一种取样管用仿生自闭合止退器

1.本发明属于地质工程柱状取样领域，具体为一种取样管用仿生自闭合止退器。


背景技术：

2.海底、湖底表层沉积物和土壤具有强度低、塑性高等特点，在取样过程中，取样管中样品易整体脱落或者部分漏失，影响样品获取率，不利于地质资料获取和工程地质评估。在取样管底部设置爪簧可以防止样品脱落，采用普通的锥形爪簧虽然能在一定程度上防止样品脱落，但爪簧依然会对样品产生较大的扰动，具体表现为：
3.(1)卡簧的弹片具有较大的刚度，沉积地层样品进入取样管时受到较大的阻力，这种阻力一方面会影响样品获取率，另一方面也会引起样品压缩；
4.(2)样品进入取样管中时，卡簧弹片会对样品产生刻划作用，对于松软沉积物来说，进入取样管的表层结构受到破坏，甚至会发生蠕变流动，样品层序结构完全破坏。


技术实现要素：

5.针对上述沉积层未固结沉积物的取样扰动难题，本发明的目的是以松果壳鳞片为仿生原型，仿照松果壳自闭合特性，提出一种具有自闭合功能的止退器。松果壳的鳞片主要由木质素组成，木质吸水后膨胀，因松果壳木质素在内外层分布不同，吸水后膨胀程度不同，因此呈现出“干燥时张开、遇水后闭合”这种现象。
6.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种取样管用仿生自闭合止退器，包括止退环、瓣状弹片、水敏性驱动片、固定螺钉和铆钉，所述止退环为中空的圆柱形，上部和下部分别开设有顶孔和底孔，止退环具有上螺纹和下螺纹，止退环通过上螺纹与取样管连接、通过下螺纹与管靴连接；所述瓣状弹片通过固定螺钉以环状形式均匀固定在止退环内侧，止退器开启时，瓣状弹片紧贴止退环内壁；止退器闭合时，瓣状弹片向止退环中轴线方向弯曲闭合；所述水敏性驱动片的一端通过铆钉与瓣状弹片固定连接，另一端通过固定螺钉连接在止退环内壁；水敏性驱动片在干燥时，处于收缩状态，驱动瓣状弹片紧贴止退环；水敏性驱动片吸水后，逐渐膨胀，推动瓣状弹片向止退环中轴线方向弯曲闭合。
7.进一步，所述止退环的顶孔直径比底孔直径小1mm～2mm。
8.进一步，所述水敏性驱动片的材料为硫化型遇水膨胀橡胶。
9.进一步，所述水敏性驱动片结构为：干燥状态下，水敏性驱动片呈v型，在铆钉的连接作用下，驱使瓣状弹片贴近止退环，使得止退器呈开启状态；吸水膨胀状态下，水敏性驱动片呈l型，驱使瓣状弹片变形，止退器呈闭合状态。
10.通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明提供的一种取样管用仿生自闭合止退器，仿照松果壳鳞片遇水闭合的功能，利用遇水膨胀的水敏性驱动片驱动瓣状弹片开合，取样器未进入地层前，水敏性驱动片处于干燥状态，与之连接的瓣状弹片处于开启状态，此时样品能通过止退器顺利进入取样管，在获取样品之后，水敏性驱动片逐渐受地层水的影响，膨胀变形驱动瓣状弹片闭合，取样管中的样品在提升过程不会发生脱落，
进而获取保真程度较高的柱状样品。
附图说明
11.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
12.图1为取样管用仿生自闭合止退器处于开启状态示意图；
13.图2为取样管用仿生自闭合止退器处于闭合状态示意图。
14.图中各标记如下：1-止退环；2-瓣状弹片；3-水敏性驱动片；4-固定螺钉；5-铆钉；6-上螺纹；7-下螺纹；8-顶孔；9-底孔。
具体实施方式
15.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
16.为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程和元件并没有详细叙述。
17.如图1和图2所示，一种取样管用仿生自闭合止退器，以松果鳞片为仿生原型，仿照松果鳞片因内外侧木质素分布不同而呈现出干燥时收缩、吸水时打开的功能，通过遇水膨胀的水敏性驱动片3控制止退器的开启和闭合状态，能够降低取样过程对样品的扰动，在样品提升过程中，防止样品滑落退出取样管，所述取样管用仿生自闭合止退器包括止退环1、瓣状弹片2、水敏性驱动片3、固定螺钉4和铆钉5，所述止退环1为中空的圆柱形，上部和下部分别开设有顶孔8和底孔9。
18.所述瓣状弹片2通过固定螺钉4以环状形式均匀固定在止退环1内侧，瓣状弹片2的一端固定在固定螺钉4上，瓣状弹片2的另一端为自由端，且瓣状弹片2的自由端能够相互靠拢形成闭合状态，瓣状弹片2具有良好的回弹性能，止退器开启时，瓣状弹片2紧贴止退环1内壁，不会对样品产生刻划作用；止退器闭合时，瓣状弹片2向止退环1中轴线方向弯曲闭合，能对样品产生良好的阻挡作用。
19.所述水敏性驱动片3的一端通过铆钉5与瓣状弹片2固定连接，另一端通过固定螺钉4连接在止退环1内壁，瓣状弹片2的开启、闭合由水敏性驱动片3控制。水敏性驱动片3在干燥时，处于收缩状态，驱动瓣状弹片2紧贴止退环1；水敏性驱动片3吸收沉积物地层中的水后，逐渐膨胀，推动瓣状弹片2闭合。
20.止退环1具有上螺纹6和下螺纹7，通过上螺纹6与取样管连接、通过下螺纹7与管靴连接，可实现快速边界的拆卸和更换。
21.止退环1的顶孔8直径比底孔9直径小1mm～2mm，其目的是使样品顺利通过止退环1。
22.瓣状弹片2的开合由水敏性驱动片3控制，取样之前，水敏性驱动片3处于干燥状态，瓣状弹片2开启，取样之后，水敏性驱动片3处于湿润开启状态，瓣状弹片2闭合。
23.瓣状弹片2和水敏性驱动片3以环状均匀分布在止退环1内侧，其数量可根据地层样品特征调节，对于松散易脱落或淤泥样品，瓣状弹片2和水敏性驱动片3的数量应适当多
些，防止样品脱落。
24.本发明所述水敏性驱动片3材料为硫化型遇水膨胀橡胶。
25.本发明所述硫化型遇水膨胀橡胶由乳液共混方式制备而成，天然胶乳作为橡胶基体材料，聚醚型聚氨酯(peu)作为吸水膨胀组分，将天然胶乳和聚醚型聚氨酯搅拌混合均匀后，经过真空脱液、熟成、注模和硫化制备而成。
26.本发明所述水敏性驱动片3为硫化型遇水膨胀橡胶，吸水速率快，吸水膨胀变形所需的时间小于30分钟。
27.本发明所述水敏性驱动片3结构需求具体表现为，干燥状态下，水敏性驱动片3呈v型，在铆钉5的连接作用下，驱使瓣状弹片2贴近止退环1，止退器呈开启状态；吸水膨胀状态下，水敏性驱动片3呈l型，驱使瓣状弹片2变形，止退器呈闭合状态。
28.本发明提出的一种取样管用仿生自闭合止退器的使用方法包括以下步骤：
29.1、在用取样管获取松软沉积物前，通过上螺纹6与取样管连接、下螺纹7与管靴连接，顶孔8位于上部，底孔9位于下部，取样作业开始前，确保水敏性驱动片3处于干燥状态，瓣状弹片2处于开启状态；
30.2、开展取样作业，在取样管压入或者钻入沉积地层时，柱状样品由底孔经止退器进入至取样管，此时水敏性驱动片3尚处于收缩状态，瓣状弹片2开启，沉积物样品进入取样管过程中不受阻力和破坏；
31.3、在钻获沉积物样品之后，停留一段时间，水敏性驱动片3逐渐吸水膨胀，推动瓣状弹片2闭合；
32.4、提升取样管过程中，瓣状弹片2始终处于闭合状态，取样管中样品不会脱落或者漏失；
33.5、将钻取样品的取样器提升至地表后，卸下止退环1，将样品取出；
34.6、在下一个回次的取样作业时，更换新的干燥止退环1，或者将使用过的止退环1干燥处理，使水敏性驱动片3恢复干燥收缩状态、瓣状弹片2处于开启状态，可再次重复使用。
35.本发明提出的一种取样管用仿生自闭合止退器，在钻取水底沉积物、松软土壤柱状样品时，样品提升过程中易发生脱落，常规的锥形爪簧对样品层序和形态扰动大，难以获得低扰动的原位样品，不利于工程地质评价和地质资源评估。本发明针对松软未固结地层的扰动难题，仿照松果壳鳞片干燥时打开、润湿时闭合的特性，设计了一种取心前瓣状弹片2打开、取心后瓣状弹片2闭合的取样管用止退器。松软样品进入取心管时，止退器处于打开状态，避免对样品外壁刻划损坏，当样品进入取心管后，止退器处于闭合状态，防止取样管提升过程中样品脱落。本发明在松软未固结沉积物中取心时，能实现低扰动保真取样。

技术特征：
1.一种取样管用仿生自闭合止退器，其特征在于，包括止退环(1)、瓣状弹片(2)、水敏性驱动片(3)、固定螺钉(4)和铆钉(5)，所述止退环(1)为中空的圆柱形，上部和下部分别开设有顶孔(8)和底孔(9)，止退环(1)具有上螺纹(6)和下螺纹(7)，止退环(1)通过上螺纹(6)与取样管连接，止退环(1)通过下螺纹(7)与管靴连接；所述瓣状弹片(2)通过固定螺钉(4)以环状形式均匀固定在止退环(1)内侧，止退器开启时，瓣状弹片(2)紧贴止退环(1)内壁；止退器闭合时，瓣状弹片(2)向止退环(1)中轴线方向弯曲闭合；所述水敏性驱动片(3)的一端通过铆钉(5)与瓣状弹片(2)固定连接，另一端通过固定螺钉(4)连接在止退环(1)内壁；水敏性驱动片(3)在干燥时，处于收缩状态，驱动瓣状弹片(2)紧贴止退环(1)；水敏性驱动片(3)吸水后，逐渐膨胀，推动瓣状弹片(2)向止退环(1)中轴线方向弯曲闭合。2.根据权利要求1所述的取样管用仿生自闭合止退器，其特征在于：所述止退环(1)的顶孔(8)直径比底孔(9)直径小1mm～2mm。3.根据权利要求1所述的取样管用仿生自闭合止退器，其特征在于：所述水敏性驱动片(3)的材料为硫化型遇水膨胀橡胶。4.根据权利要求1所述的取样管用仿生自闭合止退器，其特征在于：所述水敏性驱动片(3)结构为：干燥状态下，水敏性驱动片(3)呈v型，在铆钉(5)的连接作用下，驱使瓣状弹片(2)贴近止退环(1)，使得止退器呈开启状态；吸水膨胀状态下，水敏性驱动片(3)呈l型，驱使瓣状弹片(2)变形，使得止退器呈闭合状态。

技术总结
一种取样管用仿生自闭合止退器，属于地质工程柱状取样领域，包括止退环、瓣状弹片、水敏性驱动片、固定螺钉和铆钉，瓣状弹片通过固定螺钉以环状形式均匀固定在止退环内侧，水敏性驱动片一端通过铆钉与瓣状弹片固定连接，另一端通过固定螺钉连接在止退环内壁；水敏性驱动片在干燥时处于收缩状态驱动瓣状弹片紧贴止退环；水敏性驱动片吸水后逐渐膨胀推动瓣状弹片向止退环中轴线方向弯曲闭合。本发明利用水敏性驱动片驱动瓣状弹片开合，取样器未进入地层前，水敏性驱动片处于干燥状态，此时样品能通过止退器顺利进入取样管，在获取样品之后，水敏性驱动片逐渐受地层水的影响，膨胀变形驱动瓣状弹片闭合，取样管中的样品在提升过程不会发生脱落。会发生脱落。会发生脱落。


技术研发人员：张鹏宇 郭威 张志辉 王元 孙平贺 贾瑞
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/9/6