深海耐壓儀器艙的設計

于彥江，張志剛，徐行，羅賢虎

（國土資源部廣州海洋地質調查局，廣東廣州510760）

深海耐壓儀器艙的設計

于彥江，張志剛，徐行，羅賢虎

（國土資源部廣州海洋地質調查局，廣東廣州510760）

結合海底地熱流探測設備工作環境的需要，介紹了深海耐壓儀器艙的設計過程，重點解決了耐壓、水密和防腐蝕三個問題，并進行了壓力試驗和海上試驗，能夠滿足4 000 m水深的使用要求。

耐壓儀器艙；水密性；外壓容器；設計

引言

國民經濟的快速發展對礦產資源的需求量急劇增長，隨著開采的加劇，陸地礦產資源日益枯竭，海洋越來越成為人們關注的領域。隨著海洋技術的發展，海洋的勘探開發等研究工作也逐漸從淺海走向深海。耐壓儀器艙是為電子電路、電源等儀器單元提供安裝空間的水密耐壓圓筒，廣泛應用于海洋勘測開發、科學研究以及水下武器裝備等海洋設備。本文以國家863計劃海洋技術領域科研課題“天然氣水合物的熱流原位探測技術”研制設備中的技術分析為例，介紹了該設備的重要部件之一——耐壓儀器艙的設計與制作過程，探討其需要解決的耐壓、水密和防腐蝕等關鍵技術問題。

1 耐壓儀器艙的設計

1.1 耐壓儀器艙的結構組成

多道海底熱流原位探測設備包括三個耐壓儀器艙，每個耐壓儀器艙之間均通過水密插件和電纜相連，水密插件設計在耐壓儀器艙頂面或底面。將耐壓儀器艙設計為圓柱體，主要是基于圓柱體徑向耐壓性能高、軸向水下迎流阻力小、易加工制作等優點考慮的[2]。耐壓儀器艙由一個圓筒、兩個端蓋以及端蓋上的水密接插件組成，每個端蓋和圓筒都用六個螺釘在圓周上均布連接，結合部位由O形圈進行密封，其結構如圖1所示。

該結構的優點是：（1）上下端蓋都與外部相通，便于拆卸，方便內部部件安裝、維修；（2）采用多分體式結構，有利于加工制造；（3）端蓋使用雙道O形圈進行密封，結構簡單，密封可靠；（4）上端蓋開有排氣孔，便于打開密封艙；裝有吊環，便于起吊、搬運；配有Subconn水密接插件，能夠保證艙體內外信息連通。

圖1 耐壓儀器艙殼體結構

1.2 圓筒的耐壓設計

根據多道海底熱流原位探測設備最大工作水深4 000 m的使用要求，提出了耐壓儀器艙的設計要求：

（1）能承受的外部靜壓力不小于40 MPa，即設計壓力P=40 MPa；

（2）在0～30℃環境下能連續工作3 h以上，其中在海底停留時間約25 min；

（3）根據內部安裝電源、電路控制板等零部件的需要，設計圓筒長度為L=575 mm，內徑為Di=156 mm。

由于該圓筒承受外部壓力較大，所以圓筒設計壁厚較大，屬于厚壁圓筒，必須考慮強度失效與失穩兩種情況，然后選擇兩者中的低值為許用外壓力。在文獻[1]中給出厚壁圓筒的計算許用外壓力[P]：

式中：D0為圓筒外直徑，mm；δe為圓筒的有效厚度，mm；B為系數，MPa；σ0為應力，取以下兩值中的較小者：σ0=2[σ]t，σ0=0.9σst或0.9σ0.2t

建造潛水器的材料，一般是采用具有高比強度、高比剛度的金屬或非金屬材料，如高強度鋁合金、高強度船用鋼、鈦合金和纖維增強復合材料等[3]。制造海洋耐壓容器的三種常用材料的物理性能及力學性能對比見表1。

表1 材料物理性能及力學性能對比

三種材料均能耐海水腐蝕（鋁合金6061經過表面陽極氧化處理后），因此，取腐蝕裕量C2=0；該厚壁圓筒需采用棒材加工而成，板材厚度負偏差C1=0，則厚度附加量C=C1+C2=0，所以圓筒的名義厚度δn=δe+C=δe，則由式（1）和（2）可以得到：

由于耐壓儀器艙單站位在海水中停留時間較短，而且為靜壓力，所以安全系數選為1.3能夠滿足生產要求，取σst=1.3B。由于安全系數小于2，2[σ]t＞0.9σst，取σ0=0.9σst，令[p]=p=40 MPa，代入式（3）分別求出三種材料所需壁厚：

表2 滿足設計要求的不同材料參數對比

由表1和表2可以看出，鋁合金6061與不銹鋼0Cr18Ni9和TC1相比主要有以下優點：（1）鋁合金6061的屈服強度介于0Cr18Ni9和TC1之間，所需壁厚處于中間值；（2）6061的密度只有0Cr18Ni9的三分之一，TC1的五分之三，圓筒重量及毛坯重量都較輕；（3）6061易加工制造，總的加工成本最低。基于以上優勢，圓筒材料選用進口變形鋁合金6061。

1.3 端蓋的設計

兩端蓋同樣采用鋁合金6061材料。考慮到端蓋要安裝接插件，所以端蓋總體上為平端蓋（圖1）。文獻[1]中平端蓋計算公式為：

式中：δp為平蓋計算厚度，mm；Dc為平蓋計算直徑，mm；K為結構特征系數；[σ]t為設計溫度下材料的許用應力，[σ]t=184 MPa；φ為焊接接頭系數，φ≤1。

該端蓋Dc=178 mm，φ=1，查文獻[1]表7-7可知K=0.25，計算得到δp=41.5 mm。考慮到端蓋上要開排氣孔、接插件安裝孔，以及兩道徑向密封槽寬度，最終取端蓋厚度為δp=69 mm。

1.4 水密

水密是所有潛水設備需要解決的關鍵問題之一，可靠的水密性能是潛水設備安全的保障。O形密封圈是密封中最常用的密封件，其優點是[4-5]：（1）動、靜密封兩用、密封性好、壽命長；（2）體積小、重量輕、成本低、結構簡單、裝卸方便；(3)具有自動雙向作用密封功能，其密封能力隨系統壓力的增大而提高；(4)適用范圍廣，靜密封100 MPa或更高，動密封35 MPa；工作溫度-60～200℃；對溫度和壓力的適應性好。

該耐壓儀器艙均為靜密封，主要包括徑向和軸向兩種密封方式。端蓋與圓筒間是徑向密封，采用雙道密封圈（圖1），確保密封的可靠性。端蓋上水密接插件和排氣孔堵頭均采用軸向端面密封。由于外壓的存在，密封圈會越壓越緊，密封性能會越來越好。

1.5 防腐蝕

為了克服鋁合金表面性能方面的缺點，擴大應用范圍，延長使用壽命，表面處理技術是非常重要的一環，用以解決或提高防護性、裝飾性和功能性三大方面的問題[6]。

該耐壓儀器艙采用了陽極氧化處理技術，即用鋁合金作陽極，用鉛、碳或不銹鋼做陰極，在草酸、硫酸、鉻酸等的水溶液中電解。在鋁合金表面形成一種結晶細致、耐酸耐堿的Al2O3氧化膜，膜厚一般在5～15 μm[6]。該膜是由致密的阻礙層和柱狀結構的多孔層組成的雙層結構。該工藝方法簡單、易維護、成本低，較好地解決了鋁合金耐海水腐蝕的問題。

2 試驗

2.1 壓力試驗

深海耐壓儀器艙設計制作完成后，需要進行壓力試驗。由于該耐壓艙是用在深海，所以采用液壓試驗，試驗液體選用水，檢驗其耐壓能力的同時也便于觀察水密性能如何。根據文獻[1]外壓容器液壓試驗公式：

壓力試驗前，應按下式校核圓筒應力：

σT應滿足液壓試驗條件：σT≤0.9φσ（sσ0.2）

經過計算，液壓試驗壓力pT=50 MPa。壓力試驗條件下，圓筒應力：σT=194.6 MPa，滿足液壓試驗條件：σT≤0.9φσs=248.4 MPa。

2008年3 月，在高壓試驗罐中對耐壓儀器艙進行了壓力試驗（圖2）。在50 MPa壓力下保持2 h不泄壓，驗證了耐壓儀器艙滿足壓力和水密要求。

2.2海上試驗

圖2 耐壓儀器艙在高壓試驗罐中

該“劍魚”多道海底熱流原位探測設備研制成功后，先后于2008年6月、2009年5月和8月三次搭乘廣州海洋地質調查局“海洋四號”科學考察船，應用到南海中沙群島幅區域地質調查中（水深3 000～4 000 m），采集到了大量的海底表層沉積物溫度數據。成功應用到海上生產中，表明了該設備的耐壓儀器艙在耐壓、水密、防腐蝕方面都達到了設計要求。

圖3 “劍魚”多道海底熱流原位探測設備出水瞬間

3 結語

該儀器艙經過耐壓試驗和成功應用到海上生產，可以看出設計制造的耐壓儀器艙具有以下優勢：

（1）選用高強度鋁合金材料制造，不僅在強度上達到了設計要求，而且質量較輕，便于搬運和安裝；

（2）端蓋和圓筒之間采用雙道密封圈徑向密封，接插件采用端面密封，結構簡單，密封可靠；

（3）耐壓艙表面進行了陽極氧化處理，生成的氧化膜具有很強的耐海水腐蝕能力；

（4）滿足內部電子器件安裝要求，尺寸較小，加工成本最低；

（5）艙體端蓋水密接插件，可以保證內外信息的傳遞；

（6）具有廣泛的應用價值，可以推廣應用到其他海洋設備上。

[1]GB 150—1998，鋼制壓力容器[S].

[2]陳永華，李思忍，龔德俊等.一種小型水密耐壓艙體的設計與制作[J].壓力容器，2007，24（9）：25-28.

[3]陸蓓，劉濤，崔維成.深海載人潛水器耐壓球殼極限強度研究[J].船舶力學，2004，8（1）：51-58.

[4]賈蘇書.使用O型密封圈應注意的問題[J].煤炭技術，2006，25（8）：109-110.

[5]趙立新,丁筱玲,張亞民等.O形密封圈功能的充分發揮[J].排灌機械,2000,18(2)：32-35.

[6]余美瓊.鋁及鋁合金表面處理技術新進展[J].化學工程與裝備，2008，（6）：84-88.

TH122

B

1003-2029（2010）02-0033-04

2010-03-12

國家“十一五”863計劃海洋技術領域資助項目（2006AA09A203）

于彥江（1983-），男，碩士，主要研究方向為海洋勘察設備設計與制造。E-mail：yuyanjiang2004@tom.com。