基于預應力鋼絲纏繞技術的深海超高壓試驗裝置研制與應用

張海龍，蔣 磊

（中國科學院深?？茖W與工程研究所，海南 三亞 572000）

基于預應力鋼絲纏繞技術的深海超高壓試驗裝置研制與應用

張海龍，蔣 磊

（中國科學院深?？茖W與工程研究所，海南 三亞 572000）

深海超高壓環境模擬試驗裝置是深海關鍵技術與裝備研究中必不可少的測試裝置。采用傳統的一體式壓力筒研制大直徑、超高壓試驗裝置時難以克服應力集中的問題，安全性較低且造價昂貴。采用預應力鋼絲纏繞技術研制的深海超高壓環境模擬試驗裝置克服了其局限性，該裝置是目前國內工作壓力最高、可實現筒內環境數據監測且升降壓自動控制的壓力試驗裝置。文中簡要介紹了該裝置的系統組成及研制過程中主要關鍵技術問題及解決方法，最后介紹了典型實驗應用，為深海超高壓環境模擬試驗裝置的研制與應用提供參考。

預應力鋼絲纏繞；超高壓；試驗裝置

2016年6月，中科院使用自主研制的“海斗”號無人潛水器以及其它一批深海裝備，在馬里亞納海溝挑戰者深淵開展了我國第一次綜合性萬米深淵科考活動，標志著我國深海科考進入萬米時代。9月，科技部啟動國家“十三五”重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”重點專項。隨著我國走向深海戰略的實施以及“深海關鍵技術與裝備”重點專項的開展，預計在全海深技術裝備方面將取得更大的突破，而具有超高壓大直徑的深海環境模擬試驗裝置是開展深海關鍵技術與裝備研究中必不可少的測試裝置。2015年，中科院深?？茖W與工程研究所聯合四川航空工業川西機器廠完成了中型深海超高壓模擬試驗裝置的研制，該裝置突破了傳統的一體式壓力筒研制方法，采用了預應力鋼絲纏繞技術，克服了超高壓、大直徑一體式壓力筒應力集中的問題，具有強度高、抗疲勞性好、造價低，使用更安全等優點。

1 深海超高壓試驗裝置的研究現狀

深海環境模擬裝置模擬海洋深水的壓力環境，用于海洋設備耐壓殼體結構強度和抗疲勞性檢驗，各種深海儀器的密封性檢驗以及機械手、浸水電機等設備高壓下的功能測試。

國內外現有的可模擬萬米的深海超高壓（≥100 MPa）環境模擬裝置很少，且有效試驗半徑較小。國內外部分超高壓深海環境模擬裝置的參數見表1[1-5]。

調研發現，目前我國現有超高壓深海模擬裝置均采用筒體整體成型焊接的方式（俗稱一體式壓力筒），超高壓、大直徑一體式壓力筒的研制難以克服應力集中的問題，且造價昂貴。

預應力鋼絲纏繞技術廣泛應用于等靜壓機設備，等靜壓機作為典型的超高壓設備，內蓄巨大能量，從采用鋼絲纏繞技術以來，國內外還從未有過發生事故報道。預應力鋼絲纏繞理論及生產實踐方面都比較成熟[6]。在中國科學院戰略性先導科技專項（B類）項目課題“控溫式壓力試驗裝置”的支持下，中國科學院深?？茖W與工程研究所聯合四川航空工業川西機器廠研制了基于預應力鋼絲纏繞技術的中型深海超高壓環境模擬試驗裝置。

表1 國內外部分超高壓深海環境模擬裝置

2 設計要求及主要技術指標

考慮特定設備的破壞性實驗需求，該裝置設計最大工作壓力為200 MPa，壓力筒端蓋自動啟閉，具備自動升降壓控制系統。最大加卸壓速率不小于1.5 MPa/min，能夠實時采集壓力筒壓力、溫度、特征點的應力、應變等數據，具備超壓報警、極限卸壓及停電卸壓等保護措施。該試驗裝置的主要技術指標及參數見表2。

表2 主要技術指標及參數

3 總體設計及系統組成

該試驗裝置由壓力筒及機架、自動加壓穩壓系統、數據采集系統、電氣控制系統組成。試驗裝置見圖1。

（1）壓力筒及機架本體是深海環境模擬試驗裝置的核心部件。壓力筒及機架均采用預應力鋼線纏繞，分別承受工作時工作介質傳來的徑向壓力和軸向壓力。壓力筒的上、下端蓋采用浮動式結構，加壓時上、下端蓋將軸向力傳遞給機架。上端蓋組件設有排氣裝置及緊急排放口，以及6套水密穿艙件。下端蓋開進水孔，內置大通徑抽液單向閥，用以實現壓力筒加壓、降壓。

（2）自動加壓穩壓系統主要由供液站、增壓器、加壓調節閥、泄壓閥等組成實現裝置的加壓、卸壓控制等。

（3）數據采集系統主要由數據采集儀、水密連接器、壓力、溫度傳感器以及主機系統等組成，通過與壓力筒連接的水密連接器可實現筒內超高壓條件下壓力、應變、溫度等環境參數在線監測以及視頻監控。

（4）電氣控制系統主要用于機架的動作控制，壓力筒上端蓋啟閉的自動控制、自動加穩壓系統的控制，通過與數據采集系統的連接實現與視頻監控系統的通訊。采用HMI操作員面板實現壓力報警等過程顯示和壓力曲線顯示等。

圖1 試驗裝置

4 主要關鍵技術問題及解決方法

4.1 壓力筒密封結構型式

密封結構是超高壓深海模擬試驗裝置的重要組成部分，決定試驗裝置是否能可靠工作。由于壓力筒上端蓋周期性頻繁自動啟閉，是裝置設計中的重點。上端蓋密封結構主要考慮兩個因素：密封結構自身和端蓋承受的軸向載荷，由于工作中，上端蓋承受較大的軸向力，同時端蓋直徑較大，為簡化端蓋結構，不宜采用強制密封結構（如平墊密封，卡扎里密封），并且由于在超高壓力（200 MPa）下，橡膠圈硬度不夠不能承受高壓失去密封作用，因此，本裝置中端蓋密封采用了三角形銅密封圈、Yx形密封圈組合結構的自緊密封結構，通過安裝時的預壓縮和工作時工作介質的壓力使密封結構變形來達到密封作用。

4.2 水密連接器引出位置

作為深海壓力模擬試驗裝置，配備足夠通道數的水密連接器是實現壓力筒內環境參數采集以及視像監測的必要手段。對于傳統一體式壓力筒可以在上端蓋以及筒體上引出信號線，而對于鋼絲纏繞的壓力筒，不宜在筒體及端蓋上面引出信號線，信號線從上端蓋側面引出為好，同時，上端蓋與壓力筒間距應大于200 mm，保證水密連接器的安裝。本裝置采用6套SubConn16芯水密連接器實現信號傳輸，具有結構緊湊，工作可靠，裝拆方便等優點。

4.3 升降壓系統設計

與通用冷等靜壓機壓制工藝中要求快速加壓不同，深海環境模擬試驗裝置作為壓力試驗測試設備，要具備加壓過程中階梯升壓、保壓，加壓速度、保壓時間可調；降壓過程中階梯降壓、保壓，降壓速度、保壓時間可調的功能，同時為滿足實驗設備在達到最大工作壓力后，壓力筒內必須長時間維持一個較精確的設定值的要求，系統應具有自動補壓的功能。本裝置加壓過程中向增壓器提供驅動壓力油，通過變量泵組的流量控制，實現增壓器增壓速度控制，從而實現比例增壓工作，系統卸壓時通過油泵控制泄壓閥組實現階梯降壓，通過壓力傳感器監控壓力筒內壓力，當壓力筒內壓力降至設定值時啟動高壓油泵控制增加器實現補壓，加壓速率0～2 MPa/min可調。設置手動卸壓閥用于應急情況時的手動卸壓。

升降壓系統往往是設備故障率較高的部位，設計中高壓系統要選用可靠的單向閥、泄壓閥組，增壓器超高壓缸體應采用高強不銹鋼制造，滿足淡水直接使用要求。

4.4 集物筒的設計

對比冷等靜壓機壓制工藝，通常是把被加工物體放置在特定的模具中進行壓制。而作為深海環境模擬試驗裝置，要考慮某些設備的破壞性實驗，為防止壓力筒內壁損傷以及回液管道堵塞，應在系統中加以防護措施。本裝置在壓力筒內部設計集物筒，用于實驗設備吊裝，保護壓力筒以及收集沉積物的作用。集物筒上設計流體通道，以利于壓力筒在加壓和卸壓時工作介質的流動。

4.5 溫度控制

目前國內深海環境模擬試驗裝置主要還是模擬深海超高壓力，具備模擬深海低溫的試驗裝置較少。對于保壓時間短的實驗，通過直接向水箱以及壓力筒內加注碎冰，可模擬壓力筒內2～8℃低溫環境。對于保壓時間長的實驗通過增加制冷機組、低溫水槽等措施實現溫度控制，方法簡單可行。

5 典型實驗應用-鈦合金球殼壓饋實驗

2016年，應用本裝置為國內科研機構研制的鈦合金球殼進行了試驗。鈦合金球殼尺寸規格為：直徑500 mm，壁厚20 mm，球殼試件如圖2所示。本次實驗目的是進行球殼的破壞試驗，驗證其承載能力并獲得關鍵結構部位的應力、應變數據。實驗測試系統框圖如圖3所示。

圖2 球殼試件

圖3 實驗測試系統框圖

在正式實驗前進行準備工作：鈦合金球殼典型位置粘貼應變片，應變片將所測區域的結構應變轉換成電阻變化信號，該電阻變化信號通過電纜傳入應變測量儀放大，應變測量儀將應變數據傳給數據處理分析儀記錄并進行數據處理，實時顯示應變、應力值；鈦合金球殼內部灌注淡水至球殼容積90%；球殼通過橡膠墊包裹后采用集物筒放入壓力筒，信號線與水密連接器連接。

本實驗通過自動加壓方式進行。加壓速率1 MPa/min，設定最高工作壓力200 MPa，保壓時間0.5 h，每個階段穩壓5 min后進行應變測量，設定加壓臺階數6個。加載曲線圖見圖4。

圖4 加載曲線圖

實驗過程中，按照圖4加載曲線進行加壓，當壓力達到180 MPa時球殼被壓饋破壞。此時筒內壓力值急劇下降，實驗結束。球殼壓潰后的模型見圖5。實驗結果驗證了球殼的承載能力。

圖5 壓饋后的球殼

6 結束語

預應力鋼絲纏繞技術在深海超高壓力試驗裝置的研制方面具有明顯的技術優勢，該裝置的成功研制與運用，為我國應用于萬米級載人潛器的大型深海壓力試驗裝置的研制提供了借鑒。

[1]劉淮.國外深海技術發展研究[J].船艇,2006,10:6-22.

[2]吳世偉,李國驥,宋祥春.深海高壓試驗罐制造技術[J].壓力容器,2008,25:35-36.

[3]沈景華,李殿森,岑世奎.JSA2-1型超高壓試驗設備簡介[J].海洋技術,1987,3:54-57.

[4]蔣磊，辛洋等.預應力鋼絲纏繞的框架式技術在深海壓力試驗裝置中的運用[J].工程研究,2016,12:577-581.

[5]吳建美，王勇，劉正士.高精度深海壓力模擬裝置的分析[J].機床與液壓,2015,43（10）：73-75.

[6]劉遵飛.鋼帶纏繞式等靜壓機關鍵技術研究[D].重慶:重慶交通大學,2013.

Development and Application of the Ultrahigh Pressure Testing Equipment for Deep-sea Application Based on Pre-stressed Steel Wire-Winding Technology

ZHANG Hai-long,JIANG Lei
Institute of Deep-Sea Science and Engineering,Chinese Academy of Sciences,Sanya 572000,Hainan Province,China

The ultrahigh pressure testing equipment for the environment simulation of deep-sea is an essential testing device in the research of key technologies and equipment in the deep sea.It is difficult to overcome the problems of stress concentration by using a conventional integrated pressure cylinder.The method to develop a large diameter and ultrahigh pressure testing equipment is accompanied by low safety and high costs.In this paper,the ultrahigh pressure testing equipment for the environment simulation of deep-sea developed by prestressed steel wire-winding technology has been developed to overcome its limitations,and the device is currently under the highest working pressure in China.Meanwhile,it can monitor the environmental data in the cylinder and can achieve automatic control of lifting pressure.This paper briefly introduces the system components,the key technical problems and solutions in the development process.Finally,the typical experiment application of the equipment is introduced,which will provide beneficial reference for the development and application of experimental devices used to simulate ultrahigh pressure environment testing in the deep sea.

pre-stressed steel wire-winding;ultrahigh pressure;testing equipment

P715

A

1003-2029（2017）05-0011-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.002

2017-02-14

國家重點研發計劃重點專項資助項目（2016YFC0300900）；中國科學院戰略性先導科技專項（B類）課題資助（XDB06060200）

張海龍（1981-），男，高級工程師，主要研究方向為海洋工程技術裝備與試驗。E-mail：zhanghailong@sidsse.ac.cn