Dc取151 mm，K取0.25，pc取6 MPa（取安全系數3），［σ］t取240 MPa，φ取1。代入式（4），得到端蓋計算厚度為11.94 mm，最終實際取的殼體兩端端蓋厚度δ為15 mm。

同樣，在ABAQUS中對端蓋進行建模并求解計算，得到端蓋的應力云圖（圖3）。

由圖3可知，端蓋受壓面上的應力都在10 MPa以上，整個端蓋上的最大應力位于端蓋和耐壓殼體相交處，最大應力為59.47 MPa，小于鋁合金的屈服強度240 MPa，端蓋的強度滿足使用要求。

3 密封設計與仿真

可靠的密封設計是保證地震儀在海底正常工作的關鍵環節。在耐壓殼體和上下端蓋之間采用O形圈進行密封。O形圈在受到壓力時會產生彈性變形，填充在耐壓殼體和上下端蓋之間的縫隙，從而起到密封作用。除了密封性能好以外，O形圈還具有結構簡單、成本低、安裝和拆卸方便等優點。

根據密封圈設計的國標規范［16］對密封溝槽進行設計和計算，其中各種符號的表示和規范保持一致。

該地震儀在海底承受的壓力基本屬于靜壓力，采用徑向密封的活塞密封溝槽形式。此密封形式如圖4所示。

選擇O形圈活塞靜密封的各項參數如表3所列。

密封圈選用硬度為70的丁腈橡膠材料。橡膠具有超彈性特性，在對其進行有限元仿真分析時需要選取合適的本構模型。對于橡膠類材料，本構模型的選擇有很多，如Neo-Hookean模型、Mooney-Rivlin模型、Polynomial模型、Ogden模型和Yeoh模型等［17-18］。相比于其他模型，Mooney-Rivlin模型可以更準確地描述橡膠材料在發生大變形時的力學行為，所以本文選擇Mooney-Rivlin模型。Mooney-Rivlin模型的本構關系為［19］：

W（I1，I2）=∑ni，j=0Cij（I1-3）i（I2-3）j （5）

式中：W表示應變能密度;Cij為Rivlin系數;I1、I2分別為第一和第二Green應變不變量。

本文采用兩參數Mooney-Rivlin模型，式（5）變為：

W=C10（I1-3）+C01（I2-3） （6）

式中：C10和C01均為Mooney-Rivlin系數，對于特定材料而言，其值為正定常數。本文所使用的密封圈材料為丁腈橡膠，邵氏硬度為70，C10和C01常數分別為1.074和0.054。

使用ABAQUS有限元軟件建立的密封O形圈二維軸對稱模型如圖5所示。

與圖4相對應，圖5的模型分為三部分：上邊為耐壓殼體，中間圓形為O形圈，下邊為端蓋部分。在ABAQUS軟件分析時定義兩個載荷步：第一步，控制端蓋和殼體之間間隙為1 mm，使O形圈處于預壓縮狀態;第二步，在O形圈右端施加均布載荷，模擬O形圈受到海水壓力作用時的狀態。

圖6和7分別是2 MPa的海水壓力作用下O形圈的應力云圖和接觸應力分布圖。

從圖6可以看出，O形圈中間的應力較大，四周應力較小，O形圈上的最大應力為3.30 MPa，小于橡膠圈的破壞應力，所以橡膠圈不會被破壞。而從圖7（即密封壓力圖）可以看出，密封面的最大壓力達到4.99 MPa，大于密封壓力2 MPa。同時O形圈與溝槽左右端面接觸緊密，沒有被擠出溝槽，沒有發生剪切破壞，證明密封是可靠的。

4 試驗驗證

4.1 水密壓力試驗

設計好的地震儀殼體加工完成并組裝好以后，在正式投入使用以前需要進行水密壓力試驗來檢驗其耐壓能力和水密性能。其中，封裝好的單個地震儀節點如圖8所示。

將上述封裝好的地震儀殼體置于液壓試驗裝置中，從0開始逐級加壓到5 MPa（大于實際工作壓力）并保壓2 h，再逐漸泄壓。整個試驗過程的加壓曲線如圖9所示。

壓力測試完成以后，地震儀殼體外部和內部均不見任何變形和破損，同時艙體內部也沒有滲水現象，證明地震儀殼體設計滿足耐壓和水密要求。

4.2 地震臺對比實驗

海底地震儀作為接收海底地面振動信號的儀器，其設計完成以后需要進行天然地震接收試驗來得出其實際使用性能。

將封裝好的鏈式地震儀三個節點投放到浙江湖州地震臺山洞內的蓄水池中，進行地震觀測試驗并做好地震數據記錄。選取試驗期間（2022-09-09—29日）發生的大于6.0級的典型地震13個，分別對原始波形進行去均值、去趨勢，重新采樣（采樣間隔為0.01 s）和低通濾波（<2 Hz）。對比地震儀三個節點和湖州臺站（標準地震臺站）記錄的三分量地震波形，結果如圖10所示，其中單個地震波形長度為600 s。

從圖10中可以看出，對于大多數典型地震，三個節點都能夠有效記錄其波形，驗證了所設計的鏈式地震儀記錄地震信號的能力。而部分地震波形的記錄效果不好，這是由于鏈式地震儀所使用地震計的響應范圍（1～300 Hz）的限制，對大地震低頻成分（通常低于1 Hz）的記錄還原度不高。

5 結語

本文開展了對鏈式地震儀節點結構的設計與研究，主要工作內容與結論如下：

（1） 根據鏈式地震儀節點所包含的各種零部件，設計了符合條件的節點結構，設計的耐壓殼體內徑為143 mm，長度為400 mm;

（2） 選擇了鋁合金作為耐壓殼體材料，并且通過理論計算和仿真分析得出合適的殼體厚度和端蓋厚度，分別為4 mm和15 mm，并按照規范進行了密封性能設計;

（3） 靜水壓力試驗表明所設計的節點結構強度和耐壓性能滿足使用要求;

（4） 通過實際地震觀測對比試驗，驗證了鏈式地震儀的地震觀測效果。

未來，本文所設計的鏈式地震儀將進一步優化設計并開展湖底試驗，最后應用于浙江近海的地震觀測。這有助于建立海底的天然地震監測組網，為海洋地震預警、大型海洋工程安全評估、海底構造研究和海洋資源開發提供幫助。

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（本文編輯：張向紅）

基金項目：上海交通大學“深藍計劃”基金（SL2020ZD205）；自然資源部第二海洋研究所基本科研業務費專項資金（SL2020ZD205）；國家自然科學基金（42127807，42076047）；浙江省重點研發計劃（2021C03016）

第一作者簡介：張 川（1996-），男，碩士，主要從事海洋地震儀結構設計研究工作。E-mail：xzzc10@sjtu.edu.cn。

張川，周建平，阮愛國，等.鏈式海底地震儀節點結構設計與試驗［J］.地震工程學報，2024，46（3）：672-679.DOI：10.20000/j.1000-0844.20230330001

ZHANG Chuan，ZHOU Jianping，RUAN Aiguo，et al.Structural design and experiments of cabled ocean-bottom seismometer nodes［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：672-679.DOI：10.20000/j.1000-0844.20230330001