一种压载水采样装置的制作方法

本发明属于液体的取样测试技术领域，具体涉及一种用于检测压载水是否达标以及提高采样效率的压载水采样装置，可以根据不同舱室的深度进行灵活调节并且可以多点同时采样

背景技术

船舶运输中为了保证空载时船舶的浮态和稳性以及其它性能，船舶通常需要加装压载水航行，以达到保证船舶的航行性能。船舶在加装压载水的同时当地的海洋生物也会随着压载水进入压载舱中，直至需要装载货物排放压载水时，海洋生物随着压载水排放到目的地海域。压载水的排放过程会携带各种海洋生物，主要包括各种鱼类、小型无脊椎动物，其它物种的卵及幼虫和其它微生物。据国际海事组织(imo)资料显示，每年随船舶搬运的压载水有近100亿吨，每天随压载水搬运的动植物有3000多种，分散到世界各地不同海域，造成异地海洋生物入侵到当地水域因为缺少天敌而大量繁殖扩散，导致水域生态平衡遭到破坏。压载水水生物一旦入侵和落户当地水域，造成的后果是不可逆转的。船舶通过压载水将有害生物引入新环境并产生影响被全球环保基金组织列为海洋四大危害之一。《国际船舶压载水及其沉积物控制和管理公约》已于2004年在国际海事组织外交大会获得通过，该公约对压载水的处理标准和压载水管理系统提出了明确的要求，对航运业和海洋环境的保护具有深远的意义。

为了检测需要排放的压载水是否达到对海洋或港口处的生态环境无污染的标准，需要一个专门用来对压载舱内的压载水进行取样的装置。环境检测实践中已有多种液体采样器，主要分为自动型和手动型。其中，自动型有浅水水体沉积物——界面水采样器，负压式水质采样器等；手动型主要有卡盖式压载水采样器，撞针式液体底层采样器等。由于对于船舶压载水不需要实时监视，只要在某些特定的情况下进行采样检查即可，因此海运实践中一般不需要使用结构复杂成本高的自动型采样器，大多采用手动型采样器。

卡盖式压载水采样器在取样时将采样包中的细口瓶置于采样器中，紧扣固定夹，将瓶塞卡入采样器卡盖内，紧盖瓶塞，从舱口匀速放下采样器，待采水瓶下落至水面下约10cm～20cm处，向上拉卡盖线绳，打开瓶塞，使水注入采样瓶内，约待水注满后，放下卡盖线绳，盖上瓶盖，将采样器拉上来，打开卡盖和固定夹，取出采水瓶，盖紧瓶塞，水样应与瓶塞之间留有足够的空间。其优点是结构简单，操纵方便。但其缺点是将取样器下放时，需要控制两根绳的相对位置，很容易在没有到达采样的高度时瓶塞就被线绳拉起，从而导致采取的样本与预定的有所偏差。另外，压载水注满采样器后，放下卡盖线绳，不能保证瓶盖塞住瓶口，在上拉的过程中可能会混入不同高度的压载水，导致检验结果不严谨。当取样器倾斜时偏差会更加严重。

撞针式液体底层采样器是通过机械力学原理来实现底层采样的功能。装置在取样下降的过程中，在重力作用下，撞针和套筒通过密封垫紧闭，确保采样桶内不会有液体进入。到达底部后，撞针停止下降，撞针与套筒产生相对位移，密封垫打开，底层液体进入采样桶；采样器提起后，撞针和套筒在重力作用下，使密封垫重新闭合，保证采样桶内的液体样品在上提的过程中不会混入其它液体，从而达到有效地采集底层液体的目的。同时将撞针式液体底层采样器设计成两端较尖、尺寸较小、顶端装有转环的圆柱形状，使其能够顺利地通过带有一定弧度的测量孔(如船舶压载水的测水孔)从而深入到舱底。其优点在于通过简单的机械和力学原理采集样品，携带方便，无需电器设备和电源，操作简单有效，成本低廉，形状规整，体积小，非常适合登轮作业和存储场地采样。材质选用不绣钢和黄铜，比较环保，同时对采集的水样无吸附、无污染。但其缺点是由于撞针式液体底层采样器只能用来采集底层液体，因此不能采集某一固定高度的压载水。

经过检索发现现有专利文献中已经有关于压载水采样器的技术，如申请号为cn201620803989.4、名称为“一种取样位置随机的压载水采样装置”的实用新型，该装置包括样品盛放罐，样品盛放罐为透明的罐体，样品盛放罐内的底部安装有臭氧发生器，样品盛放罐的外侧顶部安装有搅拌电机，搅拌电机的输出端与变速器连接，变速器的输出端连接转轴，转轴穿过样品盛放罐伸入到样品盛放罐的内部，在转轴的末端安装有搅拌叶片；样品盛放罐的内侧顶部还设置有若干紫外线灯，紫外线灯外侧上安装有对紫外线灯进行保护的灯罩，在样品盛放罐的顶部开有气孔、上部开口和进水口。该实用新型可以使采样更有代表性，但缺点是结构复杂、成本高。另外，申请号为cn201710412382.2、名称为“一种船舶压载水采样装置”的发明公开了一种船舶压载水采样装置，其包括水舱、一号样品收集箱和二号样品收集箱，该发明能够对不同深度的压载水进行取样采集，通过独立设置的两个样品收集箱，提高了压载水采样的对比性，但该发明也存在结构复杂、成本高的缺点。

技术实现要素：

为解决上述现有压载水采样装置技术存在的结构复杂、成本高、通用性差的问题，本发明提出的压载水采样装置，包括多个串联的撞针式压载水采样器，结构简单，可拆卸，容易维护保养，既能够实现取到指定高度的压载水，又能弥补撞针式底层液体采样器的缺点，从而使采样器的取样效果更好，使用起来更加方便。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种压载水采样装置，其包括多个串联的压载水采样器，压载水采样器包含撞针和套筒，上面的压载水采样器的撞针通过连接杆与下面的压载水采样器的套筒连接，上面一个串联的压载水采样器，撞针通过连接杆与接触舱底的那个采样器相连，压载水采样器与最上面的浮体连接，以保持压载水采样装置处于竖直状态。

进一步，上述压载水采样器的采样部分由上套筒，上撞针，下套筒，下撞针和套筒盖五部分组成，其中，下套筒、下撞针、上套筒、上撞针形成一个封闭的环境用来容纳压载水，套筒盖能够连接上套筒和连接杆，进而与位于上方的压载水采样器的下撞针连接。

作为优选，上述上套筒与下套筒通过的螺纹连接。

上述压载水采样器还包含可以进压载水的下开口和上开口。

根据舱内压载水的深度，上述连接杆的长度可以调节。

如果舱内压载水量较少，采样时可以只有一个压载水采样器，此时压载水采样装置不需要浮体。

考虑压载水采样器的使用年限和材料成本，上述压载水采样器选用的材料为不锈钢316。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

1，压载水采样器既保留了撞针式底层液体采样器的优点，又能弥补撞针式底层液体采样器的缺点，能够实现取到指定高度的压载水，从而使采样器的取样效果更好，使用起来更加方便。

2，本发明中，单个压载水采样器的采样部分由五部分组成，每次使用后装置能够打开，方便对内壁的清理。

3，对压载水采样器的各个部件进行统一化标准，因为整个装置可以简单地组合与拆分，如果发生意外或损坏，可以直接采用备件进行替换或者从其它的下撞针未损坏但是别的部分损坏的采样器中的下撞针进行替换。

4，选用不锈钢316作为压载水采样器的材料，因添加mo，故其耐蚀性、耐大气腐蚀性和高温强度特别好，加工硬化性好，无磁性，适于海水用设备。

附图说明

图1为压载水采样器的立体图。

图2为串联状态下的压载水采样器的立体图。

图3为压载水采样器的结构图及其局部剖视图。

图4为下撞针的正视图和俯视图。

图5为下套筒的正视图。

图6为上撞针的正视图和俯视图。

图7为上套筒的正视图及其局部剖视图。

图8为连接杆的结构示意图及其局部剖视图。

图9为套筒盖的结构示意图及其局部剖视图。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步详细的说明。

压载水对海洋环境的污染已经受到越来越多的关注，而采样器对压载水的采样是压载水检测分析的前提。如果采样不恰当，导致压载水检测分析不准确，含有污染物的压载水排放到异地，将导致当地的环境污染，生态平衡遭到破坏。因此选取合适的取样设备对取样的压载水能否符合规范的要求，能否反应出整个压载舱内压载水的性质非常关键的，取样设备必须满足以下要求：

(1)取样设备应该能够在压载舱不同深度进行取样；

(2)取样设备大小适中，能够保证适用于几乎所有船舶；

(3)取样设备不能给压载水水样内的水生物带来影响，以保证压载水样品的代表性。

针对以上要求，本发明压载水采样装置的单个立体效果图如图1所示，图2为串联状态下的压载水采样器的立体图。

压载水采样器的尺寸对于采样器所能取样的容量有着决定性的影响，对于容量而言，尺寸越大，所取样的容量也就越大，样品就越具有代表性。但是装置太大，一些船舶的预留孔较小，将导致采样器的应用范围大大减少。同时如果装置的尺寸太大，取样时采样器所产生的浮力大于重力，在取样的过程中就需要借助外力是采样器沉入舱底，从而导致取样过程变得繁琐，与取样过程简洁方便的初衷相违背。

考虑到上述的各种因素，为了使压载水采样器能够通过较小的孔进入压载舱，初步选定压载水采样器为两端较尖，中间圆管的组合体，这样还便于保证撞针与套筒之间的密闭性。材质选用不锈钢316作为压载水采样器的材料，不锈钢316的密度7.98g/cm³，由于两端向内收拢，估算时可以仅仅估算中间圆管部分。当采用圆管保守计算设计时，取圆管壁厚度为3mm，采样器半径取3cm，高为20cm，海水密度取1.025g/cm³，经初步估算，未装压载水时质量为：

[πr²-π(r²-0.3)]*h*7.98＝856g(1)

未装压载水时排开水的质量

πr²*1.025*20＝579.33g(2)

其中r为圆柱体的半径。

由(1)(2)知当压载水采样器取半径为3cm时，本身质量产生的重力大于浮力，所以装置可以在自身重力的作用下在海水中下沉。中间圆柱体的取样容量为内壁体积

π*(r-0.3)²*20＝457.8cm³(3)

因此满足分析所需要的样品量，可以保证样品具有代表性。

压载水采样器的整体组成如图3所示，包括：下套筒，下撞针，上套筒，上撞针，套筒盖，连接杆和浮体。下套筒，下撞针，上套筒，上撞针是新式压载水采样器的主体部分，它们形成一个封闭的环境用来装液体，而套筒盖能够连接上套筒和连接杆，进而与另一个采样器的下撞针连在一起，通过调节连接杆的长度，使上一个压载水采样器处于指定的高度采集压载水。最上端连接一个浮体，使整个装置在收集压载水时保持直立。

下套筒的视图如图5所示，下套筒的壁厚取3mm，如果壁厚太薄，会产生以下不良后果：

1：由于自身的重量不足，在未装入压载水时重力小于浮力，整个装置不能够在自身的重力的作用下深入水底，此时需要借助外力，从而使整个取样过程变得不方便；

2：在取样结束时通过绳子上拉的过程中，难免会与压载水舱壁碰撞，如果压载水采样器的壁厚太薄，会造成压载水采样器因碰撞而导致损坏。

但壁的尺寸也不宜太厚，否则会导致以下不良后果：

1：浪费材料，整个装置的重量增加；

2：取样要保证样品的量足够，如果整个装置的体积足够大，但是如果与压载水舱相通的孔面积不够大时，压载水采样器就放不进压载舱，无法取样，况且如果装置体积过大，会影响到整个装置的制作成本，使装置变得笨重从而使操作不方便。整个装置体积小会使取样的量不够而使取得样不具有足够的代表性，为保证取样的量具有代表性，因此只能在保证体积的不变的情况下尽量压缩壁厚。

下套筒的下部最好有一斜度，用来与下撞针配合，从而使整个装置在未侵入水中，只在重力的作用下和侵入水中在重力和浮力作用下保持密闭，保证压载水采样器在撞针未接触到舱底时装置内部不会进入压载水。

下撞针的示意图如图4所示：

以下的尺寸为下撞针的最佳实施例：建议下撞针的圆台下面的大圆柱和小圆柱的高度为50mm，当下撞针撞到压载水舱底时，下套筒可以下降的最大距离即为50mm(下套筒的下降距离还由其它因素影响，多个因素取最小值)。最下面的小圆柱高为10mm，直径为6mm，方便与用来调节距离的连接杆相配合。其余部分圆柱直径取10mm，材质为不锈钢316。下撞针中下部的圆台的斜度与下套筒的斜度相一致，当套筒与撞针发生相对移动时，压载水采样器的进水口打开，装置内部与外部联通，压载水进入压载水采样器内部，当撞针圆台的斜度与下套筒的斜度部分重合时，装置内部与外界环境隔开，形成密闭的环境。

上套筒的示意图如图7所示，上套筒的具体参数可参考下套筒。与下套筒不同的是，下套筒的其中一个限位孔较长，以此来保证下撞针和上撞针在移动过程中不会离开限位孔，从而保证撞针在相对套筒移动过程中与套筒平行。下套筒用来密闭的斜度坡位于套筒内部，而上套筒的用来密闭的斜坡位于套筒外部。上套筒与下套筒通过的螺纹连接，保证可拆卸，连接牢固并且水密。

上撞针的视图如图6所示，上撞针的参数与下撞针类似。上撞针的圆台两个圆形之间的坡度与上套筒的坡度一致，上撞针可与上套筒之间在重力的作用下形成配合，使装置的出气口保持封闭。

压载水采样器的附件包括套筒盖，连接杆和浮体。套筒盖的视图如图9所示，套筒盖大端与上套筒通过螺纹连接，小端与连接杆通过螺纹连接，用来连接这一个压载水采样器与连接杆，小圆柱两侧有直径为5mm的圆孔，当仅需要采集底层液体时，可以直接把这个采样器与绳子连接。在撞针碰到舱底时，套筒盖与套筒在重力的作用下接着下降，上撞针在下撞针的带动下相对于套筒向上运动，上撞针由于套筒盖上盖板的限制，移动到一定的距离后停止，从而使压载水采样器的内部与外面连接起来，压载水从下套筒下面的开口进去，气体从上套筒的上开口经过套筒盖上的开孔(图中的正方形)排出，完成整个进水过程。进水结束后，外力拉动绳子通过连接杆将套筒盖提起，套筒盖与套筒一同在外力的作用下向上运动，当上套筒与下套筒的坡度部分与上撞针与下撞针的圆台的坡度部分重合时，压载水采样器的内部环境与外部隔离，从而将此处的压载水取出，完成取样。

连接杆的视图如图8所示，连接杆一般情况下是直的，在受到弯矩时可以弯曲，选用tpe材质的塑料。连接杆长度有200cm，100cm，50cm，20cm，10cm，能够用不同长度的连接杆组合成不同长度，以达到把上一个压载水采样器支撑在指定高度。下面突出部分可以插入套筒盖的小端，另一端凹进去的部分可以与另一个压载水采样器的下撞针相连接，也可以与另一个连接杆连接以增加长度。连接杆中间为直径10mm的杆，突出部分为直径为6mm的外螺纹，凹进去的部分为直径6mm的内螺纹。

单个连接杆体积随长度变化而变，由于下端突出的部分刚好填补上端凹进去的部分，因此体积按照圆柱体计算。

整个压载水采样器的最上端连接一个椭球状的浮体。假如没有浮体的话，整个撞针装置在撞针碰到舱底后，在受到波动时会稍微倾斜，在重力的作用下这种倾斜会加剧，整个装置倒下，使得实际采样高度与计划采样高度不同，从而使采取的样本与预先计划处的样本不一样。为了防止装置倾斜，在装置顶端连接一浮体，当整个装置倾斜时，浮体会产生一个复原力矩，从而保证整个装置在取样前后的过程中一直处于直立状态。

浮体的形状采用中间为圆柱，两边各有一个半球的组合体。浮体可以保证装置竖直使通过其产生的浮力对撞针底部和压载舱第接触的支点的力矩来实现的，因此对浮体材质的要求为质量轻，以减少本身重力对浮体作用的影响。工作环境为海水，一种含有多种盐类的电解质溶液，因此需要选用的材料具有耐腐蚀的特性。由于浮体连接着采样器和与外界的拉绳，因此需要具有一定的抗拉性。最后，在满足以上各种条件，尽量价格低廉，对外界环境无污染。综上，建议选用的浮体材质为pc(聚碳酸酯)，密度为1200kg/cm^3。

在具体采样时，如果仅仅需要采集舱底的压载水时可以单独使用一个采样器，由于一个采样器的尺寸较小，可以通过一些压载舱舱壁与底板之间的弧度部分，从而完成这些复杂地方的压载水取样。当需要一次采取数个指定高度的压载水时，可以选用数个采样器，通过套筒盖和连接杆的不同组合串联，达到调节第二个，第三个……采样器的取样高度，从而完成指定高度的取样。对于一些船舶的压载舱只有一个压载水管道相连接，没有孔可以将装置放进去，这类型的压载舱不能够用此采样器取样。

关于采样器的材料，由于压载水一般都是海水。海水是一种含有多种盐类的电解质溶液，含有大量的其它化学元素，其中以3～3.5％的氯化钠为主，溶有少量的氧气，ph值为8左右。除了电位很负的镁及其合金外，大部分金属材料在海水中都容易氧去极化腐蚀。因此寻找一种耐腐蚀的材料来制造压载水采样器就很关键。塑料的耐腐蚀性比较好，但是由于其抗拉抗压能力不强，强度不够，容易在船舶压载水取样的过程中撞坏，并且由于一般的塑料的密度较小，制作成的压载水采样器需要借助外力才能沉到舱底，因此不适合作为压载水采样器的材料。考虑压载水采样器的使用年限和材料成本，这里选用不锈钢316，因添加mo，故其耐蚀性、耐大气腐蚀性和高温强度特别好，加工硬化性好，无磁性，适于海水用设备，因此可以选用不锈钢316作为压载水采样器的材料。

本发明提出的采样器式采用撞针式底层液体采样器的撞针式工作原理设计而成，相对于撞针式底层液体采样器的优点有：

1、可以取得指定高度的压载水。通过调节两个串联的压载水采样器单元之间的连接杆长度来实现。

2、取样速度有明显改善。撞针式底层液体采样器的进水口与撞针的直径相同，而本设计的压载水采样器的进水口遇下撞针的圆台小端直径相同，相当于撞针直径的数倍。

3、将压载水采样器单元分为5部分：套筒盖，上套筒，上撞针，下套筒，下撞针，这样便于拆卸清洗、维修、更换和保养。

本发明提出的压载水采样器适用于取样容量大于350ml，如果取样分析只需要少量样品，可以相应减小压载水采样器的体积。体积减小会使采样器的适用范围更广，所用的制造材料减少，重量减轻，使用起来更加便捷方便。

需要说明的是，以上具体实施方式的描述并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。