深海沉積物取樣器的楔形密封方式研究

吳世海，劉童祺，卞如岡，張 震

（1.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫214082；2.北京國(guó)望光學(xué)科技有限公司，北京102600）

0 引 言

二十一世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，大力開(kāi)展海底觀測(cè)與鉆探，探測(cè)和獲取海洋的物理場(chǎng)、地質(zhì)與環(huán)境特征數(shù)據(jù)，研究深海生物、基因與礦物資源等前沿深海科學(xué)，提升我國(guó)深海研究能力，是持續(xù)發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、跨越發(fā)展海洋科學(xué)和合法維護(hù)海洋權(quán)益的迫切需要。深海沉積物取樣器是一種能應(yīng)用于深海海底探索研究的重要設(shè)備，而取樣器中最關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題便是密封問(wèn)題。取樣器密封的主要作用是為了防止樣品泄露和維持樣品的原位壓力。

對(duì)于深海沉積物取樣器來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的密封方式主要有球閥密封（見(jiàn)圖1）和高壓蓋板閥密封（見(jiàn)圖2）。在深海高壓環(huán)境下，球閥結(jié)構(gòu)的啟閉控制比較復(fù)雜，且較易卡死，無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)密封；深海高壓蓋板閥結(jié)構(gòu)在扭簧和蓋板閥自重作用下，向下閉合較難實(shí)現(xiàn)緊密壓緊，筒內(nèi)外壓差的不斷增加容易導(dǎo)致蓋板閥泄露[1-2]。

圖1 深海高壓球閥密封結(jié)構(gòu)Fig.1 Sealing structure of deep sea high pressure ball valve

圖2 深海超高壓蓋板閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of deep sea ultra high pressure cover valve

鑒于以往深海沉積物保壓取樣器密封結(jié)構(gòu)的局限性，本文在綜合考慮密封結(jié)構(gòu)尺寸及工作可靠性后，提出了一種新型的取樣器密封方式即楔形塊密封，其密封的基本原理是通過(guò)對(duì)密封面施加大于介質(zhì)壓力的作用力而產(chǎn)生封閉的密封環(huán)帶，從而阻止介質(zhì)的流入，達(dá)到保壓和密封要求。從微觀方面來(lái)看,密封材料在壓力下流入匹配表面的不規(guī)則處,形成密封環(huán),從而使密封面在所有工作條件下的泄露被限制在允許的范圍內(nèi)[3-4]。

1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析

1.1 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楔形塊密封主要包括取樣筒、楔形塊和楔形塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中楔形塊驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由爆炸螺栓、滑塊、彈射機(jī)構(gòu)（蓄能彈簧）等幾部分組成，爆炸螺栓的啟動(dòng)由電觸發(fā)機(jī)構(gòu)控制。整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)為30 cm，寬為14 cm，高為17 cm，在空氣中重約8 kg，工作壓力可以覆蓋全域海洋深度，如圖3所示。

基本工作原理見(jiàn)圖4。具體過(guò)程為：開(kāi)始時(shí)，楔形塊被取樣筒限位在最左側(cè)，當(dāng)取樣器下潛到預(yù)先設(shè)定的取樣位置時(shí)，推桿將取樣筒向下推出取樣，取完樣品后再將取樣筒拉回，通過(guò)蓄能彈簧將楔形塊沿底部筒體中的滑道向右推動(dòng)到指定位置，最后通過(guò)電子觸發(fā)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)爆炸螺栓完成對(duì)楔形塊的封緊工作；完成樣品保壓轉(zhuǎn)移后，將底部筒體上的保壓轉(zhuǎn)移接口與保壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)連接，接通與取樣位置相等的平衡壓力；此時(shí)，取樣筒內(nèi)外壓力平衡，楔形塊松動(dòng)，在蓄能彈簧的拉力作用下沿著滑道滑回初始位置，完成取樣和保壓的過(guò)程。

圖3 楔形塊密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Diagram of the wedge block sealing structure

圖4 工作原理Fig.4 Working principle

1.2 理論分析

為保證楔形塊在運(yùn)動(dòng)到封裝位置后不會(huì)滑落導(dǎo)致密封失敗，需要對(duì)楔形塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)自鎖設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)主要包括楔形塊的自鎖角度設(shè)計(jì)和楔形塊滑道的坡腳設(shè)計(jì)。楔形塊自鎖受力分析如圖5 所示，其中O點(diǎn)為楔形塊的重心。

根據(jù)受力分析圖，楔形塊自鎖的條件滿足式（1）和式（2）要求[5-6]：

式中，f 為摩擦力，G 為楔形塊所受的向下的壓力及自身重力，θ 為自鎖角，μ 為楔形塊與滑道間的摩擦系數(shù)。將式（2）代入式（1），則楔形塊的自鎖要求為

根據(jù)金屬間的摩擦系數(shù)μ ＞0.15，因此楔形塊自鎖角θ 可設(shè)計(jì)為7°，滿足楔形塊自鎖要求。同時(shí)滑道坡度設(shè)計(jì)需與楔形塊的坡腳相匹配。為了利于密封保壓，將楔形塊上表面的環(huán)帶也設(shè)計(jì)為7°，保壓筒體底部密封環(huán)面設(shè)計(jì)需要和楔形塊上表面相匹配。

此外，密封環(huán)帶的接觸寬度對(duì)于密封也十分重要，密封環(huán)帶越寬表明其密封效果越明顯。因此，密封環(huán)帶處的比壓大小和密封環(huán)帶的寬度是實(shí)現(xiàn)密封的關(guān)鍵[7]。作用在密封環(huán)帶單位面積上的壓力被稱為密封比壓，對(duì)于楔形塊接觸式密封來(lái)說(shuō)，密封比壓q1要大于介質(zhì)的壓力qMF（即必須比壓）并小于材料的許用比壓[q][8]以確保密封的壽命和必要的耐磨性能?？紤]到密封面材質(zhì)為鈦合金，參考閥門設(shè)計(jì)中密封比壓的計(jì)算公式[9-10]，本文提出了楔形塊密封計(jì)算比壓q2和必須比壓qMF的計(jì)算公式及它們之間應(yīng)滿足的關(guān)系：

圖5 楔形塊受力分析圖Fig.5 Stress diagram for the wedge block

式中：D 為關(guān)閉件密封面平均直徑（mm）；ps為密封結(jié)構(gòu)的預(yù)加壓力（MPa）；b 為關(guān)閉件密封面寬度（mm）；PN為密封結(jié)構(gòu)的公稱壓力（MPa）；[q]為材料的許用比壓，對(duì)于鈦合金材料而言為300 MPa。

2 密封仿真分析

為了評(píng)估楔形塊密封的性能，采用ANSYS 軟件對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。楔形塊的密封采用的是金屬間接觸硬密封的方式。金屬接觸問(wèn)題是一種高度非線性計(jì)算問(wèn)題，對(duì)于這類問(wèn)題的求解通常是采用反復(fù)迭代的計(jì)算方法進(jìn)行仿真分析[11]?？紤]到結(jié)構(gòu)特征，對(duì)密封結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后的楔形塊密封結(jié)構(gòu)仿真模型如圖6所示。

楔形塊密封結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分分為兩個(gè)部分進(jìn)行：一部分為保壓筒體的網(wǎng)格劃分；另一部分為楔形塊本身的網(wǎng)格劃分?？紤]到保壓筒體是規(guī)則結(jié)構(gòu)，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而楔形塊本身結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜，采用四面體網(wǎng)格[12]。網(wǎng)格尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸、計(jì)算量等方面因素進(jìn)行選擇，最終選定的網(wǎng)格尺寸為3 mm，網(wǎng)格總數(shù)為20 842個(gè)。

楔形塊密封工作的基本原理是在筒體內(nèi)部壓力的作用下，楔形塊與保壓筒體底端接觸面之間存在擠壓變形，在接觸面處產(chǎn)生密封環(huán)帶形成密封。楔形塊的厚度對(duì)密封效果有較大的影響，進(jìn)行仿真分析時(shí)在保持筒體內(nèi)部壓力（110 MPa）不變的情況下，改變楔形塊厚度，分析不同厚度楔形塊的接觸密封效果。板材厚度與板材寬度滿足式（7）條件時(shí)屬于薄板范疇，板材厚度和寬度的定義見(jiàn)圖7。

圖6 密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型圖Fig.6 Diagram of the simplified wedge block sealing structure

相對(duì)于厚板來(lái)說(shuō)，薄板在相同的壓力作用下更容易產(chǎn)生變形，進(jìn)而更容易產(chǎn)生滿足密封要求的密封環(huán)帶。針對(duì)這一特點(diǎn)，在自鎖角一定的前提下，分別取前端厚度H1為4 mm、6 mm、8 mm 和10 mm 的楔形塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 楔形塊示意圖Fig.7 Diagram of wedge block

圖8 不同厚度楔形塊在110 MPa下的接觸應(yīng)力云圖Fig.8 Contact stress nephogram of the wedge block for different thicknesses under a pressure of 110 MPa

圖8反映了不同厚度楔形塊在110 MPa壓力下接觸應(yīng)力情況。從圖中可以看出，以上四種情況均能夠形成大于內(nèi)壓110 MPa的密封環(huán)帶。隨著楔形塊厚度的增加，最大接觸壓力逐漸減小，楔形塊較厚一端的接觸帶寬度也在逐漸減小。

此外，由于在采樣過(guò)程中需要對(duì)楔形塊進(jìn)行封裝和開(kāi)啟，需要對(duì)不同厚度的楔形塊在110 MPa壓力下摩擦力情況進(jìn)行仿真分析。楔形塊與筒體之間的摩擦力越小越有利于楔形塊封裝和開(kāi)啟操作。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同厚度楔形塊在110 MPa下的摩擦力云圖Fig.9 Friction stress nephogram of the wedge block for different thicknesses under a pressure of 110 MPa

圖9反映了不同厚度楔形塊在110 MPa壓力下的摩擦力情況。從圖中可以看出，楔形塊不同厚度下摩擦力平均值和最大值隨厚度的增加而逐漸增加。在同等密封效果的前提下，楔形塊與筒體之間的摩擦力較小更有利于楔形塊卸裝打開(kāi)。

綜合對(duì)比分析不同厚度楔形塊的接觸密封效果，H1=6 mm 的楔形塊的密封效果更好。繼續(xù)分析厚度為6 mm時(shí)楔形塊在不同壓力環(huán)境下的接觸密封情況，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 楔形塊在不同壓力載荷下的接觸應(yīng)力云圖Fig.10 Contact stress nephogram of the wedge block under different pressures

圖10反映了楔形塊在不同壓力載荷下接觸應(yīng)力的變化情況。從圖中可以看出，對(duì)每一組結(jié)果均保留10 MPa 的接觸壓力裕度，即接觸壓力環(huán)帶的壓力值比筒體內(nèi)壓載荷大10 MPa。此時(shí)，可以得出不同壓力載荷下的接觸應(yīng)力均能夠滿足密封的要求，并且接觸壓力環(huán)帶寬度逐漸減小。接觸壓力環(huán)帶寬度變化如圖11所示。

由圖11 可以看出，在介質(zhì)壓力增大的過(guò)程中，楔形塊表面的密封環(huán)帶寬度在逐漸減小，但是仍具有足夠的接觸寬度來(lái)滿足密封需求。

圖11 密封環(huán)帶寬度隨介質(zhì)壓力的變化曲線Fig.11 Variation of sealing ring belt width with medium pressure

3 結(jié) 論

本文介紹了一種可用于深海沉積物取樣的新型密封結(jié)構(gòu)。通過(guò)理論計(jì)算與有限元仿真相結(jié)合的方式，對(duì)楔形塊密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)楔形塊密封的性能進(jìn)行了模擬，得到如下結(jié)論：

（1）通過(guò)仿真分析不同厚度楔形塊在110 MPa 壓力下的接觸應(yīng)力，結(jié)果表明隨著楔形塊厚度的增加，最大接觸應(yīng)力逐漸減小，接觸帶寬度也在逐漸減小，密封性能逐漸降低；

（2）通過(guò)仿真分析不同厚度楔形塊在110 MPa下的摩擦力，結(jié)果表明隨著楔形塊厚度的增加，摩擦力平均值和最大值均逐漸增加，也增加了楔形塊封裝和打開(kāi)的難度；

（3）通過(guò)仿真分析楔形塊在不同壓力載荷下接觸應(yīng)力的變化情況，結(jié)果表明隨著壓力的不斷增大，楔形塊密封環(huán)帶的接觸壓力均大于介質(zhì)壓力，并且均留有10 MPa的接觸壓力裕度，雖然楔形塊表面的密封環(huán)帶寬度在逐漸減小，但仍然具有足夠的接觸寬度來(lái)滿足密封需求。

綜上所述，楔形塊密封結(jié)構(gòu)具有良好的密封性能，能有效地防止樣品泄露并維持樣品的原位壓力。