預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)在深海壓力試驗(yàn)裝置中的運(yùn)用

蔣 磊，辛 洋，楊 槐，吳國(guó)慶

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預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)在深海壓力試驗(yàn)裝置中的運(yùn)用

蔣 磊1，辛 洋1，2，楊 槐3，吳國(guó)慶4

(1. 中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所，海南三亞 572000；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 四川航空工業(yè)川西機(jī)器有限責(zé)任公司，四川雅安625000；4. 中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫214082)

本文介紹了預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)在我國(guó)深海壓力試驗(yàn)裝置中的首次運(yùn)用。中科院深海科學(xué)與工程研究所與四川航空工業(yè)川西機(jī)器有限責(zé)任公司利用該技術(shù)成功研制了一套200MPa中型超高壓試驗(yàn)裝置，該裝置為國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)研制的鈦合金載人球艙縮比件、浮力材料及無(wú)人潛水器開(kāi)展了相關(guān)的壓力測(cè)試，取得了良好的運(yùn)用效果，表明預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)相比傳統(tǒng)的一體式壓力筒在大容積、超高壓裝備研制方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞；深海；壓力試驗(yàn)裝置

引言

地球上的海洋有接近90%的面積是水深超過(guò)1000米的深海，深海中蘊(yùn)藏著豐富的油氣、礦產(chǎn)、生物等戰(zhàn)略資源。隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，人類(lèi)已經(jīng)越來(lái)越認(rèn)識(shí)到海洋（特別是深海）是人類(lèi)社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略空間和資源寶庫(kù)。我國(guó)也已充分意識(shí)到開(kāi)展海洋科學(xué)研究、發(fā)展海洋技術(shù)的重要性，黨的“十八大”已經(jīng)把建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。

海洋環(huán)境的特殊性，使人類(lèi)認(rèn)識(shí)和開(kāi)發(fā)利用海洋必須依賴探測(cè)技術(shù)和運(yùn)載裝備。深海環(huán)境最重要的特征之一就是存在高靜水壓力，水深每增加10米則壓力增加1個(gè)大氣壓。這一特征決定了深海探測(cè)及運(yùn)載儀器和裝備與運(yùn)用于陸地、太空的各類(lèi)技術(shù)裝備不同，其研制和運(yùn)用過(guò)程必須考慮到壓力的影響，因此壓力試驗(yàn)是深海儀器設(shè)備研發(fā)中至關(guān)重要的一環(huán)，深海壓力試驗(yàn)裝置作為專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，是開(kāi)展深海技術(shù)與裝備研究中必不可少的支撐系統(tǒng)。以最具代表性的深海運(yùn)載設(shè)備載人潛水器為例，其核心關(guān)鍵技術(shù)——載人球殼必須通過(guò)與設(shè)計(jì)工作深度相匹配的壓力試驗(yàn)，才能符合運(yùn)用要求。

1 深海壓力試驗(yàn)裝置的技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外在深海壓力試驗(yàn)系統(tǒng)方面的研究起步比較早，檢測(cè)技術(shù)水平相對(duì)較高，其中代表性的國(guó)家有美國(guó)、日本、俄羅斯、法國(guó)等，這些國(guó)家針對(duì)各類(lèi)深水作業(yè)裝備的壓力測(cè)試需求開(kāi)展了海洋壓力模擬實(shí)驗(yàn)裝備的研制。

美國(guó)于1951年研制了一套規(guī)格較大的壓力裝置，該裝置長(zhǎng)22.9m，內(nèi)徑9.15m，試驗(yàn)壓力4.2MPa。1970年左右，美國(guó)海軍船舶研究與發(fā)展中心的安納波利斯實(shí)驗(yàn)室研制了一套深海模擬試驗(yàn)裝置，長(zhǎng)8.22m，內(nèi)徑3.0m，最大工作壓力83MPa。日本對(duì)深海的研究與開(kāi)發(fā)也比較早，最具代表性的是日本科學(xué)技術(shù)中心于2010年研制的壓力試驗(yàn)裝置，有效高度3.0m，內(nèi)徑1.4m，最大工作壓力147MPa。俄羅斯Krylov造船研究院擁有一系列深海壓力試驗(yàn)裝置，包括前期曾承擔(dān)了我國(guó)“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器載人球殼耐壓試驗(yàn)的裝置，其DK-600型裝置有效長(zhǎng)度9.5m，內(nèi)徑3.2m，最大試驗(yàn)壓力100MPa，屬于國(guó)際海洋領(lǐng)域內(nèi)較大型的壓力試驗(yàn)裝置[1-4]。

國(guó)內(nèi)在深海模擬試驗(yàn)裝置方面的研究起步相對(duì)較晚，但是發(fā)展速度較快。我國(guó)對(duì)深海壓力模擬裝置研究的主要機(jī)構(gòu)包括中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、哈爾濱工程大學(xué)等。

中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇二研究所（簡(jiǎn)稱702所）是我國(guó)較早從事深海壓力環(huán)境模擬裝置的研制和應(yīng)用的單位，其深海壓力環(huán)境模擬裝置的規(guī)格以及技術(shù)能力均處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。2010年，702所聯(lián)合其他單位，為國(guó)家深潛基地研制了內(nèi)徑1.6m、高3.0m、工作壓力90MPa的深海壓力環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?！笆濉逼陂g，在國(guó)家863計(jì)劃的支持下，702所建成了目前國(guó)內(nèi)綜合試驗(yàn)?zāi)芰ψ顝?qiáng)的超高壓試驗(yàn)裝置（內(nèi)徑3.0m、最大工作壓力90MPa）[5]。

綜觀國(guó)外的深海模擬試驗(yàn)裝置，不難發(fā)現(xiàn)，主要深海技術(shù)強(qiáng)國(guó)都建立了與深海技術(shù)裝備同步發(fā)展的試驗(yàn)裝置，保障了深海技術(shù)裝備壓力測(cè)試的需求。然而，前述海洋強(qiáng)國(guó)的壓力試驗(yàn)裝置均研制于20世紀(jì)，多采用與框架式相區(qū)別的筒體整體成型焊接的方式（俗稱一體式壓力筒）。

2 深海壓力試驗(yàn)裝置的需求趨勢(shì)

近年來(lái)，隨著海洋工程技術(shù)的進(jìn)步，地球最神秘未知的領(lǐng)域——海斗深淵正在成為國(guó)際地球科學(xué)尤其是海洋科學(xué)最新的研究前沿。海斗深淵簡(jiǎn)稱深淵，專(zhuān)指海洋中深度大于6000米的海溝區(qū)域，它們是迄今人類(lèi)知之極少、難以企及的海底區(qū)域[6]。深淵體系被認(rèn)為是驅(qū)動(dòng)地球系統(tǒng)地質(zhì)、生命、環(huán)境演化的關(guān)鍵一環(huán)，也被認(rèn)為是最有可能出現(xiàn)重大科學(xué)突破的研究領(lǐng)域[7-9]。

美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)、新西蘭等國(guó)已提出了相應(yīng)的深淵研究計(jì)劃（例如，日本和英國(guó)資助的HADEEP計(jì)劃、美國(guó)基金會(huì)支持的HADES計(jì)劃等），并正在持續(xù)地投入研究[8][10]。基于深淵科學(xué)研究計(jì)劃的需求，日本、美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也在同步開(kāi)展全海深載人潛水器的技術(shù)攻關(guān)，特別是日本現(xiàn)已進(jìn)入沖刺階段，極有可能在近幾年就完成全海深潛水器的研制工作。

在新一輪的深海前沿國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中，我國(guó)與國(guó)際同行正處在同一起跑線上。2014年4月，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)（B）“海斗深淵前沿科技問(wèn)題研究與攻關(guān)”（簡(jiǎn)稱海斗深淵先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)），是我國(guó)首個(gè)系統(tǒng)的深淵科技研究計(jì)劃，計(jì)劃中明確提出了開(kāi)展全海深關(guān)鍵瓶頸技術(shù)研究的任務(wù)。2016年6月，科技部正式發(fā)布了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)，計(jì)劃重點(diǎn)突破制約我國(guó)在深海領(lǐng)域發(fā)展能力的深海運(yùn)載、探測(cè)、戰(zhàn)略資源開(kāi)發(fā)等核心共性關(guān)鍵技術(shù)，并計(jì)劃在“十三五”期間實(shí)現(xiàn)全海深載人及無(wú)人潛水器的下潛。

學(xué)界一般將全球海洋最深處（馬里亞納海溝的挑戰(zhàn)者深淵）的水深視為全海深，簡(jiǎn)化換算后的模擬實(shí)驗(yàn)壓力為110MPa。不同深海儀器裝備的壓力測(cè)試其安全系數(shù)取值不同，如果參照1.5倍的安全系數(shù)，則壓力試驗(yàn)裝置的工作壓力至少需要達(dá)到165 MPa才能完全滿足全海深測(cè)試的需要。

然而，通過(guò)系統(tǒng)梳理國(guó)際上已經(jīng)研制的深海壓力試驗(yàn)裝置，尚未發(fā)現(xiàn)工作壓力超過(guò)160MPa、同時(shí)容積能滿足科考型潛水器載人球殼的設(shè)備。分析其原因，一方面國(guó)際上全海深載人潛水器的研制近年來(lái)才被提上日程（詹姆斯·卡梅隆2012年試驗(yàn)的DEEP CHALLENGE屬于單人探險(xiǎn)性潛水器，其載人球艙的體積和技術(shù)要求均低于科考型載人潛水器），因此相應(yīng)配套的大容積、超高壓力試驗(yàn)裝置尚未立項(xiàng)研制。另外一方面，從技術(shù)角度出發(fā)，目前海洋工程領(lǐng)域傳統(tǒng)的筒體整體成型焊接的結(jié)構(gòu)形式，在研制大容積、超高壓力的試驗(yàn)裝置時(shí)具有較高的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)：1）難以克服應(yīng)力集中的問(wèn)題，特別是端蓋與筒體的密封連接處，不管是抱箍式、卡環(huán)式，還是抗剪切環(huán)式等密封方式，均可能存在超過(guò)一定工作壓力時(shí)連接處受力斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；2）根據(jù)力學(xué)計(jì)算，設(shè)計(jì)的工作壓力越高則筒體的厚度越大，超過(guò)一定的厚度范圍則一體式壓力筒的鍛造、焊接均存在很高的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和難度。

因此，為了滿足全海深背景下大容積、超高壓力的測(cè)試需求，如何將新的超高壓技術(shù)引入海洋技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)成為學(xué)界共同關(guān)注的問(wèn)題。

3 預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)簡(jiǎn)介

如將視野不局限于筒體整體成型焊接的技術(shù)方式，則預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)在大型深海超高壓試驗(yàn)裝置的研制方面非常具有借鑒意義。預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初期，采用該項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)的壓力裝備主要運(yùn)用于硬質(zhì)合金、鎢鉬難熔材料、耐火材料、石墨碳素、陶瓷材料等粉末制品的受壓成型，在食品殺菌、中醫(yī)藥提煉等方面也具有一定的運(yùn)用潛力[11]。

這類(lèi)設(shè)備的工作原理是基于帕斯卡定律，即：作用在靜態(tài)液體或氣體上的外力所產(chǎn)生的靜壓力將均勻地在各個(gè)方向上傳遞。為了與傳統(tǒng)的機(jī)械模壓工藝（如六面頂壓機(jī)）相區(qū)別，業(yè)內(nèi)一般稱其為“等靜壓機(jī)”。根據(jù)傳壓介質(zhì)的工作溫度不同，使用常溫液態(tài)傳壓介質(zhì)的設(shè)備被稱為冷等靜壓機(jī)，使用高溫氣態(tài)傳壓介質(zhì)的設(shè)備被稱為熱等靜壓機(jī)[12]。實(shí)際上，海洋工程領(lǐng)域傳統(tǒng)的一體式壓力筒的工作原理與冷等靜壓機(jī)并無(wú)區(qū)別，均使用液體傳壓介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)受壓物體各相均勻承壓，只是在主機(jī)的力學(xué)結(jié)構(gòu)上存在區(qū)別（圖1）。因此，為與一體式壓力筒相區(qū)別，海洋工程領(lǐng)域使用“預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)”，而不用“等靜壓”這一名稱。

如圖1所示，框架式結(jié)構(gòu)的主體部分由筒體和框架構(gòu)成，裝置承壓被分解成兩部分，筒體承受徑向壓力，框架承受軸向力，這就極大地簡(jiǎn)化了筒體的受力狀況，而一體式壓力筒既承受徑向壓力又承受軸向壓力，在同樣的容積條件下，預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式結(jié)構(gòu)具有更高的承壓潛力。此外，圖1所示裝置的筒體、框架均采用了預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的結(jié)構(gòu)，即利用預(yù)應(yīng)力鋼絲對(duì)筒體、框架按設(shè)計(jì)要求的載荷逐層纏繞，最后在筒體、框架立柱、半圓梁形成了所需要的預(yù)加應(yīng)力。預(yù)加應(yīng)力使得超高壓裝置即使處于最高工作壓力狀態(tài)，其筒體和框架仍均存在殘余壓應(yīng)力，處于壓應(yīng)力狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力。以上技術(shù)特點(diǎn)，決定了預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式超高壓裝置在工作過(guò)程中的應(yīng)力變化幅值小，筒體、框架的承載能力強(qiáng)、疲勞抗力高且結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。

4 預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)在深海壓力試驗(yàn)裝置中的運(yùn)用

在預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)領(lǐng)域，目前世界上僅有少數(shù)幾個(gè)工業(yè)強(qiáng)國(guó)具備研制生產(chǎn)大噸位、大規(guī)格超高壓裝置的技術(shù)能力，如美國(guó)AVURE技術(shù)公司、比利時(shí)EPSI公司、日本神戶制鋼所、俄羅斯第一重型機(jī)械廠和德國(guó)迪芬巴赫公司。美國(guó)AVURE公司（原瑞典ASEA公司，是國(guó)際上最早開(kāi)始相關(guān)技術(shù)研究和運(yùn)用的企業(yè)）是全球相關(guān)裝備制造行業(yè)的標(biāo)桿企業(yè)[12]，中國(guó)的四川航空工業(yè)川西機(jī)器有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱川西公司）是國(guó)內(nèi)綜合實(shí)力最強(qiáng)的單位。

經(jīng)過(guò)充分的技術(shù)論證，在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）項(xiàng)目課題“控溫式壓力試驗(yàn)裝置”的支持下，中國(guó)科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所（簡(jiǎn)稱深海所）決定將預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)引入到海洋工程技術(shù)領(lǐng)域，替代傳統(tǒng)的一體式壓力筒結(jié)構(gòu)形式，聯(lián)合川西公司開(kāi)展了中型超高壓試驗(yàn)裝置的技術(shù)攻關(guān)，試驗(yàn)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)為內(nèi)徑0.8m、有效筒深2.5m、最高工作壓力200MPa（圖2）。2015年年底，該裝置通過(guò)了第三方驗(yàn)收，最高試驗(yàn)壓力達(dá)到220MPa，整體技術(shù)組合指標(biāo)達(dá)到國(guó)內(nèi)最高水平。

該裝置采用了預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式結(jié)構(gòu)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)主機(jī)系統(tǒng)，但與粉末成型等工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用需求不同，深海壓力試驗(yàn)裝置有其自身的特殊要求。因此，設(shè)備研發(fā)過(guò)程中對(duì)于傳壓介質(zhì)、保壓時(shí)間、信號(hào)采集等技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整和技術(shù)改進(jìn)（表1）。

目前該裝置已為中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的500mm鈦合金載人球艙縮比件開(kāi)展了200MPa（圖3）的靜水外壓試驗(yàn)[13]，也為中國(guó)科學(xué)院理化所、沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的浮力材料及全海深無(wú)人潛水器開(kāi)展了相關(guān)的壓力測(cè)試[14]，均取得了良好的運(yùn)用效果。

表1 200MPa中型超高壓試驗(yàn)裝置與傳統(tǒng)冷等靜壓機(jī)的區(qū)別

5 結(jié)語(yǔ)

預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)是國(guó)際工業(yè)領(lǐng)域在大容積超高壓裝置研制方面的一項(xiàng)成熟技術(shù)，但主要被運(yùn)用于粉末成型等工業(yè)領(lǐng)域。中科院深海所與川西公司聯(lián)合，首次將該技術(shù)運(yùn)用到了海洋工程領(lǐng)域，研制的200MPa中型超高壓試驗(yàn)裝置取得了良好的運(yùn)用效果，證明了該技術(shù)在大容積、超高壓的深海模擬試驗(yàn)裝備研制方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和運(yùn)用潛力。在此基礎(chǔ)上，為了保障“十三五”期間全海深載人潛水器研制任務(wù)的完成，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)中設(shè)置了“深海大型超高壓模擬試驗(yàn)裝置”項(xiàng)目，將利用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)研制更大型的壓力試驗(yàn)裝置（內(nèi)徑2.8m，有效高度4.0m，工作壓力180MPa），為全海深潛水器載人球殼的壓力測(cè)試提供支撐。預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)在深海壓力試驗(yàn)設(shè)備研制中的成功運(yùn)用也揭示了打破行業(yè)壁壘、開(kāi)展學(xué)科交流對(duì)于技術(shù)創(chuàng)新的重要意義。

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Application of Pre-stressed Steel Wire-winding Frame Technology in Deep-sea Hydrostatic Pressure Testing Equipment

Jiang Lei1, Xin Yang1,2, Yang Huai3, Wu Guoqing4

(1. Institute of Deep-sea Science and Engineering, CAS, Sanya, Hainan 572000, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3. Sichuan aerospace industry Chuanxi machine Co., Ltd, Ya’an, Sichuan 625000, China;4. China Ship Scientific Research Center, Wuxi, Jiangsu 214082, China)

This paper introduces the first application of the technology of pre-stressed steel wire-winding frame in constructing hydrostatic pressure testing equipment for the environment simulation of deep-sea. In December 2015, a 200 MPa medium size ultrahigh pressure cylinder (0.8 m in diameter, 2.5 m in height) was tested experimentally, and the technical indicators met the requirements, which was operated by institute of deep-sea science and engineering, CAS and Sichuan aerospace industry Chuanxi machine Co., Ltd. Then it provided full ocean depth pressure testing support for scaled model of titanium alloy personnel hull, buoyancy material and unmanned underwater vehicle. The results of all the experiments show that the technology of pre-stressed steel wire-winding frame has apparent advantages in constructing large volume and ultrahigh pressure testing equipment compared with traditional technology.

pre-stressed steel wire-winding; deep-sea; hydrostatic pressure testing equipment

10.3724/SP.J.1224.2016.00577

TH137

A

1674-4969(2016)06-0577-05

2016-08-15;

2016-09-14

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)（2016YFC0300900）；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（B類(lèi)）資助（XDB06060200）

蔣磊（1979-），男，博士，副研究員，研究方向?yàn)楦邏耗M技術(shù)裝置及實(shí)驗(yàn)運(yùn)用；E-mail: jl@idsse.ac.cn