吳世海,劉童祺,卞如岡,張 震
(1.中國船舶科學(xué)研究中心,江蘇無錫214082;2.北京國望光學(xué)科技有限公司,北京102600)
二十一世紀是海洋的世紀,大力開展海底觀測與鉆探,探測和獲取海洋的物理場、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??茖W(xué),提升我國深海研究能力,是持續(xù)發(fā)展海洋經(jīng)濟、跨越發(fā)展海洋科學(xué)和合法維護海洋權(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)問題便是密封問題。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。
對于深海沉積物取樣器來說,常見的密封方式主要有球閥密封(見圖1)和高壓蓋板閥密封(見圖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,無法正常實現(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對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,達到保壓和密封要求。從微觀方面來看,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]。
楔形塊密封主要包括取樣筒、楔形塊和楔形塊驅(qū)動機構(gòu)。其中楔形塊驅(qū)動機構(gòu)由爆炸螺栓、滑塊、彈射機構(gòu)(蓄能彈簧)等幾部分組成,爆炸螺栓的啟動由電觸發(fā)機構(gòu)控制。整體結(jié)構(gòu)長為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。
基本工作原理見圖4。具體過程為:開始時,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,推桿將取樣筒向下推出取樣,取完樣品后再將取樣筒拉回,通過蓄能彈簧將楔形塊沿底部筒體中的滑道向右推動到指定位置,最后通過電子觸發(fā)機構(gòu)啟動爆炸螺栓完成對楔形塊的封緊工作;完成樣品保壓轉(zhuǎn)移后,將底部筒體上的保壓轉(zhuǎn)移接口與保壓實驗臺連接,接通與取樣位置相等的平衡壓力;此時,取樣筒內(nèi)外壓力平衡,楔形塊松動,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
為保證楔形塊在運動到封裝位置后不會滑落導(dǎo)致密封失敗,需要對楔形塊進行結(jié)構(gòu)自鎖設(shè)計,該設(shè)計主要包括楔形塊的自鎖角度設(shè)計和楔形塊滑道的坡腳設(shè)計。楔形塊自鎖受力分析如圖5 所示,其中O點為楔形塊的重心。
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)計為7°,滿足楔形塊自鎖要求。同時滑道坡度設(shè)計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)計為7°,保壓筒體底部密封環(huán)面設(shè)計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,對于楔形塊接觸式密封來說,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)計中密封比壓的計算公式[9-10],本文提出了楔形塊密封計算比壓q2和必須比壓qMF的計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,對于鈦合金材料而言為300 MPa。
為了評估楔形塊密封的性能,采用ANSYS 軟件對密封結(jié)構(gòu)進行了仿真分析。楔形塊的密封采用的是金屬間接觸硬密封的方式。金屬接觸問題是一種高度非線性計算問題,對于這類問題的求解通常是采用反復(fù)迭代的計算方法進行仿真分析[11]??紤]到結(jié)構(gòu)特征,對密封結(jié)構(gòu)模型進行了簡化處理,簡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)格劃分分為兩個部分進行: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。考慮到保壓筒體是規(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、計算量等方面因素進行選擇,最終選定的網(wǎng)格尺寸為3 mm,網(wǎng)格總數(shù)為20 842個。
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。楔形塊的厚度對密封效果有較大的影響,進行仿真分析時在保持筒體內(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)條件時屬于薄板范疇,板材厚度和寬度的定義見圖7。
圖6 密封結(jié)構(gòu)簡化模型圖Fig.6 Diagram of the simplified wedge block sealing structure
相對于厚板來說,薄板在相同的壓力作用下更容易產(chǎn)生變形,進而更容易產(chǎn)生滿足密封要求的密封環(huán)帶。針對這一特點,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 的楔形塊進行仿真驗證,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,由于在采樣過程中需要對楔形塊進行封裝和開啟,需要對不同厚度的楔形塊在110 MPa壓力下摩擦力情況進行仿真分析。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。
綜合對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,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
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)。通過理論計算與有限元仿真相結(jié)合的方式,對楔形塊密封結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計,并對楔形塊密封的性能進行了模擬,得到如下結(jié)論:
(1)通過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的難度;
(3)通過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。