深海生物原位保溫保壓裝置設(shè)計(jì)方案研究*

許 可，趙飛虎，周鑫濤，羅 升

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082)

0 引 言

深海生物科學(xué)研究、深海資源勘探等深海作業(yè)活動(dòng)變得日趨頻繁，從而引領(lǐng)水下裝備的快速發(fā)展，其中纜控潛器(ROV)和載人潛水器是當(dāng)前海洋探索研究最主要的工具，其可搭載各種探測(cè)設(shè)備快速、精確地到達(dá)各種深海復(fù)雜環(huán)境，進(jìn)行高效勘探、科學(xué)考察和近海底取樣作業(yè)[1-2]。然而目前通過(guò)深海潛器采集的各類(lèi)深海生物存儲(chǔ)在采樣籃后，隨著深海潛器的回收，樣品也隨其從深海提升至水面母船上，由于深海潛器從深海回收至水面母船大都需要耗費(fèi)數(shù)小時(shí)的時(shí)間，并且在深海潛器從深?；厥罩了娴倪^(guò)程中，深海生物所處的外界海水壓力在逐漸下降，溫度在逐步上升，造成轉(zhuǎn)移過(guò)程中深海生物的生物學(xué)特性已經(jīng)發(fā)生了改變，失去了生物的原位特性，甚至喪失了試驗(yàn)室觀測(cè)、培養(yǎng)及研究的價(jià)值[3]。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外科學(xué)家在深海生物原位保真取樣的技術(shù)領(lǐng)域僅實(shí)現(xiàn)了微生物的半主動(dòng)保壓和被動(dòng)保溫的技術(shù)突破[4-5]，但該項(xiàng)技術(shù)的局限性較明顯，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多深度樣品及長(zhǎng)周期的保真存儲(chǔ)。深海生物原位主動(dòng)保壓及主動(dòng)保溫技術(shù)的突破可以實(shí)現(xiàn)深海采集的各類(lèi)樣品從采集開(kāi)始至提取到地面實(shí)驗(yàn)室分析前始終維持其原位特性，從而為深海生命科學(xué)探索和生物資源開(kāi)發(fā)利用提供新的技術(shù)手段。

筆者重點(diǎn)研究了深海生物原位主動(dòng)保壓和主動(dòng)保溫的技術(shù)方法和工作流程，通過(guò)對(duì)該裝置存儲(chǔ)耐壓結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析以及溫控系統(tǒng)、保壓系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，得出了基于潛水器搭載的深海生物原位保溫保壓裝置的技術(shù)方案，為潛水器多深度采集的生物樣品的長(zhǎng)周期原位保真存儲(chǔ)提供了參考。

1 深海生物原位保溫保壓裝置主要組成

深海生物原位保溫保壓裝置主要由耐壓殼體、啟閉艙口蓋、溫控系統(tǒng)、保壓系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示，其中耐壓殼體是深海生物原位保溫保壓裝置最主要的存儲(chǔ)容器結(jié)構(gòu)，承受外側(cè)及內(nèi)部高壓海水的壓力，并承載所有掛載設(shè)備和儀器的重量，是整個(gè)裝置的主體；啟閉艙口蓋可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)啟、關(guān)閉和鎖緊，啟閉艙口蓋的鎖緊和密封是整個(gè)裝置保溫和保壓效果實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵；溫控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)裝置的保溫功能，其工作原理為熱電制冷，利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行控溫，主要用來(lái)精確控制殼體內(nèi)的海水及樣品溫度，以維持原位采集樣品的溫度特性；保壓系統(tǒng)主要由以充滿高壓氮?dú)獾难a(bǔ)償器和連接電磁溢流閥的儲(chǔ)水箱構(gòu)成，前者可以在裝置采樣上浮后補(bǔ)償耐壓殼體內(nèi)降低的壓力，后者能在裝置采樣下潛時(shí)卸掉耐壓殼體收縮導(dǎo)致的內(nèi)部增大的壓力。

圖1 深海生物原位保溫保壓裝置組成

2 主要技術(shù)指標(biāo)及功能要求

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

工作深度：0～1 500 m；保壓范圍：0～15 MPa；保溫范圍：0～10 ℃。

2.2 功能要求

深海生物原位保溫保壓裝置在深海特定深度完成采樣后，能夠?qū)Σ杉臉悠愤M(jìn)行存儲(chǔ)，并持續(xù)保溫和持續(xù)保壓。為實(shí)現(xiàn)上述功能，裝置需具備可調(diào)節(jié)溫度范圍的保溫功能，具備樣品原位壓力的保持功能，以及具有一定容積的樣品存儲(chǔ)功能，并具有內(nèi)部壓力和內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)裝置需具備艙口蓋的自動(dòng)啟閉功能。

3 技術(shù)方案

3.1 耐壓殼

耐壓殼是深海生物原位保溫保壓裝置最主要的耐壓結(jié)構(gòu)，承受外側(cè)及內(nèi)部高壓海水的壓力，并承載所有掛載設(shè)備和儀器的重量，是整個(gè)裝置的主體，外形呈球狀，底部焊接有安裝基座。外形如圖2所示。

耐壓殼內(nèi)部直徑：φ1 200 mm；艙口蓋開(kāi)孔透光直徑：φ450 mm；穿艙件開(kāi)孔透光直徑：φ200 mm；耐壓殼材料：00Cr25Ni7Mo4N(雙相不銹鋼2507)，屈服強(qiáng)度550 MPa，抗拉強(qiáng)度795 MPa，彈性模量200 GPa，泊松比0.3。

深海生物原位保溫保壓裝置的最大工作水深是1 500 m，而耐壓殼既承受內(nèi)壓也承受外壓，所以取計(jì)算壓力為1.5倍最大工作壓力，即22.5 MPa。按GJB/Z21A-2001規(guī)范《潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法》，球形耐壓結(jié)構(gòu)最小厚度計(jì)算見(jiàn)下式：

tm=PjRc/(0.8σs)

(1)

式中：tm為球殼最小厚度；Pj為計(jì)算壓力；σs為屈服強(qiáng)度；Rc為球殼部分的中面半徑，600+0.5tm。

因此，計(jì)算可知最小厚度為31.5 mm，設(shè)計(jì)厚度同樣取31.5 mm。

在Abaqus軟件中對(duì)耐壓殼體進(jìn)行有限元計(jì)算，為便于計(jì)算，降低模型復(fù)雜程度，在幾乎不影響整體計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)整體模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，模型采用C3DR8實(shí)體單元進(jìn)行計(jì)算分析，并保證所有厚度方向單元個(gè)數(shù)不少于4個(gè)，單元尺寸小于20 mm。載荷邊界條件：整體模型非開(kāi)孔位置施加計(jì)算壓力，開(kāi)孔位置壓力載荷采用面積等效辦法在開(kāi)孔周邊密封面等安裝面施加等效壓力載荷，如圖3所示。

圖2 耐壓外殼 圖3 邊界條件及載荷情況

耐壓殼體在22.5 MPa外壓作用下的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果如圖4所示，從圖中可看出耐壓殼體整體在22.5 MPa外壓作用下，最高應(yīng)力為407.2 MPa，主要分布在出入艙口蓋圍欄與球殼連接處艙內(nèi)側(cè)，其余連接開(kāi)孔等連接過(guò)度處的典型位置應(yīng)力水平均小于309.6 MPa。耐壓殼體在22.5 MPa內(nèi)壓作用下的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果如圖5所示。

圖4 22.5 MPa外壓下應(yīng)力云圖 圖5 22.5 MPa內(nèi)壓下應(yīng)力云圖

從圖中可看出耐壓殼整體在22.5 MPa內(nèi)壓作用下，最高應(yīng)力為439.3 MPa，主要分布在出入艙口蓋圍欄與球殼連接處艙內(nèi)側(cè)，其余連接開(kāi)孔等連接過(guò)度處的典型位置應(yīng)力水平均小于309.1 MPa。從分析的結(jié)果可以看出耐壓殼體在承受22.5 MPa內(nèi)壓和外壓下，最高應(yīng)力為439.3 MPa，滿足小于1.15σs(632.5 MPa)的要求。

3.2 啟閉艙口蓋

啟閉艙口蓋主要由球冠形蓋板、壓緊環(huán)、密封件、回轉(zhuǎn)支撐板、回轉(zhuǎn)軸座、鎖緊環(huán)、鎖緊電動(dòng)缸、電動(dòng)缸基座I、基座齒圈、回轉(zhuǎn)軸、回轉(zhuǎn)臂、啟閉電動(dòng)缸、電動(dòng)缸基座II、啟閉接近開(kāi)關(guān)和鎖緊接近開(kāi)關(guān)組成，通過(guò)驅(qū)動(dòng)啟閉電動(dòng)缸和鎖緊電動(dòng)缸可以實(shí)現(xiàn)艙口蓋的啟閉和鎖緊與解鎖，并根據(jù)到位接近開(kāi)關(guān)的反饋信號(hào)判斷艙口蓋是否關(guān)閉到位和鎖緊到位。啟閉艙口蓋的系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 啟閉艙口蓋系統(tǒng)組成圖1.球冠形蓋板 2.壓緊環(huán) 3.密封件 4.回轉(zhuǎn)支撐板 5.回轉(zhuǎn)軸座 6.鎖緊環(huán) 7.鎖緊電動(dòng)缸 8.電動(dòng)缸基座I 9.基座齒圈 10.回轉(zhuǎn)軸 11.回轉(zhuǎn)臂 12.啟閉電動(dòng)缸 13.電動(dòng)缸基座II

工作原理：?jiǎn)㈤]艙口蓋具有自動(dòng)啟閉功能和自動(dòng)鎖緊功能，自動(dòng)啟閉功能由啟閉電動(dòng)缸、回轉(zhuǎn)臂、回轉(zhuǎn)軸、回轉(zhuǎn)支撐板和球冠蓋板組成的“曲柄導(dǎo)桿”機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)啟閉電動(dòng)缸的伸縮完成球冠蓋板的開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作；自動(dòng)鎖緊功能由鎖緊電動(dòng)缸、鎖緊環(huán)和基座齒圈組成的“曲柄導(dǎo)桿”機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的鎖緊環(huán)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制鎖緊環(huán)與球冠蓋板相應(yīng)螺旋齒面的接觸與分離，從而達(dá)到密封件的壓縮與恢復(fù)的目的，完成啟閉艙口蓋自動(dòng)鎖緊和解鎖動(dòng)作。

啟閉艙口蓋解鎖與開(kāi)啟狀態(tài)如圖7所示，關(guān)閉與鎖緊狀態(tài)如圖8所示。

圖7 開(kāi)啟時(shí)狀態(tài) 圖8 閉合時(shí)狀態(tài)

其中出入艙口的透光直徑為φ450 mm，球冠形蓋板頂部的半徑R設(shè)計(jì)取值1 200 mm，艙口蓋的材料采用00Cr25Ni7Mo4N(雙相不銹鋼2507)，其名義屈服強(qiáng)度ReH為550 MPa，彈性模量E=200 GPa，工作壓力為15 MPa，安全系數(shù)取1.5，計(jì)算壓力Pj=22.5 MPa。按照《潛水系統(tǒng)與潛水器建造與入級(jí)規(guī)范》[6]第16章 潛深大于500 m的潛水器的補(bǔ)充規(guī)定：在初步設(shè)計(jì)階段，封頭的極限承壓可按《潛水系統(tǒng)與潛水器建造與入級(jí)規(guī)范》中4.6.4確定。殼體厚度t具體計(jì)算過(guò)程如下：

(2)

式中：Pj為計(jì)算壓力，MPa；R為蓋板殼體外半徑，設(shè)計(jì)取值1 200 mm；ReH為屈服強(qiáng)度，MPa。

考慮腐蝕余量1.5 mm和板的厚度偏差等因素，并從艙口蓋的可靠運(yùn)行角度出發(fā)，取一定的安全裕度，艙口蓋的殼板厚度取值t=34 mm。

接下來(lái)對(duì)艙口蓋蓋板的穩(wěn)定性進(jìn)行校核，艙口蓋蓋板穩(wěn)定性校核公式為Pcr=CSCZPe≥Pj，查《潛水系統(tǒng)與潛水器建造與入級(jí)規(guī)范》確定C值：

查《潛水系統(tǒng)與潛水器建造與入級(jí)規(guī)范》確定CS、CZ值：

蓋板穩(wěn)定性校核：Pcr=CSCZPe=70.95 MPa，該值大于Pj=22.5 MPa，滿足穩(wěn)定性校核公式。

3.3 溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)的功能是控制取樣后裝置內(nèi)溫度為取樣深度的原位溫度。溫控系統(tǒng)制冷原理為熱電制冷，利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行控溫。圖9為制冷單元在裝置耐壓殼體外的上半球部分布置圖，上下半球共布置18套制冷單元(每套：TEC制冷片4片、散熱翅片1個(gè)、吸熱冷板1個(gè)、外殼1個(gè)、補(bǔ)償器1個(gè))，每個(gè)制冷單元4個(gè)制冷片串聯(lián)工作。圖10為制冷單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，外殼為導(dǎo)熱系數(shù)較高及防腐蝕性能較好的錫青銅材質(zhì)，殼體內(nèi)充滿22#抗磨液壓油，外殼上部裝配有滾動(dòng)膜片式壓力補(bǔ)償器。制冷片冷面連接銅質(zhì)吸熱冷板，銅質(zhì)吸熱冷板與裝置耐壓殼體做共形設(shè)計(jì)，使整個(gè)制冷單元與裝置外殼貼合；制冷片熱面連接散熱翅片，通過(guò)液壓油、錫青銅殼體向外界海水散熱。為防止制冷片冷熱端通過(guò)液壓油導(dǎo)熱導(dǎo)致效率極低，制冷片中間充滿環(huán)氧樹(shù)脂，并配隔熱板或PN結(jié)外涂水基陶瓷材料做隔熱。深海生物保溫保壓裝置的耐壓殼體內(nèi)外分布溫度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)內(nèi)外海水溫度，當(dāng)原位保溫保壓裝置開(kāi)始存儲(chǔ)樣品時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)的PLC通過(guò)采集溫度傳感器記錄的外界海水溫度作為溫控指標(biāo)，通過(guò)控制不同并聯(lián)制冷單元的通斷來(lái)控制耐壓殼體內(nèi)溫度。

圖9 制冷單元布置圖(上半球)

圖10 制冷單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.4 保壓系統(tǒng)

保壓系統(tǒng)主要由補(bǔ)壓系統(tǒng)和卸壓系統(tǒng)組成。補(bǔ)壓系統(tǒng)主要用于裝置采樣后上浮過(guò)程中補(bǔ)償耐壓殼體內(nèi)降低的壓力。主要是因?yàn)樯詈Ｉ锉乇貉b置采完樣并隨著潛水器上浮后，由于外界海水壓力逐漸降低，導(dǎo)致耐壓殼體向外擴(kuò)張，導(dǎo)致內(nèi)部壓力下降。補(bǔ)壓系統(tǒng)包括補(bǔ)壓罐、高壓氮?dú)馄?、充氣頭、放氣閥、活塞、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等部件，如圖11所示。卸壓系統(tǒng)主要用于裝置采樣后繼續(xù)隨著潛水器下潛過(guò)程中卸掉耐壓殼體收縮導(dǎo)致的內(nèi)部增大的壓力。卸壓系統(tǒng)主要由電磁溢流閥、儲(chǔ)水箱、手動(dòng)放水閥等部件組成，如圖12所示。

圖11 補(bǔ)壓系統(tǒng)

圖12 卸壓系統(tǒng)

整個(gè)保壓系統(tǒng)工作流程如圖13所示。樣品放入耐壓殼體后艙口蓋隨即關(guān)閉和鎖緊，艙口蓋關(guān)閉和鎖緊時(shí)觸發(fā)接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作，整個(gè)保壓系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)。補(bǔ)壓系統(tǒng)和卸壓系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置于耐壓殼體內(nèi)的壓力傳感器反饋的壓力數(shù)據(jù)而適時(shí)切換工作：當(dāng)潛水器采完樣繼續(xù)下潛時(shí)，外界水壓增大壓迫耐壓殼收縮，耐壓殼體內(nèi)壓力增大，超過(guò)采樣點(diǎn)壓力值，此時(shí)電磁溢流閥開(kāi)啟，耐壓殼體內(nèi)海水流入儲(chǔ)水箱直至耐壓殼體內(nèi)海水壓力降至采樣點(diǎn)壓力值，這個(gè)過(guò)程即是卸壓系統(tǒng)的工作流程；當(dāng)潛水器采完樣上浮時(shí)，外界水壓減小耐壓殼膨脹，耐壓殼體內(nèi)壓力降低，低于采樣點(diǎn)壓力值，此時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥工作，放氣閥開(kāi)啟，高壓氮?dú)鈱⒒钊覀?cè)的高壓海水壓入耐壓殼體內(nèi)，直至耐壓殼體內(nèi)的海水維持在采樣點(diǎn)海水壓力值，這個(gè)過(guò)程即是補(bǔ)壓系統(tǒng)的工作流程。

圖13 保壓系統(tǒng)工作流程圖

3.5 監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)深海生物原位保溫保壓裝置的功能需求，結(jié)合自身的設(shè)備狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)主要包含兩部分：操控臺(tái)和驅(qū)動(dòng)電子罐。操控臺(tái)放置于載人潛水器的載人艙內(nèi)或者放置在ROV的工作母船上，主要包括電源變壓模塊、監(jiān)控主機(jī)和操作面板；操控臺(tái)上設(shè)有所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作按鈕、參數(shù)顯示模塊以及液晶顯示屏，實(shí)現(xiàn)深海生物原位保溫保壓裝置的所有操作和狀態(tài)參數(shù)顯示；驅(qū)動(dòng)電子罐與深海生物保溫保壓裝置集成在一起，隨著裝置一起下潛，驅(qū)動(dòng)電子罐內(nèi)集成工業(yè)交換機(jī)、控制器、罐載安全傳感器、視頻服務(wù)器等。驅(qū)動(dòng)電子罐主要根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的傳感器反饋參數(shù)，完成裝置的艙口蓋啟閉與鎖緊動(dòng)作控制和保溫保壓過(guò)程中各閥的邏輯控制，監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖14所示。

圖14 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控系統(tǒng)的控制邏輯如下：深海生物原位保溫保壓裝置搭載于潛水器上，在隨潛水器下潛過(guò)程中連接在耐壓殼體上的通海平衡閥保持開(kāi)啟，保持內(nèi)外壓平衡。至預(yù)定作業(yè)深度，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)外部壓力傳感器的反饋數(shù)值，控制艙口蓋鎖緊電動(dòng)缸動(dòng)作，解鎖艙口蓋，之后控制艙口蓋啟閉電動(dòng)缸動(dòng)作，開(kāi)啟艙口蓋，ROV將采集的樣品從原位保溫保壓裝置的頂部放入耐壓殼體內(nèi)，艙口蓋隨即關(guān)閉和鎖緊，通海平衡閥關(guān)閉。艙口蓋啟閉與鎖緊接近開(kāi)關(guān)反饋該關(guān)閉狀態(tài)，并啟動(dòng)溫控系統(tǒng)開(kāi)始工作，將艙內(nèi)樣品保持在原位溫度區(qū)間。上浮過(guò)程中，由于內(nèi)外壓力差的不斷增大，艙內(nèi)原位壓力開(kāi)始降低，壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艙內(nèi)壓力數(shù)值，并控制保壓系統(tǒng)啟動(dòng)工作，打開(kāi)放氣閥，高壓氮?dú)馔苿?dòng)高壓海水流入艙內(nèi)完成補(bǔ)壓過(guò)程。下潛過(guò)程中，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到耐壓殼內(nèi)壓力升高時(shí)，控制泄壓系統(tǒng)啟動(dòng)工作，打開(kāi)電磁溢流閥，耐壓殼體內(nèi)部高壓海水流入儲(chǔ)水箱完成卸壓過(guò)程。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中提出了一種深海生物的原位保溫保壓裝置的設(shè)計(jì)研究方案，可通過(guò)載人潛水器或纜控潛器搭載并下潛至預(yù)定深度，進(jìn)行深海生物(包括微生物樣品、宏生物樣品)的取樣和存儲(chǔ)，并可對(duì)采集的各類(lèi)樣品進(jìn)行原位壓力和原位溫度的保持，從而保持了所采集樣品的原位物理、化學(xué)及生物學(xué)特性。根據(jù)該裝置的基本功能及工作模式，重點(diǎn)闡述了裝置各系統(tǒng)組成和特點(diǎn)，完成了主要部件的計(jì)算設(shè)計(jì)以及溫控系統(tǒng)、保壓系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)工作原理介紹。文中設(shè)計(jì)的深海生物原位保溫保壓裝置可應(yīng)用于深海生物及深海海底礦物質(zhì)的保真取樣，所研究?jī)?nèi)容對(duì)于提升深海生物原位研究以及深水作業(yè)能力拓展均具有重要的意義。