作为地球上最大的资源宝库，海洋蕴藏的油气、矿产、生化及空间资源可为人类社会的发展提供未来几个世纪的资源消耗^[1]。然而人们对于海洋资源的勘探、海洋资源的开发及海洋资源的利用都受到了很大的限制。为了突破这些限制，各种取样装备及取样技术应运而生并迅速发展。综合国外各类现代海底取样器的基本特征，可按照以下几个方面进行分类：（1）连接方式；（2）控制方式；（3）钻进能量类型；（4）管内发生过程类型。然而这几个方面对取样时间、取样深度、取样质量及提升取样管的方法都有影响，同时对取样点和浮动装置等也有一定的影响^[2]。

近年来，随着人们对海洋的认识越来越丰富，更加注重对海洋资源的勘探与开发，海底沉积物的获取也就越来越得到人们的重视。目前我国普遍使用的常规海底取样设备有：（1）重力柱状取样设备^[3]；（2）蚌式抓斗采泥器；（3）箱式取样器^[4]；（4）振动取样器^[4]；（5）多管取样器^[5]；（6）无缆自返式抓斗；（7）拖网取样器。我国海洋地质调查中，目前获取长柱状砂质样品主要依靠振动活塞取样器，该取样器广泛应用于环境地质、海洋区域地质调查等工作中。其工作原理是利用共振原理来破坏沉积物的粘结力使得沉积物产生“液化现象”，进而降低钻具侧面摩擦阻力^[6-9]。

我公司勘407轮主要使用海底振动柱状取样设备及技术。该轮曾在以往现场取样实施过程中遇到种种问题，造成取样效率低和样品质量不高的现象。为了解决这些问题，我们针对海底振动柱状取样设备以及技术进行研究并技术改进，使得海底振动柱状设备更加精密、技术更加完善，从根本上解决了上述诸多问题，并且显著提高工作效率，可为今后类似问题的解决提供借鉴和参考。

1 海底振动柱状取样器结构和技术 1.1 海底振动柱状取样器结构

海底振动柱状取样器主要由三部分组成（图 1）：电缆自动收放装置，包括电机和电缆绞车；水下取样装置，包括导向管、底盘、马达底座和振动马达；以及振动马达控制电箱。其中水下取样装置依靠甲板上的A字架和大卷扬机进行收放。

1.2 海底振动柱状取样技术

海底振动取样器主要是用于长柱状砂质样品的采集，技术人员和施工人员对振动取样技术要求：（1）尽可能深地钻（贯）入到海底地层中，尽可能得到长的柱状样品；（2）限制振动取样器的外形尺寸和重量；（3）保证取样可靠性；（4）使振动取样器尽可能实现机械化以及自动化；（5）使振动取样器在操作过程中简便、可靠及安全。

上述技术要求中部分之间是相互矛盾的。如海底取样船只是浮动装置时，要求海底取样钻具能够达到最大深度，从而获得长的柱状样品，但同时又要对所取样品产生较低的扰动。在实际的工作过程中，会遇到很多具体的技术问题，如如何高效准确抛锚、如何正确下放取样器以及如何高效取样等等。因此，对海底振动取样器以及取样技术进行合理改进，并使其能在最合理的范围内满足上述几条要求，具有重要的意义。

2 海底柱状取样设备及技术改进 2.1 取样架的改进

旧式的取样架（图 2）底座采用了直角型的钢材，且支架连接处均为较单薄的钢条，强度低，极容易变形损坏。砂质底质受振动影响液化后，取样架底座易陷入砂层中，提起取样架时受砂层吸附力的影响，振动取样架容易变形。在实际生产中，往往因为取样架的变形和损坏，需要维修和更换备件，从而影响施工进度。

结合实际工况，我们对取样器进行改装。改装后的取样架（图 3）底座采用可拆卸式的拼装结构，底座采用圆柱形钢管替代原有钢条。另外在取样架上加装了4根斜拉钢丝绳，强化了取样架整体结构。除此之外，设计加工了机械化电缆收放绞车代替了原有人力电缆收放绞车，极大减轻了作业人员的劳动强度。

从图 3可以看出，新的取样架底座钢架采用了圆柱形的设计，下部垫有铅块用于配重，木块防止取样架过度陷入沉积物中；底座与取样架导向管之间的连接换成了钢管，强度增大，不易损坏；取样架导向管顶部与底座增加了4根斜拉的钢丝绳，牢牢地将导向管与底座相连接固定，防止了导向管偏移影响振动马达的升降；底座采用分段拼装组合方式进行连接，最新加工的取样架底座还采用了法兰盘进行拼装，组装起来更为便捷。

2.2 取样设备密封性的改进

在设备改造前，取样管与花瓣之间、花瓣与刀头之间不密封，造成振动取样时管内活塞与样品之间水多，样品长度短，并且存在一定的扰动。在以往操作时，曾尝试采用在取样管与花瓣之间、花瓣与刀头之间缠绕高压防水胶带的方式保持密封，但是效果并不理想。

经过分析，由于PVC管内进入了大量的海水，造成样品不足，而海水都是通过PVC管与花瓣、花瓣与刀头接触部位的缝隙渗入的。为了防止过多海水渗入PVC管中，我们设计加工了一款配合新刀头（图 4）使用的密封组件（图 5）。

该密封组件是采用四丙氟材料制成，具有抗海水腐蚀、耐压等特点。密封组件套在取样花瓣的铜环上（图 6）。

经过多次的实验与测试，从密封组件两端将取样花瓣铜环包住，随花瓣一起塞入PVC管中，再用刀头拧上，这样密封组件一端与PVC管紧密接触，另一端与刀头紧密接触，能够有效防止海水渗入PVC管中。加装密封组件、刀头拧紧之后，密封组件受到挤压，会将取样花瓣与PVC管之间的缝隙堵住，防止海水渗入。通过该项技术改进使砂质岩心样品长度提高18%（砂质岩心由2.8 m增加到3.31 m），减少了砂质岩心样品扰动。

2.3 取样技术改进

在实际取样过程中，由于海况较差、风向和流向方向不一致、船舶摇摆和作业人员操作等问题，经常会造成取样管弯曲。由于船位移动，连接甲板与取样器的钢丝绳倾斜，作业人员往上提拉时，将取样管拉弯，影响取样作业。

结合实际工况，取样方案改进为：取样作业时，受到风向和流向的影响，当船舶以锚为中心，像老式挂钟的摆臂一样有规律地左右摇摆时，首先将振动取样器下放到海底以上5 m左右，当船位摆到中心点时下放取样器到海底，取到样品后等待船摆到下放取样器的位置，提起取样器。遇到风浪较大或者船位漂移较大时，操作人员要及时地跟甲板值班人员沟通。甲板值班人员开动侧推或直接动车将船位推回到取样器的正上方，此时作业人员把握好时机，及时将取样器拉离海底，回收到甲板，该方法可以有效避免取样管弯曲。

通过实际应用，在船舶摇摆幅度较大时采用上述方法，可以避免80%以上取样管弯曲事件发生。假设一般海域为半日潮或全日潮，有较大流的情况占作业时间1/2，有风的情况占作业时间1/2，风向不一致造成船舶摇摆幅度较大占有风的情况1/2，其他不会造成船舶摇摆幅度较大的因素占1/2，通过该方法，可以增加6.25%的作业时间窗口。

海底柱状取样设备及技术的改进推广到其他施工应用也取得了较好的效果。2016年5月26日~6月11日，勘407轮在南黄海某海域执行海底振动柱状取样任务，用时17天共完成柱状样330个站位，取得柱状样330根。作业过程中设备未出现过故障，采集的柱状样品长度（包含刀头）最长为4.06 m，最短为1.72 m，次短2.03 m，效率高、质量好。

3 结论

通过对振动柱状取样器以及取样方法的改进，在实际工作中取得了很好的成效，具体表现如下：

（1）在东海施工项目中，取样创勘407轮振动柱状取样182.7 m水深记录，拓展了施工水深，为承接新的取样项目提供施工依据。

（2）样品一次性成功率提高10%，综合施工效率提高10%。在提高工作效率的同时降低了生产成本。

（3）通过自主设计密封组件装置，对取样架的材质、结构以及海底振动柱状取样技术方法的改进，海底振动柱状设备更加精密、海底振动柱状取样技术更加完善。本次改进从根本上解决了问题，显著地提高了样品长度、样品质量和工作效率，有效避免了设备故障，可为今后类似问题的解决提供借鉴。