于彥江，張志剛，徐行，羅賢虎

（國(guó)土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州510760）

深海耐壓儀器艙的設(shè)計(jì)

于彥江，張志剛，徐行，羅賢虎

（國(guó)土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州510760）

結(jié)合海底地?zé)崃魈綔y(cè)設(shè)備工作環(huán)境的需要，介紹了深海耐壓儀器艙的設(shè)計(jì)過(guò)程，重點(diǎn)解決了耐壓、水密和防腐蝕三個(gè)問(wèn)題，并進(jìn)行了壓力試驗(yàn)和海上試驗(yàn)，能夠滿足4 000 m水深的使用要求。

耐壓儀器艙；水密性；外壓容器；設(shè)計(jì)

引言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源的需求量急劇增長(zhǎng)，隨著開(kāi)采的加劇，陸地礦產(chǎn)資源日益枯竭，海洋越來(lái)越成為人們關(guān)注的領(lǐng)域。隨著海洋技術(shù)的發(fā)展，海洋的勘探開(kāi)發(fā)等研究工作也逐漸從淺海走向深海。耐壓儀器艙是為電子電路、電源等儀器單元提供安裝空間的水密耐壓圓筒，廣泛應(yīng)用于海洋勘測(cè)開(kāi)發(fā)、科學(xué)研究以及水下武器裝備等海洋設(shè)備。本文以國(guó)家863計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域科研課題“天然氣水合物的熱流原位探測(cè)技術(shù)”研制設(shè)備中的技術(shù)分析為例，介紹了該設(shè)備的重要部件之一——耐壓儀器艙的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程，探討其需要解決的耐壓、水密和防腐蝕等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 耐壓儀器艙的設(shè)計(jì)

1.1 耐壓儀器艙的結(jié)構(gòu)組成

多道海底熱流原位探測(cè)設(shè)備包括三個(gè)耐壓儀器艙，每個(gè)耐壓儀器艙之間均通過(guò)水密插件和電纜相連，水密插件設(shè)計(jì)在耐壓儀器艙頂面或底面。將耐壓儀器艙設(shè)計(jì)為圓柱體，主要是基于圓柱體徑向耐壓性能高、軸向水下迎流阻力小、易加工制作等優(yōu)點(diǎn)考慮的[2]。耐壓儀器艙由一個(gè)圓筒、兩個(gè)端蓋以及端蓋上的水密接插件組成，每個(gè)端蓋和圓筒都用六個(gè)螺釘在圓周上均布連接，結(jié)合部位由O形圈進(jìn)行密封，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）上下端蓋都與外部相通，便于拆卸，方便內(nèi)部部件安裝、維修；（2）采用多分體式結(jié)構(gòu)，有利于加工制造；（3）端蓋使用雙道O形圈進(jìn)行密封，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封可靠；（4）上端蓋開(kāi)有排氣孔，便于打開(kāi)密封艙；裝有吊環(huán)，便于起吊、搬運(yùn)；配有Subconn水密接插件，能夠保證艙體內(nèi)外信息連通。

圖1 耐壓儀器艙殼體結(jié)構(gòu)

1.2 圓筒的耐壓設(shè)計(jì)

根據(jù)多道海底熱流原位探測(cè)設(shè)備最大工作水深4 000 m的使用要求，提出了耐壓儀器艙的設(shè)計(jì)要求：

（1）能承受的外部靜壓力不小于40 MPa，即設(shè)計(jì)壓力P=40 MPa；

（2）在0～30℃環(huán)境下能連續(xù)工作3 h以上，其中在海底停留時(shí)間約25 min；

（3）根據(jù)內(nèi)部安裝電源、電路控制板等零部件的需要，設(shè)計(jì)圓筒長(zhǎng)度為L(zhǎng)=575 mm，內(nèi)徑為Di=156 mm。

由于該圓筒承受外部壓力較大，所以圓筒設(shè)計(jì)壁厚較大，屬于厚壁圓筒，必須考慮強(qiáng)度失效與失穩(wěn)兩種情況，然后選擇兩者中的低值為許用外壓力。在文獻(xiàn)[1]中給出厚壁圓筒的計(jì)算許用外壓力[P]：

式中：D0為圓筒外直徑，mm；δe為圓筒的有效厚度，mm；B為系數(shù)，MPa；σ0為應(yīng)力，取以下兩值中的較小者：σ0=2[σ]t，σ0=0.9σst或0.9σ0.2t

建造潛水器的材料，一般是采用具有高比強(qiáng)度、高比剛度的金屬或非金屬材料，如高強(qiáng)度鋁合金、高強(qiáng)度船用鋼、鈦合金和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等[3]。制造海洋耐壓容器的三種常用材料的物理性能及力學(xué)性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 材料物理性能及力學(xué)性能對(duì)比

三種材料均能耐海水腐蝕（鋁合金6061經(jīng)過(guò)表面陽(yáng)極氧化處理后），因此，取腐蝕裕量C2=0；該厚壁圓筒需采用棒材加工而成，板材厚度負(fù)偏差C1=0，則厚度附加量C=C1+C2=0，所以圓筒的名義厚度δn=δe+C=δe，則由式（1）和（2）可以得到：

由于耐壓儀器艙單站位在海水中停留時(shí)間較短，而且為靜壓力，所以安全系數(shù)選為1.3能夠滿足生產(chǎn)要求，取σst=1.3B。由于安全系數(shù)小于2，2[σ]t＞0.9σst，取σ0=0.9σst，令[p]=p=40 MPa，代入式（3）分別求出三種材料所需壁厚：

表2 滿足設(shè)計(jì)要求的不同材料參數(shù)對(duì)比

由表1和表2可以看出，鋁合金6061與不銹鋼0Cr18Ni9和TC1相比主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）鋁合金6061的屈服強(qiáng)度介于0Cr18Ni9和TC1之間，所需壁厚處于中間值；（2）6061的密度只有0Cr18Ni9的三分之一，TC1的五分之三，圓筒重量及毛坯重量都較輕；（3）6061易加工制造，總的加工成本最低?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，圓筒材料選用進(jìn)口變形鋁合金6061。

1.3 端蓋的設(shè)計(jì)

兩端蓋同樣采用鋁合金6061材料?？紤]到端蓋要安裝接插件，所以端蓋總體上為平端蓋（圖1）。文獻(xiàn)[1]中平端蓋計(jì)算公式為：

式中：δp為平蓋計(jì)算厚度，mm；Dc為平蓋計(jì)算直徑，mm；K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，[σ]t=184 MPa；φ為焊接接頭系數(shù)，φ≤1。

該端蓋Dc=178 mm，φ=1，查文獻(xiàn)[1]表7-7可知K=0.25，計(jì)算得到δp=41.5 mm。考慮到端蓋上要開(kāi)排氣孔、接插件安裝孔，以及兩道徑向密封槽寬度，最終取端蓋厚度為δp=69 mm。

1.4 水密

水密是所有潛水設(shè)備需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，可靠的水密性能是潛水設(shè)備安全的保障。O形密封圈是密封中最常用的密封件，其優(yōu)點(diǎn)是[4-5]：（1）動(dòng)、靜密封兩用、密封性好、壽命長(zhǎng)；（2）體積小、重量輕、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝卸方便；(3)具有自動(dòng)雙向作用密封功能，其密封能力隨系統(tǒng)壓力的增大而提高；(4)適用范圍廣，靜密封100 MPa或更高，動(dòng)密封35 MPa；工作溫度-60～200℃；對(duì)溫度和壓力的適應(yīng)性好。

該耐壓儀器艙均為靜密封，主要包括徑向和軸向兩種密封方式。端蓋與圓筒間是徑向密封，采用雙道密封圈（圖1），確保密封的可靠性。端蓋上水密接插件和排氣孔堵頭均采用軸向端面密封。由于外壓的存在，密封圈會(huì)越壓越緊，密封性能會(huì)越來(lái)越好。

1.5 防腐蝕

為了克服鋁合金表面性能方面的缺點(diǎn)，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，延長(zhǎng)使用壽命，表面處理技術(shù)是非常重要的一環(huán)，用以解決或提高防護(hù)性、裝飾性和功能性三大方面的問(wèn)題[6]。

該耐壓儀器艙采用了陽(yáng)極氧化處理技術(shù)，即用鋁合金作陽(yáng)極，用鉛、碳或不銹鋼做陰極，在草酸、硫酸、鉻酸等的水溶液中電解。在鋁合金表面形成一種結(jié)晶細(xì)致、耐酸耐堿的Al2O3氧化膜，膜厚一般在5～15 μm[6]。該膜是由致密的阻礙層和柱狀結(jié)構(gòu)的多孔層組成的雙層結(jié)構(gòu)。該工藝方法簡(jiǎn)單、易維護(hù)、成本低，較好地解決了鋁合金耐海水腐蝕的問(wèn)題。

2 試驗(yàn)

2.1 壓力試驗(yàn)

深海耐壓儀器艙設(shè)計(jì)制作完成后，需要進(jìn)行壓力試驗(yàn)。由于該耐壓艙是用在深海，所以采用液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)液體選用水，檢驗(yàn)其耐壓能力的同時(shí)也便于觀察水密性能如何。根據(jù)文獻(xiàn)[1]外壓容器液壓試驗(yàn)公式：

壓力試驗(yàn)前，應(yīng)按下式校核圓筒應(yīng)力：

σT應(yīng)滿足液壓試驗(yàn)條件：σT≤0.9φσ（sσ0.2）

經(jīng)過(guò)計(jì)算，液壓試驗(yàn)壓力pT=50 MPa。壓力試驗(yàn)條件下，圓筒應(yīng)力：σT=194.6 MPa，滿足液壓試驗(yàn)條件：σT≤0.9φσs=248.4 MPa。

2008年3 月，在高壓試驗(yàn)罐中對(duì)耐壓儀器艙進(jìn)行了壓力試驗(yàn)（圖2）。在50 MPa壓力下保持2 h不泄壓，驗(yàn)證了耐壓儀器艙滿足壓力和水密要求。

2.2海上試驗(yàn)

圖2 耐壓儀器艙在高壓試驗(yàn)罐中

該“劍魚(yú)”多道海底熱流原位探測(cè)設(shè)備研制成功后，先后于2008年6月、2009年5月和8月三次搭乘廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局“海洋四號(hào)”科學(xué)考察船，應(yīng)用到南海中沙群島幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中（水深3 000～4 000 m），采集到了大量的海底表層沉積物溫度數(shù)據(jù)。成功應(yīng)用到海上生產(chǎn)中，表明了該設(shè)備的耐壓儀器艙在耐壓、水密、防腐蝕方面都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖3 “劍魚(yú)”多道海底熱流原位探測(cè)設(shè)備出水瞬間

3 結(jié)語(yǔ)

該儀器艙經(jīng)過(guò)耐壓試驗(yàn)和成功應(yīng)用到海上生產(chǎn)，可以看出設(shè)計(jì)制造的耐壓儀器艙具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）選用高強(qiáng)度鋁合金材料制造，不僅在強(qiáng)度上達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，而且質(zhì)量較輕，便于搬運(yùn)和安裝；

（2）端蓋和圓筒之間采用雙道密封圈徑向密封，接插件采用端面密封，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封可靠；

（3）耐壓艙表面進(jìn)行了陽(yáng)極氧化處理，生成的氧化膜具有很強(qiáng)的耐海水腐蝕能力；

（4）滿足內(nèi)部電子器件安裝要求，尺寸較小，加工成本最低；

（5）艙體端蓋水密接插件，可以保證內(nèi)外信息的傳遞；

（6）具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，可以推廣應(yīng)用到其他海洋設(shè)備上。

[1]GB 150—1998，鋼制壓力容器[S].

[2]陳永華，李思忍，龔德俊等.一種小型水密耐壓艙體的設(shè)計(jì)與制作[J].壓力容器，2007，24（9）：25-28.

[3]陸蓓，劉濤，崔維成.深海載人潛水器耐壓球殼極限強(qiáng)度研究[J].船舶力學(xué)，2004，8（1）：51-58.

[4]賈蘇書(shū).使用O型密封圈應(yīng)注意的問(wèn)題[J].煤炭技術(shù)，2006，25（8）：109-110.

[5]趙立新,丁筱玲,張亞民等.O形密封圈功能的充分發(fā)揮[J].排灌機(jī)械,2000,18(2)：32-35.

[6]余美瓊.鋁及鋁合金表面處理技術(shù)新進(jìn)展[J].化學(xué)工程與裝備，2008，（6）：84-88.

TH122

B

1003-2029（2010）02-0033-04

2010-03-12

國(guó)家“十一五”863計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域資助項(xiàng)目（2006AA09A203）

于彥江（1983-），男，碩士，主要研究方向?yàn)楹Ｑ罂辈煸O(shè)備設(shè)計(jì)與制造。E-mail：yuyanjiang2004@tom.com。