用于长柱状重力取样的地质绞车拉力取值研究

汤清之，徐阳光

（1. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2. 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011）

0 引 言

长柱状重力取样器是一种专门用来获取海底沉积物样品的科考取样设备，广泛应用于海底矿产资源勘探、海洋地质学研究和全球气候及环境研究等领域中。在实际作业过程中，常将长柱状重力取样器分为重力直通式取样器和重力活塞式取样器2种，其中：重力直通式取样器在贯入海底时，随着深度的增加，摩擦力会急剧增大，阻碍土样继续进入取样管内并使样品被压实，这种现象称为“桩效应”，会造成取样长度小于取样器的贯入深度，且当取样管上方的空气未能及时排出时，会造成贯入阻力增大，样品被压缩，一般应用于长度较短的长柱状取样中；重力活塞式取样器的活塞处在沉积物与海水的分界面上，当取样器插入沉积物时，活塞会在取样管衬筒内产生一个吸力，使取样的长度能接近取样器的贯入深度，一般应用于长度较长的长柱状取样中。

20世纪时，我国的长柱状重力取样器发展比较缓慢，取样长度一般不超过10m。近年来，随着中外海洋科考技术交流日益紧密，长柱状重力取样技术得到了快速发展，据报道，目前我国长柱状重力取样的最大样品长度可达到23.6m，取样水深可达到2500m，有效改善了我国高质量长岩芯研究样品匮乏的现状。图1为长柱状重力活塞式取样器布放作业场景；图2为取样得到的岩芯样品。

图1 长柱状重力活塞式取样器布放作业场景

图2 取样得到的岩芯样品

在以往收放长度较短的长柱状重力取样器过程中，由于取样器和样品的质量都较轻，且作业水深比较浅，缆绳张力并不是一个关键要素，一般的地质钢缆绞车都能满足作业需求。但是，随着长柱状重力取样器的长度越来越长，取样器和样品的质量越来越重，水深越来越深，收放取样器时需要的绞车拉力越来越大，这逐渐成为制约取样器作业能力的重要因素。这是目前科考船设计初期就需要考虑和预判的重要因素，在选地质绞车时，需紧密配合长柱状重力取样器的性能特点进行配置。

1 重力取样载荷工况

重力取样收放系统缆绳所受张力的最大值出现在收缆阶段，收缆阶段可根据作业流程细分为破土阶段、起升阶段和出水阶段，对应的缆绳张力分别为

F

、

F

和

F

。

1.1 破土阶段

破土阶段是指重力取样管扎入底层沉积物中之后，通过缆绳向上拔出的阶段。该阶段的缆绳张力主要取决于沉积物与取样器之间的摩擦力，以及缆绳、取样管和管内沉积物在水中的重力，即

式(1)中：

f

为沉积物与取样器之间的摩擦力，N；

W

为缆绳在水中的重力，N；

W

为取样器在水中的重力，N；

W

为沉积物在水中的重力，N。

1.2 起升阶段

起升阶段是指重力取样管已离开海底，依靠缆绳从海底回收到海面的过程。该阶段的缆绳张力主要取决于缆绳和取样器在水中的水动力，以及缆绳、取样管和管内沉积物在水中的重力，即

式(2)中：

F

为缆绳在水中的水动力，N；

F

为取样器在水中的水动力，N。

对于复杂海况下的缆绳作业，缆绳上实际还承受着海流拖曳力，若将地球视为旋转系而非惯性系，则还需考虑科里奥利力。但是，这些力的方向相对于缆绳主要拉力的方向而言并不是沿竖直方向的，且其大小可忽略不计，因此本文不予考虑。

1.3 出水阶段

出水阶段是指取样管从完全浸没在水中到穿过水面完全暴露在空气中的过程。该阶段的缆绳张力主要取决于取样管穿透水面时克服的水面张力，以及取样管和管内沉积物的自重。由于取样管在出水前的受力已变为吊架上的辅助绞车缆绳受力，而非活塞式的取样器仍是主缆受力，因此需根据取样管的类别区分受力的缆绳。为统一起见，本文仍对主绞车拉力进行计算，辅助绞车受力大小的计算方法与之相同，可参照该方法进行计算。

式(3)中：

F

为离开水面时克服的水面张力，N。

1.4 绞车拉力取值确定

对比

F

、

F

和

F

，选择三者中的最大值作为绞车所需拉力的取值，即

通过比较可知，

F

、

F

和

F

中都含有

W

和

W

，由于

W

和

W

都能简单计算出来，且在比较不同工况下的绞车拉力时作为同类项可不予考虑，因此本文不再赘述，下面重点讨论其他受力因素。

由于缆绳在整个走缆路径上经过滑轮组时受到的摩擦力和船舶在波浪中运动产生的加速度等因素能很方便地在其他文献中找到计算方法，并不影响本文的研究，故本文不再赘述。

2 重力取样受力因素分析

2.1 沉积物与取样管之间的摩擦力

如前文所述，沉积物在破土阶段所受摩擦力是影响缆绳张力的一个重要因素，因为重力取样一般都是在海底软泥地质上进行的，其工作介质一般为软泥黏土和砂质软泥黏土等，这类地质一般弹性比较差，可直接简化为塑性模型，这样取样器在拔出过程中主要受到沉积物与取样管管壁之间的摩擦阻力

f

的作用。根据文献[4]，该摩擦力的计算式为

式(5)中：

τ

为沉积物极限应力摩擦因数，kg/m；

g

为重力加速度，m/s；

l

为取样管圆周长，m；

u

为贯入深度，m。通过试验可测得常见地质中软泥黏土的极限应力摩擦因数1

τ

＝500～800kg/m，砂质软泥黏土的极限应力摩擦因数2

τ

＝800～1500kg/m，黏土砂质3

τ

＝1500～2000kg/m，砂质4

τ

＝2000kg/m，这是常见的钢质表面与沉积物之间的极限应力摩擦因数。

2.2 缆绳和取样器的水动力

一切在水中以一定速度运动的物体都会受到水的作用力，该作用力一般统称为水动力。一般而言，缆绳的长度长、直径小，取样器的长度相比缆绳的长度较小，其在水中的摩擦阻力可忽略不计；缆绳的直径相比取样器配重头的直径较小，其拖曳力可忽略不计。因此，仅考虑缆绳与水体之间的摩擦力 c

F

和取样器的拖曳力，忽略缆绳的拖曳力和取样器与水之间的摩擦力，即

式(7)中：

ρ

为海水密度，取1.025×10kg/m；

C

为缆长方向上的摩擦因数，一般取0.03；

D

为缆绳直径，m；

S

为水中缆长，m；

v

为收缆速度，m/s。

需说明的是，式(7)为缆绳与水体之间的摩擦力的经验计算公式，若要精确计算缆绳与水体之间的摩擦力，需采用专业的流体计算软件进行求解，而这会花费大量时间，且求解精度远超过实际工程使用的需要，故推荐采用式(7)快速计算摩擦力。

取样器（被投放物）的拖曳力

F

的表达式为

式(8)中：

C

为拖曳力系数，取样器迎着运动方为一平面，平面对应的拖曳力系数一般取1.0；

A

为被投放物在缆绳法平面上的投影面积，m。

2.3 缆绳在水中的重力

长期以来，钢缆因具有坚固耐用的特点而广泛应用于海洋科考中，特别是广泛应用于海底地质取样中。但是，随着国内外海洋科考的作业水深越来越深（基本上都已达到10000m以上），考虑到缆绳在水中的偏移等因素，实际科考船上为马里亚纳海沟作业准备的缆绳的长度都会达到12000～13000m。但是，当钢缆长度达到一定数值之后，会形成自重与拉力之间的矛盾。以直径为19mm的钢缆为例，其破断力普遍达到300kN左右，但其在海水中的平均自重约为1.75kg/m，若释放10000m钢缆，其自重就接近17.5t，已超过破断力的1/2，此时已很难支撑缆绳自重，更无法提供足够的绳端负荷。若将钢缆直径增加到25mm，其破断力能增加到550kN左右，但其在海水中的平均自重增加到了2.72kg/m，若同样释放10000m钢缆，其自重为27.2t，也接近钢缆破断力的1/2，仍无法提供足够的绳端载荷。由此可见，单纯地增加钢缆直径很难满足极限深海作业环境下的绳端负载要求，这就是钢缆自重与拉力之间的矛盾；同时，钢缆直径过大会导致整个绞车系统的轮毂、滑轮和排缆等机构体积巨大、重量激增，不利于船舶的总体设计。

在此情况下，一些高分子量聚乙烯材质应用到了深海地质缆绳中，这种材质的缆绳可在水中做到零重力或微重力，且其破断力接近同直径的钢缆。比如科考船上常用的25mm纤维缆，虽然外包有防磨层，其破断力不如同直径的钢缆，但也能达到300kN以上，其密度仅为0.97×10kg/m，水中重力为零，破断力除以安全系数之后几乎全部作为绳端载荷。一般对于科考船普遍装备的纤维缆而言，其进入水中作业之后的重力可忽略不计。

2.4 水面张力

水面张力很难计算，一般需依靠专业的仿真软件或试验方法才能精确计算出来，且其中重要的海水表面张力系数受海水温度和盐度的影响很大，若要进行复杂的分析计算，显然不符合工程实际。中国船级社给出了该问题的解决方案，考虑穿过空气/水界面时受到的影响，被起升的水下物体（例如重力取样器、潜器等）可考虑1.7倍的起升系数，在扣除起升的物体的自重之后，即可认为水面张力为物体自重的0.7倍，即

3 算 例

某船在某平静的海域下进行地质取样作业，采用长度为30m的取样器，预计插入沉积物深度为30m，取样管直径为127mm，配重头直径为600mm，预估取样之后的沉积物加取样器在水中的质量为6t（重力加速度取9.81m/s）。经浅剖探测，目标地质为软泥黏土，水深6000m，拟采用直径为25mm、破断力为300kN的纤维缆（水中重力为0）以1m/s的回收速度取样，配合的地质绞车拉力为200kN，校核绞车拉力和缆绳的安全系数。

1) 计算破土阶段拉力

F

：根据式(1)和式(6)，结合相关数据，可得

F

＝ 176.3kN 。2) 计算起升阶段拉力

F

：根据式(2)和式(7)，结合相关数据，可得

F

＝ 66.3kN 。3) 计算出水阶段拉力

F

：根据式(3)和式(9)，结合相关数据，可得

F

＝ 100.1kN 。4) 校核绞车拉力：

T

＝max(

F

,

F

,

F

) ＝

F

＝ 176.3kN ＜ 196.2kN 。因此，绞车拉力是安全的。

4 结 语

本文重点阐述了长柱状重力取样地质绞车拉力取值确定的基本方法，通过算例找到了一定的规律，即：一般而言，最大拉力出现在破土阶段，虽然出水阶段的拉力也比较大，但更多的是因为包含了工程余量。此外，行业内对科考绞车使用的缆绳的安全系数没有明确的规定，根据海上作业的实际情况，在长期使用过程中缆绳的安全系数不要小于2.0，在极限工况下缆绳的安全系数不小于1.5都是能接受的，且缆绳的安全系数越大，意味着缆绳的负载越轻，达到其材料极限的可能性越小，缆绳的使用寿命越长。基于工作中积累的经验，为同类型科考船的重力取样系统设计提出以下建议：

1) 如果确需进行深海取样，建议配置纤维缆绞车，但缆绳成本略高；

2) 在取样管表面进行特殊涂装以减小破土力，是控制绞车拉力的有效手段；

3) 地质缆绳的投放点尽可能靠近船中，以降低船舶运动产生的加速度的影响；

4) 结合当前的前沿技术，可在取样作业期间开启动力定位和零航速下的减摇设备；

5) 从绞车至缆绳投放点的路径尽可能短，减少滑轮的数量，以减小系统的总摩擦力。

长柱状重力活塞取样是海洋综合科考船最复杂的水下取样作业之一，所需绞车拉力较大，合理地确定此项作业需使用的绞车的拉力值可有效控制项目建设成本、空船重量和电力负荷等，有利于海洋综合科考船的精细化设计。