深水高壓艙典型實驗實例研究

姚志廣 ，秦延龍 ，趙開龍 ，徐 爽

（1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451；2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451）

深水高壓艙典型實驗實例研究

姚志廣1，2，秦延龍1，2，趙開龍1，2，徐 爽1，2

（1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451；2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451）

隨著深水條件下海洋資源開發活動的增加，將出現越來越多的水下設備。文章以中國石油集團海洋工程重點實驗室研制的深水高壓艙為例，通過兩個典型的結構物模型實驗案例，總結了深水高壓環境下海工結構物的檢測實驗流程，為今后的實驗研究提供指導，為規范和標準的編制提供參考。

深水高壓艙；承壓實驗；疲勞實驗；檢測流程

0 引言

由于海洋環境的復雜性，海洋資源開發過程中所使用的設備在服役期間的安全性、可靠性極為重要，2010年墨西哥灣海域發生的原油泄漏事件敲響了海洋資源開發高風險的警鐘。為確保在海底（尤其是深海）工作的儀器設備和生產設施工作安全可靠，需要在其投入使用前進行大量實驗研究和檢測評價工作，包括高壓條件下的水密性檢驗、承壓強度檢驗、疲勞實驗等。為此世界上一些發達國家如英國、美國建立了頗具規模的深海環境實驗室，為潛艇結構艙段、各類潛器、水下生產設施和探測儀器等新型深海裝備進行結構耐壓測試、水密性試驗等 （圖1為英、美實驗室深水高壓艙照片）。

中國石油集團海洋工程重點實驗室研制并裝備了能夠模擬1500m和3000m水深的深水高壓艙各一套，用以開展海洋石油開發中使用的儀器設備的結構承壓檢測，保障海洋開發生產的安全。本文介紹了利用該深水高壓艙進行的某潛艇艙段的承壓實驗和某取樣設備的疲勞實驗以及建立的檢測實驗流程。

1 承壓實驗研究

本次實驗主要是針對活動在700 m水深附近的某潛艇艙段進行的承壓實驗，以檢測其使用安全性。實驗模型直徑400 mm、長600 mm、殼板厚度6 mm，兩端采用厚為14 mm的船用高強度鋼鋼板作為封頭，每個封頭上采用縱橫交錯的三根槽鋼作為加強筋。實驗模型如圖2所示，所用的深水高壓艙如圖3所示，實驗測試系統框圖見圖4。

在正式實驗前先進行預加載，加載曲線如圖5所示，峰值2 MPa，重復次數為3次。隨后對應變片測試點的數據進行了分析，發現試件材料的應力—應變的線性關系以及重復實驗中的數值重復性均較好，證明試件結構設計滿足高壓實驗要求，可以進行正式實驗。

實驗采用自動加壓方式進行，根據實驗工藝設定進行多段壓力設定，并且設定各段的保壓時間（壓力到設定數值時開始計時）：初始階段為2 min，臨近設計壓力值以后為5 min，加載曲線見圖6。

實驗過程中，當壓力達到6.6 MPa時聽見“砰”的一聲巨響，此時筒內壓力值急劇下降至零，實驗結束。模型破壞瞬間的狀況見圖7（a），壓潰后的模型見圖7（b）。實驗結果表明本次檢驗的潛艇艙段模型不能滿足實際要求，需重新進行設計。

2 疲勞實驗研究

本次實驗主要是針對活動在400 m水深附近的某取樣設備進行的疲勞實驗，以檢測其使用安全性。實驗模型如圖8所示，實驗模型最大處內徑400 mm、最小處內徑300 mm，模型直線段長度482 mm，外部安裝了矩形加強肋骨，大、小直徑段之間的過渡段沿軸線方向長度60 mm，殼板厚度8 mm。兩端采用厚為10 mm的船用高強度鋼鋼板作為封頭，每個封頭上采用縱橫交錯的三根槽鋼作為加強筋。實驗測試系統框圖如圖4所示。

實驗首先采用分級預壓加載方案，如圖9所示，采用4次循環，測試材料線性。各個測點的應變情況如圖10所示，從測試結果可以看出模型材料線性程度較好，滿足進行疲勞實驗要求。

正式實驗中采用應變片等對結構模型的低周疲勞損傷進行在線監測，根據壓力—時間曲線形狀，可以判斷結構模型是否因裂紋貫穿發生泄漏。

實驗加壓程序如下：

共計500次循環，其中每階段穩壓3min，進行應變測量。實驗加載曲線和模型應變曲線見圖11、12。

實驗按照取樣設備疲勞壽命進行設定，當循環加載次數達到設計值500次時，根據圖12的應變曲線分析可知，此時模型表面應變未發生塑性變化，線性程度較好，初步判斷模型設計滿足要求。

3 檢測實驗流程

承壓實驗和疲勞實驗是針對在水下長期服役的儀器設備所做的兩個最基本實驗，通過上述兩個有代表性的實驗例子及其經驗總結，制定了深水高壓環境下的海工結構物強度檢測實驗流程，見圖13。

圖13 深水高壓環境下海工結構物結構強度檢測實驗流程

期望該檢測實驗流程為后續的一些實驗研究提供指導，并為相關的規范制定、標準編寫提供參考。

[1]JB 4732-95，鋼制壓力容器－分析設計標準[S].

[2]GJB 64.2A-97，艦船船體規范-潛艇[S].

[3]GJB/Z 21A-2001，潛艇結構設計計算方法[S].

[4]梁超.潛器耐壓殼體結構可靠性分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2008.

[5]高靈芝.大型深潛潛艇耐壓船體結構設計研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2003.

Typical Experimental Examples in High Pressure Cabin for Simulating Deepwater Condition

YAO Zhi-guang（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China）,QIN Yanlong,ZHAO Kai-long,et al.

With the activities of offshore oil and gas exploration and development increasing rapidly,more and more subsea equipment is used in deepwater,and suffers high pressure caused by water.In order to simulate the high pressure,the CNPC Key Laboratory of Offshore Engineering built a high pressure cabin in 2010.Two typical experimental examples in the high pressure cabin were shown in this paper.Based on the exam-ples,a complete set of inspection experimental procedure was built and would offer reference for compiling relevant code and standard.

high pressure cabin； pressure bearing testing； fatigue testing;inspection procedure

TE952

B

1001－2206（2011）增刊－0014－03

姚志廣 （1983-），男，遼寧凌源人，工程師，2007年畢業于哈爾濱工程大學船舶與海洋結構物設計制造專業，工學碩士，主要從事海洋工程技術研究和海洋工程重點實驗室建設工作。

2011-08-10；

2011-08-19