張文良

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

Argo浮標(biāo)自動穩(wěn)壓泵站

張文良

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

Argo浮標(biāo)是靠浮標(biāo)體底部一個可改變體積的盛油皮囊，使其獲得不同的凈浮力來實(shí)現(xiàn)下潛、上升和深度控制。盛油皮囊的膨脹和收縮又是通過液壓柱塞泵向盛油皮囊內(nèi)注入或抽出液壓油來實(shí)現(xiàn)的，以液壓柱塞泵為主的浮標(biāo)注油系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況關(guān)系到整個Argo浮標(biāo)的性能。因此，為了提高Argo浮標(biāo)的工作可靠性，在Argo浮標(biāo)的生產(chǎn)制作及其檢測過程中，需要逐一檢驗(yàn)浮標(biāo)注油系統(tǒng)的長期工作性能，觀察液壓柱塞泵控制電路的電流變化情況，及其相應(yīng)的盛油皮囊體積變化狀況。介紹一種能夠模擬Argo浮標(biāo)水下壓力環(huán)境的試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)裝置能夠在Argo浮標(biāo)皮囊體積變化時，始終保持皮囊外界壓力不變，同時又能夠觀察浮標(biāo)內(nèi)部工作狀況。

Argo浮標(biāo)；穩(wěn)壓；皮囊

Argo浮標(biāo)是在海洋中一定深度處跟隨海流漂移，并且定期自動控制、完成垂直升沉運(yùn)動，在海表面通過衛(wèi)星系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)和定位，從而實(shí)現(xiàn)溫鹽深等海洋參數(shù)剖面測量和海流測量的探測設(shè)備。

Argo浮標(biāo)布放后，自動潛入預(yù)定深度，隨海流保持中性自由漂浮，到達(dá)預(yù)定時間，柱塞泵向盛油皮囊內(nèi)注油，使盛油皮囊膨脹，浮標(biāo)的整體體積和浮力增大并上浮，在浮標(biāo)的上浮過程中CTD測量傳感器不斷測量海水的溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)。當(dāng)浮標(biāo)到達(dá)海面后，由衛(wèi)星發(fā)射機(jī)通過天線將采集的測量數(shù)據(jù)傳送給用戶。當(dāng)完成測量數(shù)據(jù)傳送后，Argo浮標(biāo)又自動下沉并開始下一個自動循環(huán)探測過程。Argo浮標(biāo)要在海中反復(fù)進(jìn)行下沉、上浮的自動循環(huán)探測過程，可連續(xù)工作2 a以上。

剖面探測浮標(biāo)是靠浮標(biāo)體底部一個可改變體積的盛油皮囊，使其獲得不同的凈浮力來實(shí)現(xiàn)下潛、上升和深度控制。盛油皮囊的膨脹和收縮又是通過液壓柱塞泵向盛油皮囊內(nèi)注入或抽出液壓油來實(shí)現(xiàn)的，以液壓柱塞泵為主的浮標(biāo)注油系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況關(guān)系到整個剖面探測浮標(biāo)的性能。因此，為了提高Argo浮標(biāo)的工作可靠性，在Argo浮標(biāo)的制作及其檢測過程中，需要逐一檢驗(yàn)浮標(biāo)注油系統(tǒng)的長期工作性能，觀察液壓柱塞泵控制電路的電流變化情況，及其相應(yīng)的盛油皮囊體積變化狀況。剖面探測浮標(biāo)工作在海水中，觀察浮標(biāo)盛油皮囊體積變化狀況，需要在水壓條件下試驗(yàn)浮標(biāo)皮囊膨脹和收縮的體積變化[1]。

1 Argo浮標(biāo)自動穩(wěn)壓泵站設(shè)計

1.1 自動穩(wěn)壓泵站的組成

自動穩(wěn)壓泵站是Argo浮標(biāo)生產(chǎn)制作過程中必不可少的測試裝置。Argo浮標(biāo)盛油皮囊放置在試驗(yàn)壓力罐內(nèi)，通過自動穩(wěn)壓系統(tǒng)使得在盛油皮囊體積變化過程中，皮囊外界水壓始終保持不變。

自動穩(wěn)壓泵站由高壓泵、油水分離平衡室、Argo浮標(biāo)、水管、試驗(yàn)壓力罐、儲能器、溢流閥、油管、油箱等組成。系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 自動穩(wěn)壓泵站的系統(tǒng)示意圖

1.2 自動穩(wěn)壓泵站的作用

Argo浮標(biāo)在水下膨脹皮囊，由于海洋的巨大，周圍環(huán)境的壓力是不變的，而實(shí)驗(yàn)室壓力罐中的體積較小，隨著皮囊的鼓脹，周圍壓力會急劇升高，給Argo浮標(biāo)帶來危險。但Argo浮標(biāo)在制作過程必須對其工作環(huán)境下 （主要是壓力環(huán)境）的工作狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)，防止因注油系統(tǒng)的瑕疵造成浮標(biāo)上升和下潛故障。為了檢驗(yàn)Argo浮標(biāo)注油系統(tǒng)在工作壓力下的長期工作性能，需要有一個能夠在皮囊體積變化時，始終保持皮囊外界壓力不變，同時又能夠觀察浮標(biāo)內(nèi)部工作情況的試驗(yàn)設(shè)備。自動保壓泵站可將浮標(biāo)盛油皮囊密封在壓力試驗(yàn)罐內(nèi)，使皮囊的外界水壓在皮囊體積變化時始終保持不變，為Argo浮標(biāo)的試驗(yàn)和檢測提供符合工作狀態(tài)的水下壓力環(huán)境條件。

另外，浮標(biāo)在注油過程中，大量的空氣混同油一起進(jìn)入液壓系統(tǒng)，這些空氣必須排放干凈，否則在壓力下混在油內(nèi)的氣體占據(jù)油的空間，而氣體在不同壓力下呈現(xiàn)不同的體積，使浮標(biāo)下沉深度不確定。自動保壓泵站能夠在注油過程中在皮囊周圍建立壓力環(huán)境，有助于油路系統(tǒng)的空氣排干凈[1]。

1.3 自動穩(wěn)壓設(shè)計

試驗(yàn)壓力罐為密封盛水的可控壓力試驗(yàn)罐，試驗(yàn)時浮標(biāo)盛油皮囊密封在壓力試驗(yàn)罐內(nèi)。試驗(yàn)壓力罐與自動穩(wěn)壓系統(tǒng)由管路連通。

自動穩(wěn)壓系統(tǒng)包括蓄能器、溢流閥、油水分離動平衡室、高壓泵。高壓泵通過溢流閥連接蓄能器，蓄能器通過油管連通油水分離動平衡室，油水分離動平衡室通過水管連通試驗(yàn)壓力罐。

高壓泵與油箱連接，負(fù)責(zé)將油箱內(nèi)的油通過溢流閥和蓄能器壓入油水分離動平衡室的油腔。

油水分離動平衡室包括兩個密封腔室，分別盛有水和油，兩個密封腔室中間由密封活塞相隔。油水分離動平衡室的水腔與試驗(yàn)壓力罐內(nèi)部連通，油腔與蓄能器相通。

蓄能器為鋼制耐壓罐體，內(nèi)部有一皮囊，皮囊內(nèi)充有一定量的氮?dú)?。自動穩(wěn)壓系統(tǒng)內(nèi)沒有壓力時，氮?dú)馄つ页錆M蓄能器，一旦系統(tǒng)內(nèi)形成壓力，氮?dú)馄つ冶粔嚎s，油充進(jìn)蓄能器，外界壓力消失后，氮?dú)馄つ遗蛎?，油被排出蓄能器。蓄能器的作用是增加保壓系統(tǒng)內(nèi)高壓油量[1]。

溢流閥的作用是將高壓泵壓入的部分過量油溢流出，防止系統(tǒng)由于泵啟動壓力過沖。

2 Argo浮標(biāo)自動穩(wěn)壓泵站的應(yīng)用

應(yīng)用Argo浮標(biāo)自動穩(wěn)壓泵站進(jìn)行浮標(biāo)試驗(yàn)和檢測時，浮標(biāo)底端密封在試驗(yàn)壓力罐腔體內(nèi)，盛油皮囊置于試驗(yàn)壓力罐的水中。試驗(yàn)壓力罐內(nèi)的水壓，即盛油皮囊外部的水壓，可以根據(jù)需要試驗(yàn)的水下深度進(jìn)行設(shè)定，以便提供不同深度的水壓環(huán)境進(jìn)行盛油皮囊體積變化試驗(yàn)。

高壓泵通過溢流閥、蓄能器將高壓油打入油水分離動平衡室的油腔中，高壓油推動密封腔室之間的密封活塞，使水腔體積縮小和壓力升高。油水分離動平衡室的水腔與試驗(yàn)壓力罐內(nèi)部連通，隨著水腔壓力升高，試驗(yàn)壓力罐內(nèi)的水壓也增加，試驗(yàn)壓力罐內(nèi)的水壓達(dá)到設(shè)定值并與油水分離動平衡室的水腔和油腔壓力平衡。

當(dāng)盛油皮囊體積增大時，試驗(yàn)壓力罐內(nèi)的水壓傳遞到油水分離動平衡室水腔中，水腔中水壓增大，推動密封活塞壓縮油腔內(nèi)的油，油壓升高，油被推進(jìn)蓄能器，通過氮?dú)鈮嚎s緩沖后，多余的油被溢流閥溢流。在試驗(yàn)壓力罐內(nèi)，盛油皮囊體積增大而欲增大的水壓，通過溢流閥油的溢流出而消減，保持試驗(yàn)壓力罐內(nèi)的水壓不變。

當(dāng)盛油皮囊體積縮小時，油水分離動平衡室水腔的水壓減小，較高的油壓推動密封活塞壓縮水腔內(nèi)的水，水壓升高。油腔的油被蓄能器的油補(bǔ)充，而蓄能器的油又被高壓泵通過溢流閥源源不斷地補(bǔ)充，保持整個系統(tǒng)的動態(tài)平衡。在試驗(yàn)壓力罐內(nèi)，盛油皮囊體積縮小而欲縮小的水壓，通過溢流閥油的補(bǔ)充，保持試驗(yàn)壓力罐內(nèi)的水壓不變。

Argo浮標(biāo)自動保壓泵站的另一個重要用途是在柱塞泵注油時，在盛油皮囊周圍建立壓力環(huán)境，這樣有助于在浮標(biāo)盛油皮囊注油時將油路系統(tǒng)的空氣擠壓干凈，避免體積隨壓力變化的氣體進(jìn)入液壓系統(tǒng)而造成浮標(biāo)不能達(dá)到預(yù)定深度。

3 結(jié)語

Argo浮標(biāo)自動保壓泵站，通過自動穩(wěn)壓系統(tǒng)使試驗(yàn)壓力罐內(nèi)浮標(biāo)盛油皮囊的外界水壓在皮囊體積變化時始終保持不變，為Argo浮標(biāo)的試驗(yàn)和檢測提供符合海洋使用現(xiàn)場的水下壓力環(huán)境條件，對Argo浮標(biāo)的研究和提高Argo浮標(biāo)長期工作的可靠性有很大幫助，是在Argo浮標(biāo)制作過程中必不可少的設(shè)備。

[1]張文良，張少永，等.剖面浮標(biāo)自動保壓泵站：中國，ZL 2009 2 0096060.2[P].2010-2-17.

[2]張康達(dá)，洪起超.壓力容器手冊[Z]，北京：勞動人事出版社,1987.

[3]李景辰.壓力容器基礎(chǔ)知識[M].北京：勞動人事出版社，1986.

Automatic Stable Pressure Pump for Argo Float

ZHANG Wen-liang
（National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China）

The Argo float controls its buoyancy with a changeable volume oil bladder to realize the descending,ascending or hovering at a constant depth in the ocean.The float inflates or deflates the oil bladder by changing oil volume with an plunger pump.The operating conditions of the precision hydraulic system could influence the performance of the Argo float.Therefore,in order to improve the working reliability of the float,it need to test the long term performance of the hydraulic system in the production and test process one by one,meanwhile,the change of the current of the board that controls the hydraulic system and the adjustment of oil bladder volume should be observed.The test equipment simulating underwater pressure environment of the float is described,which could always maintain the same pressure outside bladder and observe the condition of the float when the bladder volume changes.

Argo float;stable pressure;bladder

P715.2

B

1003-2029（2011）03-0032-03

2011-04-26

國家863高科技研究發(fā)展計劃資助項(xiàng)目——自持式剖面探測漂流浮標(biāo)（2006AA09A306）。

張文良（1964～），男，高級工程師；研究方向：海洋觀測技術(shù)。