全海深宏生物保压采样-培养系统设计与实验研究

刘广平 金永平 彭佑多 刘德顺 万步炎

湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程试验室，湘潭，411201

0 引言

全球海洋总面积约占地球总表面积的71%，深海海底贮存大量生物群落，对这些深海海底生物进行科学研究，是人类认识和研究海洋生命演化和海底环境的重要手段[1-3]。深海生物长期生活在高静水压力、低温、高浓度无机物和低有机碳含量环境下，这一特殊环境使得深海生物在被现有的生物采集装置采集返回水面过程中，由于外部压力的降低以及外部温度的升高而无法存活，这对生物的精确研究产生极大的影响[4-6]。

目前国内外学者在生物采样方面做了一些研究工作，BILLINGS等[7]研制了一种SyPRID深海生物采样器，该深海宏生物采样器作业水深为6000 m，是一个成对系统，每个深海宏生物采样器采用管内管设计，深海宏生物采样器总长为3.11 m，入口处呈喇叭形，直径为0.71 m，可进行两次重复或两次独立生物采样。PEOPLES等[8]研制了一种新的着陆器系统，该系统能够在全海深环境下进行采样，采用模块化设计，着陆器上可布置用于收集大型动植物、水、拍摄视频、图像的仪器和一个保压深海生物采样器。WANG等[9]提出一种电机驱动式活塞保压采样器，通过在活塞上放置饵料诱捕海底生物，利用电机控制活塞运动使深海生物进入采样器内，在回收过程中通过压力补偿器补偿采样器内部的压力损失。

深海生物采集完成后，需要对其进行转移和培养。深海生物培养釜是一种用于模拟深海生物生活环境的装置，是结合深海生物研究和现代生命科学研究成果的重要纽带，可实现在实验室模拟深海环境下培养、观测和分析深海生物[10-13]。美国Hawaii大学开发的深海微生物采集培养釜不仅可以对深海微生物进行采样，而且还可以进行培养；KIM等[14]开发的深海大型生物培养釜具有观测窗结构，可以实现在线实时观测功能，高压流动体系设计可以实现高压在线加气加液等；MCNICHOL等[15]开发了一套热液管状蠕虫培养釜，该系统具有流动体系的特点，可以进行海水和气体交换，同时该培养釜还有一套PIRISM观测系统，可以将所培养的管状蠕虫幼体导入到荧光显微镜下进行高压在线观测；PEOPLES等[16]研制的流动式船载深海微生物培养釜可以模拟深海极端环境培养微生物，可实现压力和温度自动控制。然而，上述培养釜工作压力在30～70 MPa以内，培养对象大部分为深海微生物，且不可实现实时监控培养釜内部情况并及时调整。因此，为了在实验室原位培养深海宏生物，应考虑以下四个方面：①保证压力、温度控制精度高，以避免培养釜内压力波动大而影响深海宏生物活性；②培养釜筒体应一直处在超高压状态下，确保培养釜筒体耐压强度高；③可实现培养釜内的水和生物排泄物无压降转移；④培养釜的加工材料不应对深海生物培养造成污染。因此本文提出了一种全海深宏生物保压采样-培养系统，该系统可搭载在着陆器和潜水器上对全海深环境下的宏生物进行保压采样；同时详细介绍了在等压模式下进行深海宏生物样品转移原理和试验过程，设计了一种深海宏生物保真培养釜，能够实现深海宏生物的原位培养和实时监测。

1 保压采样-培养系统结构及工作原理

全海深宏生物保压采样-培养系统由全海深宏生物保压采样器和全海深宏生物保真培养釜两部分组成。其中全海深宏生物保压采样器用于获取全海深环境下的宏生物样品，全海深宏生物保真培养釜用于对所取回的全海深宏生物样品进行保真培养。

1.1 全海深宏生物保压采样器

全海深宏生物保压采样器结构如图1所示，采样器主要由保压筒、出入口密封机构、压力补偿机构、转移机构和饵料补给机构组成。

(a)整体图

(b)结构图图1 全海深宏生物保压采样器结构图

出入口密封机构由阀盖、阀体、扭簧组成，阀盖在扭簧的带动下可以实现开闭动作，用于对采样器出入口端密封。保压筒用于对采集的深海宏生物进行保压，保压筒筒体材料采用TC4钛合金，具有强度高、密度小、耐腐蚀等特点，保压筒入口端设有止返器，止返器有两个功能，一是用来防止采样过程中生物逃逸，二是用来驱赶生物转移。压力补偿机构由活塞、端盖、高压筒组成，通过预充一定量的氮气实现对保压筒回收过程的压降进行补偿。齿轮开闭机构用于在超高压下控制出口密封机构开闭，通过调节压力使齿条杆带动出口阀盖的转动，实现采样器在超高压力下转移生物样品。转移机构由转移手柄、转移杆、齿轮组成，通过转动手柄带动止返器在转移杆上移动，从而驱赶保压筒内的生物转移。饵料补给机构由端盖、筒体、压缩弹簧、活塞、单向阀和单向阀控制杆组成，通过弹簧带动活塞挤压饵料包，饵料从单向阀流入保压筒内，实现对深海生物的诱捕和营养物质补给。全海深宏生物保压采样器安装在支撑架上，支撑架长为700 mm，宽为300 mm，高为160 mm。

1.2 全海深宏生物保真培养釜

图2为全海深宏生物保真培养釜结构图。该培养釜具有以下特点：①可模拟0～110 MPa的压力和0～4 ℃的低温环境；②可实时监控培养釜内的工作环境，并具有视频传输功能；③采用由内向外的密封机构，可以实现超高压环境下的可靠密封；④可以实现培养釜内的水和生物排泄物无压降转移。

图2 深海宏生物保真培养釜结构

深海宏生物培养釜由五部分组成：

(1)保压系统，它由保压筒体、端盖等组成。保压筒体与端盖通过16个直径为160 mm的螺栓连接，保压筒体内径为420 mm，筒体高度为1170 mm。端盖上设有通孔，用于视频、通信、照明和其他物理接口。

(2)加压系统，它由加压泵、高压阀、压力表和压力传感器等组成。压力传感器实时监测培养釜内的压力，通过加压泵与高压阀连接，可以控制整个系统压力，调压范围为0～150 MPa。

(3)制冷系统，它由制冷机、冷凝管、温度传感器等组成。温度传感器实时监测培养釜内的温度，通过控制器控制制冷机的功率，从而控制整个系统温度，调温范围为0～4 ℃。

(4)支撑调节系统，它由电机、减速器、齿轮机构等组成。当生物取样器从海底取样完成时，需要将样品转移至培养釜内，为了能够充分地转移，通过控制器控制电机使齿轮机构转动，从而带动培养釜转动，可以实现系统转移、培养和排水等动作，转动角度范围为0～180°。

(5)监控系统，包括计算机、控制器、高压相机及高压灯等。通过高压相机和高压灯可以实时观测培养釜内生物生活状态，通过计算机和控制器可以实现数据实时传输和监测等功能。

1.3 保压采样-培养工作原理

深海宏生物保压采样的工作原理如图3所示，其中保压采样分为下放、捕获、回收三个过程。

图3 全海深宏生物保压采样的工作原理

(1)下放。深海宏生物采样器各零部件集成完后安装在着陆器上。着陆器下放前，打开出入口翻板密封阀并通过触发杆对其限位。通过充气阀向压力补偿器内预充一定量氮气，使活塞处在压力补偿器底端。饵料包放置在饵料筒活塞顶部，饵料筒上的单向阀通过触发杆打开，弹簧处于压缩状态。出入口翻板密封阀和饵料筒上的触发杆通过着陆器上的触发绳连接承重块。

(2)捕获。着陆器下放过程中，压力补偿器中的活塞在海水压力的作用下向上移动，直到活塞下腔的压力和上腔的压力达到平衡。饵料筒的弹簧推动活塞运动。到达采样点时，饵料筒内的活塞挤压饵料包，饵料包通过单向阀流入保压筒内，从而诱捕海底生物。

(3)回收。深海宏生物保压采样器采样完成后，通过甲板的指令切断触发绳，从而使触发杆取消对出入口翻板密封阀的限位，出入口翻板密封阀关闭，同时，饵料筒上的单向阀关闭。深海生物保压采样装置回收至甲板过程中，由于外界海水压力的减小，采样筒筒体膨胀变形，此时压力补偿器将补偿由于采样筒膨胀变形而导致保压筒内部的压力降低。

深海宏生物保真转移的工作原理如图4所示，保真转移分为对接、转移、培养三个过程。

图4 全海深宏生物保真转移的工作原理

(1)对接。将支撑机构安装在深海宏生物保真培养釜端盖上，深海宏生物保真培养釜内注满了与采样点等压力、等温的水；深海宏生物保压采样器回收至甲板后，将它安装在支撑机构上，通过支撑机构调节深海宏生物保压采样器的位置实现对接，拆除支撑机构。

(2)转移。通过加压系统开启深海宏生物保压采样器出口翻板密封阀和深海宏生物保真培养釜内的翻板密封阀；转动转移手柄，使止返器驱赶保压筒内的生物进入深海宏生物保真培养釜内；控制电机驱动齿轮机构转动，使深海宏生物保真培养釜和深海宏生物保压采样器向上转动0～90°，实现深海宏生物的无压降转移。

(3)培养。培养过程中，通过传感器可以实时监测深海宏生物保真培养釜内的压力、温度、溶解氧等参数；加压系统和制冷系统可以保持深海宏生物保真培养釜内的压力和温度在设定的阈值内，排水系统可以在超高压力下无压降地转移，饵料投放系统实现深海宏生物的营养补给。

2 保压采样-培养系统设计与分析

2.1 保压系统设计

保压系统是整个培养装置中最关键的部件，由于培养装置长期处于内压为110 MPa的超高压环境下，选择0Cr17Ni12Mo2作为保压筒体及端盖的材料，该材料具有优良的耐腐蚀性、高温强度好，且长期培养对深海宏生物无污染，因此能够满足制造要求。图5为保压系统结构示意图，保压筒端盖上开有内径为69 mm的通孔，用于转移从海底取回的宏生物，孔的底部设有翻板密封阀，翻板密封阀包括阀盖、阀体及齿轮杆，齿轮杆的一端与阀盖底部的齿轮连接，齿轮杆另一端与加压泵连接，通过加压泵加压、卸压可以使阀盖启闭。翻板密封阀采用由内向外的密封方式，采用偏心结构设计，更有利于系统密封，偏心角度为10°。为了保证密封效果，保压筒内由径向安装在端盖上的O形密封圈进行密封，密封圈的材料为丁腈橡胶。保压筒体内安装有螺旋状的冷凝管和温度计，它们分别连接到制冷机，以控制保压筒内的温度。在保压筒底部设有过滤器和污水出口，宏生物在培养一段时间后所产生的排泄物及污水通过排污口进行排放，污水依次经过排污阀、排污筒、转移阀、水质分析仪，最后通过水质分析仪可以对保压筒内的水质进行分析。

图5 全海深宏生物保压系统示意图

2.2 控制系统设计

智能控制模块主要由下位机和上位机两部分组成(图6)。下位机的核心部件是主控制器，采用主控芯片作为核心控制单元，采用一个串口控制水质分析仪的工作，实现实时读取测量的各个参数。下位机与上位机的通信通过一个串口实现。采用通用输入输出引脚(GPTO)控制高压灯驱动控制电路，通过改变输入到高压灯电流的方式控制高压灯的亮度，从而满足实际的照明需求。下位机还通过 ITC 接口控制一个时钟模块，从而实现智能控制模块定时工作的需求。针对智能控制模块，需要控制温度传感器和压力传感器的工作。上位机采用计算机作为核心控制单元，控制着整个智能控制模块的工作；此外，下位机为饵料自动投递装置、智能调节装置和制冷系统提供合适的控制接口，并控制它们的工作，实现智能饵料投放、温度调节、压力调节等功能。

图6 控制系统示意图

上位机的核心部件是计算机，它通过视频控制器读取高压相机传输的视频信号，实现培养釜内的实时监控以及必要时图像的采集。上位机和下位机之间采用双向通信，上位机可以控制下位机的工作，下位机测量的相关理化参数可以传输到上位机进行显示。采用远程控制技术，实现手机对计算机的远程控制，从而达到智能控制模块的远程监控。

2.3 保压筒体壁厚计算

根据技术规范的要求，参照JB4732-1995 《钢制压力容器——分析设计标准》和GB150-2011《压力容器》，对该保压筒进行了总体设计和结构计算。保压筒体壁厚根据福贝尔爆破压力计算式确定[17]：

(1)

其中，p为设计压力，p=115×1.25=143.75 MPa，Di为保压筒体内径，Di=420 mm，nb为设计安全系数，nb=2.5，σs、σb分别为保压筒体材料的屈服强度和抗拉强度，σs=310 MPa，σb=620 MPa，材料的许用应力[σ]=124 MPa。保压筒体的计算壁厚δ= 200 mm。考虑到腐蚀和机械磨损等因素会使筒体变弱和变薄，筒体壁厚取为220 mm。培养釜结构参数和工作参数列于表1。

2.4 保压筒体结构应力计算

为了确定设备运行的结构应力，进行了理论计算，以验证和评估110 MPa高压室的典型结构。保压筒体的三个主应力可以通过以下公式计算[18-19]：

表1 培养釜结构参数数值

(2)

(3)

(4)

式中，σh为环向应力(或切向应力)；σa为轴向应力；σr为径向应力；ri为内半径；ro为外半径；pi为内压；po为外压；r为径向变量(ri≤r≤ro)。

可以看出，保压筒体内壁的环向应力是最大主应力。

2.5 培养釜性能有限元分析

图7 培养釜有限元模型

为了保证理论计算的安全性和合理性，对培养釜进行了有限元分析，所使用的软件是ANSYS/Workbench。本文对培养釜进行数学建模、网格划分和应力测试，通过应力评估分析了整个培养釜设计的可靠性。端盖及筒体采用六面体网格划分，宏生物进口处和翻板密封阀采用四面体网格划分，翻板密封阀与端盖接触部分网格细化。培养釜的网格有限元模型总共由105 551个节点和51 968个单元组成，如图7所示。网格划分后，添加边界条件到模型中，110 MPa的内部压力施加在腔体和平盖的内表面上。为了防止腔体的刚性位移，对筒体底部的外曲面施加固定的边界条件，最后建立模型得到有限元分析结果。

为了确保结构安全，还对培养釜进行了变形和应力分析。图8、图9分别为培养釜总变形图、轴向变形图和径向变形图。从图中可以看出，整个培养釜的最大变形发生在平盖的中心。这是因为平盖底部承受实验压力，周围的螺栓限制其向上运动，这导致平盖处于向上弯曲的状态，因此，上表面被拉伸，下表面被压缩，最大变形量为0.2736 mm。

图8 培养釜总变形图

(a)轴向变形图

(b)径向变形图图9 培养釜轴向和径向变形图

图9为培养釜轴向和径向变形图。结果表明，对于平盖，其中心区域的轴向位移大于其圆周的轴向位移。最大变形出现在平盖的中心，数值为0.258 mm。由于平盖外表面的圆周受到螺栓的挤压，因此在平盖中心轴向位移最小。在110 MPa实验压力下，腔体有一定程度的向外体积膨胀。其下表面向腔体偏转，最大径向位移为-0.210 mm，而其上表面向外扩展，最大径向位移为0.210 mm。

图10、图11分别为培养釜的总应力、轴向应力、周向应力和径向应力云图。从图10中可以观察到，由于腔室中存在测试压力，因此在封盖与腔室接触处存在应力集中，这时峰值应力为436.42 MPa，该值超过材料的屈服极限310 MPa，因此会产生局部小塑性变形。虽然局部小的塑性变形不会影响高压室的使用，但在设计中应更加努力地加强圆角过渡，并尽量减少此处的应力集中。最大轴向应力主要集中在球底封头与腔体的连接段，此外，平盖底部与腔室接触的应力也较大，还发现在球底封头与腔体的连接段，由于结构不连续可能出现应力集中，在后续工作中，倒角边的长度可以优化，圆角可以重新设计。

(a)总应力云图

(b)轴向应力云图图10 培养釜的总应力和轴向应力

图11中，由于内压为110 MPa，因此最大轴向应力同样出现在平盖底部与腔室接触处，同时，腔室中部的轴向应力也较大，数值为369.32 MPa，腔室向外膨胀并在圆周方向上产生拉伸，腔室的内壁受到径向压缩应力，此外，平盖底部与腔室接触的应力也较大，数值为357.78 MPa。

(a)周向应力云图

(b)径向应力云图图11 培养釜的周向应力和径向应力

为了验证计算的准确性，将深海宏生物培养釜的理论计算数值与相应的有限元分析结果进行比较，结果如表2所示。外表面轴向应力的最大误差为5.0%，但理论值和仿真值均小于许用应力310 MPa，满足强度控制标准的要求。这说明深海宏生物培养釜的强度设计是合理可靠的。

表2 理论结果与有限元分析结果的比较

3 保压采样-培养系统实验

3.1 保压性能测试

在实验室对全海深宏生物保压采样器进行了内压测试试验，测试全海深宏生物保压采样器在115 MPa(工作压力)的内压下的保压性能，采样器内压测试过程如图12所示。首先打开出入口翻板密封阀，将全海深宏生物保压采样器放入装满水的水槽中，通过注射器抽取采样器内的空气,然后拉动出入口触发杆，使出入口翻板密封阀关闭,利用手动加压泵连接全海深宏生物保压采样器2号阀，进行内压测试试验，如图13a所示。先将压力增加到最大测试压力的10%，在确保没有泄漏发生后，每次逐渐增加10%的工作压力，每个压力梯度保持1 min，达到最大测试压力时停止，压力表1数值如图13b所示。在最大测试压力下保压4 h(考虑到全海深宏生物保压采样器从海底11 000 m回收至甲板、拆卸、转移等过程所用时间)，观察压力表数值，压力表2数值如图13c所示。最后，开始卸压，每次逐渐减小10%的最大测试压力，每个压力梯度保持1 min，压力降为零时停止。在110 MPa(设计压力)和127 MPa(设计压力的1.15倍)的压力下进行相同的试验，试验结果如表3所示。试验结果表明，测试压力越大，全海深宏生物保压采样器的压降越小，内部压力保持在105 MPa以上，压降率小于4.35%。全海深宏生物保压采样器整体能够满足超高压的承载要求。

图12 采样器内压测试过程

(a)内压测试试验

(b)压力表1 (c)压力表2图13 采样器保压性能试验

表3 保压性能实验结果

3.2 保压转移测试

图14所示为深海宏生物保压采样器转移试验装置，它由深海宏生物保压采样器、转移端盖、高压连接管和手动加压泵组成。本文只测试深海宏生物保压采样器在转移过程中的压降变化，为了便于操作，利用转移端盖替代深海宏生物保真培养釜。转移端盖上端设有两个高压接口，一个高压接口通过高压连接管1连接深海宏生物保压采样器的2号阀，另一个高压接口通过高压连接管2连接手动加压泵。首先通过手动加压泵向转移端盖内部加压至深海宏生物保压采样器内部压力，打开深海宏生物保压采样器的2号阀，以平衡深海宏生物保压采样器和转移端盖的压力；然后，利用加压泵与齿轮开闭机构连接，通过加压使深海宏生物保压采样器出口翻板密封阀打开；最后，通过推动出口触发机构对出口翻板密封阀进行限位，以验证翻板密封阀是否完全打开，转动转移手柄进行转移。整个试验过程中，压力没有变化，出口翻板密封阀完全打开需要15 MPa的压力。

图14 采样器保压转移试验

4 结论

本文提出了一种新型全海深宏生物保压采样-培养系统的设计方法，该系统可实现对全海深环境下的宏生物进行保压采样，同时可以满足深海宏生物的原位培养。深海宏生物保真培养釜配备有控制系统，能够实时监测培养釜内的各项环境参数，并实时控制各项参数的数值。同时通过支撑调节系统能够完成转移-培养-更换水和排泄物等动作，全过程实现无压降。在对整体结构进行理论计算后，利用有限元软件ANSYS/Workbench对高压室的强度和变形进行了分析。分析结果表明：深海宏生物保真培养釜的理论计算数值与相应的有限元分析结果的误差小于5%，因此，有限元分析证实了设计公式的合理性。对深海宏生物保压采样器进行了保压性能试验和等压转移试验，试验结果表明，测试压力越大，全海深宏生物保压采样器的压降越小，内部压力保持在105 MPa以上，压降率小于4.35%，采样器整体能够满足超高压的承载要求，并且在等压模式下能够满足无压降转移。