深海壓力環(huán)境模擬裝置水壓試驗研究

趙洪洋

摘要：深海壓力環(huán)境模擬裝置是模擬水下作業(yè)設(shè)備在實際作業(yè)時水下的壓力環(huán)境的實驗系統(tǒng)。文章介紹了60 MPa壓力環(huán)境模擬裝置水壓試驗系統(tǒng)及試驗技術(shù)，對該裝置進行了75 MPa壓力下的應(yīng)力應(yīng)變測算，試驗結(jié)果表明，筒體球封頭內(nèi)壁平均應(yīng)力210.7 MPa，筒體典型中段內(nèi)壁周向應(yīng)力273.8 MPa，外壁210.7 MPa，應(yīng)力水平低于筒體材料的許用應(yīng)力，說明該裝置加工制造質(zhì)量合格，性能安全可靠。

關(guān)鍵詞：深海壓力環(huán)境模擬裝置；水壓試驗；應(yīng)力應(yīng)變

隨著人類對于自然改造進程的加快，陸地上的非可再生資源愈來愈匱乏，如石油、天然氣等資源的緊缺問題已經(jīng)引起人們的重視，于是人們將目光轉(zhuǎn)向海洋，對于海洋資源的開發(fā)顯得愈加重要和緊迫。如今，瀕臨海洋的大多國家正在加大開發(fā)海洋資源的步伐，然而對海洋資源的開發(fā)較陸地資源開發(fā)更加困難，海洋資源開發(fā)需要進行大量的深水環(huán)境作業(yè)，如海底油氣開采、海底管道及電纜的鋪設(shè)以及海底水質(zhì)等物質(zhì)的采樣等[1]。由于深海壓力極高，水深每增加10 m，就相當(dāng)于壓力增加1個大氣壓，所以要完成深海作業(yè)的設(shè)備（如水下機器人、采樣器）在投入使用前必須經(jīng)過耐壓測試。

深海作業(yè)設(shè)備在投入使用前，有必要對其進行不同壓力下的耐壓實驗[2]。耐壓實驗是在實驗室條件下模擬深海作業(yè)設(shè)備在實際作業(yè)時水下的壓力環(huán)境，具有較高的可重復(fù)性和安全性，可降低設(shè)備的研制成本，還可獲得完整的實驗數(shù)據(jù)，以分析設(shè)備的使用性能并繼續(xù)完善[3-4]。所以建造高精度、高可靠性和高動態(tài)響應(yīng)的深海壓力環(huán)境模擬裝置，對于提高水下作業(yè)設(shè)備的性能具有重要的研究意義和使用價值，而深海壓力環(huán)境模擬裝置在投入使用前，須對其耐壓能力、安全性和可靠性進行檢測。本文以60 MPa的壓力環(huán)境模擬裝置為對象，對其進行水壓實驗研究，介紹了整個實驗的流程和技術(shù)，通過對60 MPa壓力環(huán)境模擬裝置進行應(yīng)力應(yīng)變測算檢測其耐壓能力、安全性和可靠性。

1 60 MPa壓力環(huán)境模擬裝置

60 MPa壓力環(huán)境模擬裝置是浙江大學(xué)委托中國船舶重工集團公司第七?二研究所設(shè)計制造，可模擬6 000 m水深的壓力環(huán)境，主要由筒體、筒蓋、抗剪塊組成，采用凹槽一抗剪塊密封結(jié)構(gòu)形式，密封材料為。型橡膠圈，設(shè)計最大工作壓力為60 MPa。筒體由3段20MnMoNb合金鋼鍛件經(jīng)鍛造焊接而成，主體重320 t，立式布置，其結(jié)構(gòu)及實物如圖1所示；筒蓋重54 t，抗剪塊每個重2 t，共8個，由30Cr2Ni4MoV合金鋼鍛造而成。

該套裝置承擔(dān)著深海裝備和耐壓結(jié)構(gòu)長時間在深水超高壓條件下的耐壓性能模擬實驗任務(wù)，為我國在海洋工程領(lǐng)域的研究提供有力的技術(shù)支撐。在投入使用前，須對筒體進行安全性與可靠性檢測，測試其在耐壓安全系數(shù)1.25倍時75 MPa壓力下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變，檢驗其加工建造質(zhì)量、密封性能、承力焊縫的致密性。

2 實驗系統(tǒng)及實驗技術(shù)

2.1 實驗系統(tǒng)

60 MPa壓力環(huán)境模擬裝置水壓實驗系統(tǒng)除筒體、筒蓋、抗剪塊外，主要包括壓力加卸載系統(tǒng)、抗剪塊推拉液壓系統(tǒng)，靜態(tài)應(yīng)變儀、壓力表、壓力傳感器、應(yīng)變片以及測量所需的計算機等。

2.1.1 壓力加卸載系統(tǒng)

壓力加卸載系統(tǒng)為麥格思維特（上海）流體工程有限公司設(shè)計制造，主要由閥門控制柜、空壓機、高壓泵站和電器操作柜以及連接管路等組成。壓力加卸載系統(tǒng)用于對60 MPa壓力環(huán)境模擬裝置加卸壓，使用介質(zhì)為水，可實現(xiàn)手動加卸壓及保壓和自動加卸壓及保壓過程，其額定工作壓力60 MPa、最高設(shè)計壓力75 MPa、最大工作流量17.3L/min、加卸壓速度0.1?0.6 MPa/min。

2.1.2 抗剪塊推拉液壓系統(tǒng)

抗剪塊推拉液壓系統(tǒng)由中國船舶重工集團公司第七○二研究所設(shè)計，無錫普斯通自動化設(shè)備有限公司制造，主要由液壓缸組、驅(qū)動電機、蓄能器、加載電磁閥、系統(tǒng)壓力變力變送器、系統(tǒng)調(diào)壓閥、空氣過濾器、壓力表以及卸荷止回閥等組成?？辜魤K推拉液壓系統(tǒng)的活塞通過伸縮來實現(xiàn)對抗剪塊在筒蓋上面的推和拉過程，完成抗剪塊向筒體凹槽內(nèi)的裝卸操作，液壓系統(tǒng)工作壓力為0?31.5 MPa，油泵型號為MCY2.5-14，驅(qū)動電機型號為Y112-4B35，液壓系統(tǒng)使用介質(zhì)為N46抗磨耐壓油，油液正常工作溫度范圍為5?60 ℃，油液正常工作清潔度要求為NAS11級（NAS1638標(biāo)準(zhǔn)）。

2.1.3 儀器儀表

實驗采用的應(yīng)變傳感器都為雙向應(yīng)變片，因筒體內(nèi)壁測點的應(yīng)變片要承受水壓力，故選用抗水壓能力好的應(yīng)變片，其型號為KFW-5-120-D16，電阻值為及=（120.0±0.4）a靈敏系數(shù)為&（2.09±1.0）%；筒體外壁測點的應(yīng)變片不需要承受水壓力，故選用普通應(yīng)變片，其型號為BA120-2ro（ll），電阻值為及=（120.3 ±0.3）a靈敏系數(shù)為尤 =（2.07±1.0）%。

實驗采用的壓力傳感器型號為ZQ-Y4，應(yīng)變測試儀主機及輔機型號分別為DCAM-70A，USB-70，實物如圖2所示。

2.2 實驗技術(shù)

由于筒體是壓力環(huán)境模擬裝置的承壓設(shè)備，因此水壓實驗主要是通過測試筒體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變，掌握其結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

2.2.1 應(yīng)變片測點布置

60 MPa壓力環(huán)境模擬裝置筒體為軸對稱結(jié)構(gòu)，應(yīng)變片布置在如圖3（a）（筒體俯視結(jié)構(gòu)圖）所示的兩條母線上。筒體外壁布置15個應(yīng)變片，其中在兩條母線與兩條焊縫交匯處的外壁4個位置各貼3個應(yīng)變片，每個位置的3個應(yīng)變片沿筒體軸線方向布置，間距為5 cm，中間應(yīng)變片貼在焊縫正中位置，另在母線1上的筒體外壁中段位置貼1個應(yīng)變片，兩條母線上的筒體筒口凹槽對應(yīng)的外壁位置各貼1個應(yīng)變片。

筒體內(nèi)壁布置25個應(yīng)變片，在兩條母線上的筒口凹槽內(nèi)各貼3個應(yīng)變片，筒口內(nèi)壁各貼2個應(yīng)變片，兩條母線與筒體兩條焊縫交匯處的內(nèi)壁4個位置各貼3個應(yīng)變片，在母線1上的筒體內(nèi)壁中段位置貼1個應(yīng)變片，在筒體軸線與筒體底部內(nèi)壁交點處貼1個應(yīng)變片，在筒體底部中心與其相近的焊縫之間的中間位置貼1個應(yīng)變片，如圖3（b）所示，圖中A3—A32為筒體內(nèi)部應(yīng)變片編號，內(nèi)部為筒蓋和筒體構(gòu)成的密封空間內(nèi)，E3—E52位筒體外部應(yīng)變片編號，奇數(shù)編號為筒體軸向方向，偶數(shù)編號為筒體周向方向。

實驗中隨著筒體內(nèi)水壓升高，溫度也隨之高，為避免因筒體內(nèi)外溫差對筒體結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變測量的影響，應(yīng)在筒體內(nèi)外各加設(shè)一個溫度補償鋼板，其材料與筒體相同，并在兩個溫度補償鋼板上各貼1個對應(yīng)筒體內(nèi)外壁型號的應(yīng)變片，所以共采用了42個雙向應(yīng)變片。

2.2.2 應(yīng)變片測點處理及粘貼

對應(yīng)變片測點位置除銹和光滑處理，以保證應(yīng)變片和筒體內(nèi)外壁及溫度補償鋼板緊密貼合，發(fā)生同步變形。使用酒精對處理后的測點清洗兩遍，再用干凈棉花擦干測點，在應(yīng)變片上均勻涂抹496膠水，膠水不宜過多，以免風(fēng)干較慢，用拇指將應(yīng)變片貼在測點上，按壓5?10 min，應(yīng)變片的一個方向沿筒體軸線方向，另一個方向沿筒體周向方向布置，用鋁箔紙將貼完的應(yīng)變片覆蓋，靜止24 h，使膠水充分風(fēng)干。

2.2.3 應(yīng)變片的密封絕緣

筒體外壁的應(yīng)變片密封絕緣處理是對其表面及接線處涂抹一層703膠水，24 h后，再涂抹一層703膠水，再靜止24 h可達(dá)到較好效果。筒體內(nèi)壁的應(yīng)變片浸在水中，最大承壓75 MPa，因此對筒體內(nèi)壁應(yīng)變片的密封絕緣處理十分重要，先將SB膠（固體軟膠）黏附在應(yīng)變片表面及接線處，用拇指按壓，適當(dāng)掌握按壓力度，確保SB膠將應(yīng)變片和接線處完全覆蓋，然后在SB膠表面再涂抹一層730膠水，靜止24 h后，再涂抹一層703膠水再靜止24 h，使其達(dá)到密封絕效果。

應(yīng)變片密封絕緣處理后，用萬用表對每個應(yīng)變片單向片上的兩個接線之間的電阻進行測量，正常電阻為100?150 a如阻值超過這個范圍，應(yīng)在對應(yīng)測點更換新的應(yīng)變片。

2.2.4 加卸壓程序

應(yīng)變片安裝完，連接60 MPa壓力環(huán)境模擬裝置的管路、導(dǎo)線、壓力表和壓力傳感器，待筒體注滿水，壓力加卸載系統(tǒng)調(diào)試完畢，啟動壓力加卸載系統(tǒng)對筒體加壓，加卸壓過程為：0→10→20→30→40→50→60→70→75→70→60→50→40→30→20→10→0 MPa，加卸壓速度為0.1?0.6 MPa/min，加壓到75 MPa保壓30 min，其余壓力保壓5 min，保壓時，測量筒體內(nèi)外壁應(yīng)變片和溫度補償應(yīng)變片應(yīng)變值，觀察壓力表和壓力傳感器示數(shù)變化。

2.2.5 應(yīng)力計算

在彈性范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)雙向應(yīng)力狀態(tài)下，由測量得到的主應(yīng)變根據(jù)胡克定律計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力。對于筒體內(nèi)壁測點，由于水壓較高，垂直于測點的第三主應(yīng)力不能忽略，同時考慮到內(nèi)壁應(yīng)變片實際承壓和溫度補償方法，筒體內(nèi)壁測點的真實應(yīng)力按公式（1）計算。

式中：E為彈性模量，v為泊松比，σx和σy為雙向應(yīng)變片兩方向的應(yīng)力，εAx，. εAy分別為雙向應(yīng)變片兩方向的應(yīng)變值，壓力P取正值。而對非內(nèi)壁測點，其彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力按廣義胡克定律計算即可。應(yīng)力計算時E取1.96X105 MPa，v取0.3。

3 實驗結(jié)果及分析

60 MPa壓力環(huán)境模擬裝置筒體所布置的所有測點全部采集到數(shù)據(jù)，在75 MPa壓力下，較高應(yīng)力應(yīng)變測點測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見，除筒體結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)外，大部分應(yīng)變測點的壓力一應(yīng)變曲線基本都呈現(xiàn)較好的線性和回復(fù)性，說明這些測點的變形處在彈性變形階段。隨著內(nèi)部水壓的升高，筒體測點應(yīng)變增大，筒體形變增大，當(dāng)壓力再度降低，測點應(yīng)變減小，筒體形變減小直至形變消失。由圖4（a）和（b）壓力一應(yīng)變曲線可見，當(dāng)筒體內(nèi)水壓為75 MPa時，部分測點的應(yīng)變值很大，并表現(xiàn)出非線性和殘余應(yīng)變，處在塑性變形階段，隨著筒體內(nèi)水壓下降，這些測點內(nèi)部的應(yīng)力并未完全得到釋放，仍有殘余應(yīng)力。

由圖4（a）可見，凹槽圓弧處為設(shè)計高應(yīng)力區(qū)，明顯進入塑性，如果按此時測量的應(yīng)變值代入胡克定律計算，圓弧處軸向最大拉應(yīng)力達(dá)1 653.4MPa。由圖4（b）可見，凹槽與剪（1）切塊齒合區(qū)域存在很高的擠壓應(yīng)力，如果按此時測量的應(yīng)變

值代入胡克定律計算，最大壓應(yīng)力-2 923.3MPa。熱套外壁存在一定的彎曲應(yīng)力，軸向彎曲應(yīng)力為-95.2MPa。

應(yīng)力結(jié)果表明，除筒體一些測點展現(xiàn)出應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是由于抗剪塊與筒體凹槽處齒合所致，而筒體的球封頭內(nèi)壁平均應(yīng)力210.7 MPa，筒體典型中段內(nèi)壁周向應(yīng)力273.8 MPa，外壁210.7 MPa，應(yīng)力水平低于筒體材料的許用應(yīng)力。說明筒體的加工制造質(zhì)量合格。

4 結(jié)語

60 MPa壓力環(huán)境模擬裝置水壓實驗的最高壓力為75 MPa保壓30 min，在整個水壓實驗過程中，筒體結(jié)構(gòu)密封性能保持良好。實驗過程中，完成了筒體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和位移測試，布置應(yīng)變片84片，筒體各測點均采集到數(shù)據(jù)，說明實驗采用的方法有效。

對實驗數(shù)據(jù)進行了整理和分析，并進行應(yīng)力計算，結(jié)果表明，筒體球封頭內(nèi)壁平均應(yīng)力210.7 MPa，筒體典型中段內(nèi)壁周向應(yīng)力273.8 MPa，外壁210.7 MPa，兩條焊縫在兩條母線上外壁相互對應(yīng)點的應(yīng)力結(jié)果較為吻合。實驗結(jié)果表明，本次實驗測試數(shù)據(jù)完整、有效，可為該套裝置以及同類壓力環(huán)境模擬裝置的應(yīng)力狀態(tài)分析及安全可靠性評估提供參考。

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