海底沉積物氣密取樣器翻板密封閥優(yōu)化設(shè)計與實驗研究*

(湖南科技大學(xué)海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室 湖南湘潭 411201)

海洋是人類巨大的共同資源寶庫，蘊藏著豐富的礦產(chǎn)、生物、油氣等資源。深海沉積物中蘊藏著大量的微生物等生命群落，這些微生物群落是人類認識和研究深海生命演化及深海環(huán)境變化的重要途徑[1-4]。為了獲取深海海底沉積物中的嗜壓微生物，必須研制一種深海沉積物氣密取樣器，而翻板密封閥作為深海沉積物氣密取樣器重要組成部分，對深海沉積物氣密取樣器氣密密封的實現(xiàn)至關(guān)重要[5-10]。由于深海沉積物氣密取樣器是由潛水器機械手進行操作的，鑒于機械手承載負荷的限制，在深海沉積物氣密取樣器翻板密封閥設(shè)計過程中，應(yīng)盡可能地減少翻板密封閥的質(zhì)量。然而，翻板密封閥處于高壓環(huán)境中，為了安全需要，又應(yīng)盡可能地降低翻板密封閥所受的最大應(yīng)力。因此，在翻板密封閥密封性能設(shè)計時，應(yīng)同時考慮翻板密封閥質(zhì)量和最大應(yīng)力這2個不同的目標。因2個目標之間是矛盾的，即過度減少翻板密封閥的質(zhì)量可能會導(dǎo)致翻板密封閥所受最大應(yīng)力值增加，當最大應(yīng)力值超過材料許用應(yīng)力時，導(dǎo)致材料被破壞。因此必須對2個目標的實現(xiàn)進行深入研究。

本文作者針對深海沉積物氣密取樣器保壓密封的需求，設(shè)計一套偏心設(shè)置的翻板密封閥；然后利用三維軟件Solidworks建立了翻板密封閥的三維幾何模型，并利用有限元軟件ANSYS分析不同偏心角度下翻板密封閥閥體和閥蓋的應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況，選取最優(yōu)的偏心角度θ；最后設(shè)計了翻板密封閥密封性能測試系統(tǒng)，開展了翻板密封閥密封性能測試實驗，實驗結(jié)果驗證了該翻板密封閥設(shè)計方案的可行性和合理性，為海底沉積物氣密取樣器整體設(shè)計與制造提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

1 翻板密封閥設(shè)計與優(yōu)化

根據(jù)某海底沉積物氣密取樣器技術(shù)指標，取樣管內(nèi)徑D1=42 mm，外徑D2=45 mm。翻板密封閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，翻板密封閥三維結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 翻板密封閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 翻板密封閥三維結(jié)構(gòu)圖

初步設(shè)計時，取翻板密封閥的高度h1=70 mm，閥體底端開口直徑為D5，閥蓋上端直徑D3=123 mm，下端直徑D4=96 mm，閥體的寬度L=194 mm，高度h2=25 mm，閥蓋與水平面的錐度為θ。根據(jù)設(shè)計要求，選取翻板密封閥的材料為不銹鋼316，其抗拉強度σb≥520 MPa。為確保翻板密封閥的使用安全性，選取安全系數(shù)nb=3，則許用應(yīng)力[σ]=173 MPa。在該翻板密封閥裝置中，閥蓋與閥體是偏心設(shè)置，保證了閥蓋的可靠密封。閥蓋與閥蓋軸之間采用比較大的間隙配合，這樣設(shè)計有2個目的：一是裝配方便，二是閥蓋在閥體錐面中能自動調(diào)節(jié)其位置，而不受軸的限制，這有助于閥蓋的密封[11-16]。

對于內(nèi)徑為D1的沉積物氣密取樣器，如果閥蓋采用由外向內(nèi)的方式保壓，則當閥蓋密封張力F與取樣水深h的關(guān)系滿足式(1)時，才能實現(xiàn)閥蓋的有效密封。

(1)

已知氣密取樣器內(nèi)徑D1=42 mm，在3 000～4 000 m海底取樣時，由式(1)可得到閥蓋密封張力F≥4.7×104N。在無動力情況下這么大的閥蓋密封張力很難實現(xiàn)，這樣取樣結(jié)束后產(chǎn)生的內(nèi)外壓差會頂開閥蓋，影響密封。因此，氣密取樣器必須采用從內(nèi)向外的閥蓋密封。在35 MPa深海高壓環(huán)境下，當氣密取樣器取樣完成后，翻板密封閥由內(nèi)向外密封，此時，翻板密封閥閥蓋的上端受35 MPa的壓力，因此翻板閥閥蓋所受的應(yīng)力為

(2)

翻板密封閥閥蓋的表面積為

(3)

閥蓋的母線長為

(4)

設(shè)計時，翻板閥閥蓋所受的應(yīng)力應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力，即

σ≤σ

(5)

閥體底端開口直徑與閥蓋下端直徑的關(guān)系為

D4cosθ=D5

(6)

根據(jù)公式(6)，當D5一定時，D4隨著偏心角度θ的增大而增大；又由公式(4)可得，當D4增大時，對應(yīng)閥蓋的母線長l將減小，進而使得對應(yīng)閥蓋的質(zhì)量減小。因此，增大偏心角度可減小閥質(zhì)量。

為了確保保壓筒體的內(nèi)壓可以使下封口自緊且不至于自鎖，壓力沿翻版密封閥錐度斜面向下的分力應(yīng)小于最大靜摩擦力，即翻版密封閥的偏心角應(yīng)大于其自鎖角，θ>arctanμ。已知不銹鋼與不銹鋼之間在有海水潤滑條件下的最大靜摩擦因數(shù)為0.1，即tan5.8°。由式(6)知，增大偏心角度θ，會使閥體底端開口直徑變小，取樣管無法進入翻板密封閥內(nèi)。由式(2)—(6)可得偏心角度θ的變化范圍為：5.8°～10.2°。

2 翻板密封閥有限元模型的構(gòu)建

為了便于仿真分析，在構(gòu)建翻板密封閥有限元模型時進行了簡化，然后分別對翻板密封閥閥體和閥蓋進行網(wǎng)格劃分，如圖3和圖4所示。根據(jù)設(shè)計要求，翻板密封閥閥體和翻板密封閥閥蓋的材料均為不銹鋼316，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。將閥體和閥蓋的接觸單元設(shè)置為Frictional單元，將閥體接觸面設(shè)為目標面，將閥蓋接觸面設(shè)為接觸面，兩者間的摩擦因數(shù)設(shè)為0.1；閥蓋的下端面向上約束，與閥蓋接觸環(huán)面O形圈以下部分固定約束；閥體O形圈以上的外表面及閥蓋的上表面被施加了35 MPa均勻壓力載荷。

圖3 閥體網(wǎng)格劃分 圖4 閥蓋網(wǎng)格劃分

3 翻板密封閥有限元分析

為了研究35 MPa深海高壓環(huán)境下，不同偏心角度對翻板密封閥密封性能的影響，分別模擬偏心角θ=6°、7°、8°、9°、10°，利用有限元分析軟件ANSYS分析了翻板密封閥閥體和閥蓋的應(yīng)力和變形的變化情況，如圖5、圖6所示。

圖5 不同偏心角翻板密封閥的應(yīng)力、變形云圖

圖6 不同偏心角閥蓋的應(yīng)力、變形云圖

由圖5可知：翻板密封閥的最大變形為0.005 7 mm；最大應(yīng)力為99.666 MPa，且最大應(yīng)力出現(xiàn)在密封圈包圍的周邊，最大變形出現(xiàn)在閥蓋的頂端，總體應(yīng)力分布比較均勻，且最大應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力。

不同偏心角度下計算得到的翻板密封閥的最大應(yīng)力、最大變形及翻板密封閥質(zhì)量如表1所示。

表1 同偏心角度下最大應(yīng)力和變形及翻板密封閥質(zhì)量計算結(jié)果

可知，翻板密封閥的最大應(yīng)力隨著偏心角度的增大而逐漸增大，而翻板密封閥的質(zhì)量隨著翻板密封閥偏心角度的增大將逐漸減少。當翻板密封閥偏心角度θ=10°時，翻板密封閥的最大應(yīng)力出現(xiàn)在密封圈包圍的周邊，最大變形將出現(xiàn)在閥蓋頂端。在深海沉積物氣密取樣器翻板密封閥的設(shè)計過程中，在翻板閥所受的應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力的前提下，應(yīng)盡可能地減少翻板密封閥整體質(zhì)量。因此，最終選擇翻板密封閥偏心角度θ=10°，此時翻板密封閥的質(zhì)量最小，對應(yīng)的翻板密封閥的最大應(yīng)力為99.666 MPa，小于材料的許用應(yīng)力，且最大變形比較小，不會影響結(jié)構(gòu)的密封性能，設(shè)計合理。

4 翻板密封閥密封性能實驗研究

為了驗證翻板密封閥密封性能，設(shè)計了翻板密封閥密封性能測試系統(tǒng)，開展了翻板密封閥密封性能測試實驗，翻板密封閥實驗原理圖如圖7所示。設(shè)計的翻板密封閥及密封罩體如圖8所示。

實驗過程中，首先給實驗裝置加壓到35 MPa，然后通過壓力表觀察經(jīng)過1～48 h后，實驗裝置中壓力的變化。翻板密封閥密封性能測試結(jié)果如表2所示。可以看出，翻板密封閥壓力隨著時間的變化下降很小，經(jīng)過48 h后，壓力僅降低了2 MPa，壓力變化為5.71%，密封性能達到設(shè)計要求，設(shè)計合理可行。

圖7 翻板密封閥試驗原理圖

圖8 翻板密封閥部件及裝配圖

時間t/h015122448壓力p/MPa3534.834.534.233.733

5 結(jié)論

(1)針對海底沉積物氣密取樣器保壓密封的需求，設(shè)計了一套偏心設(shè)置的翻板密封閥。

(2)對不同偏心角度下翻板密封閥閥體和閥蓋的應(yīng)力和變形進行分析，結(jié)果表明，隨著翻板密封閥偏心角度的增大，閥體和閥蓋的應(yīng)力和變形也隨著增大，而對應(yīng)的翻板密封閥的質(zhì)量逐漸減小。

(3)通過優(yōu)化設(shè)計，選擇翻板密封閥偏心角度θ=10°，使得翻板密封閥的質(zhì)量最小，且翻板閥所受的應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。

(4)設(shè)計了翻板密封閥密封性能測試系統(tǒng)，開展了翻板密封閥密封性能測試實驗，驗證了翻板密封閥設(shè)計合理可行。