陳如木，邱金水，劉伯運

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院 武漢 430033)

深潛器耐壓殼體電纜填料函專用封堵夾具設(shè)計

陳如木，邱金水，劉伯運

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院 武漢 430033)

針對深潛器耐壓殼體電纜填料函漏水問題，設(shè)計填料函封堵夾具，為注劑式封堵作業(yè)提供專用夾具。根據(jù)電纜填料函結(jié)構(gòu)特點，確定專用封堵夾具外形及其基本尺寸；根據(jù)注劑膠流動特性，確定夾具注劑孔數(shù)量、布置位置及其形式；利用夾具尺寸計算經(jīng)驗公式計算夾具主體中圓筒、側(cè)端封板厚度、夾耳厚度和緊固螺栓最小直徑；利用Star-CCM軟件對所設(shè)計的專用夾具本體進(jìn)行受均布力時的強(qiáng)度校核，仿真結(jié)果表明，夾具的最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力，所設(shè)計夾具主體滿足強(qiáng)度要求。

電纜填料函；封堵夾具；夾具設(shè)計；強(qiáng)度校核

深潛器在大深海航行過程中，“漏水、漏油、漏氣”情況時有發(fā)生，特別值得注意的是貫穿耐壓艙壁的填料函漏水現(xiàn)象。填料函結(jié)構(gòu)中的填料及壓緊墊圈在長時間的海水腐蝕、外部環(huán)境變化等因素的影響下，會發(fā)生老化、變形，從而影響密封效果。海水通過密封填料與電纜之間的間隙泄漏至艙室內(nèi)部，如果填料函漏水問題得不到有效控制，將對深潛器的安全造成嚴(yán)重的威脅。

為此，結(jié)合電纜填料函結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計一套電纜填料函專用封堵夾具，在填料函泄漏部位裝上同一型號的專用夾具，夾具與填料函壓緊螺母形成新的密封空腔，以高于海水泄漏壓力的注劑力將密封膠注入密封空腔內(nèi)，密封膠迅速固化，從而建立新的密封結(jié)構(gòu)，達(dá)到封堵的目的。因此，電纜填料函專用封堵夾具設(shè)計是確保填料函封堵作業(yè)成功的關(guān)鍵，夾具的形式、尺寸是否合理直接決定了封堵的成敗。

1 電纜填料函夾具設(shè)計要求及作用

1.1 夾具設(shè)計要求

電纜填料函夾具的設(shè)計應(yīng)滿5項要求。

1)密封夾具應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和剛度。

2)夾具與泄漏部位之間必須有一個密閉的密封空腔，以保證其封閉性能。

3)夾具應(yīng)該是分體的(2塊以上)，以便于安裝。

4)夾具上應(yīng)帶有內(nèi)螺紋的注劑孔，孔的位置和數(shù)量以能將密封注膠注滿整個密封腔為宜。

5)夾具和泄漏部位的間隙以不外溢密封劑為原則，一般控制在0.5 mm以下。

1.2 夾具的作用

如圖1所示，電纜填料函夾具與壓緊螺母、電纜形成密封空腔。其主要作用是包容住注射到密封空腔的密封注劑，保證密封注劑的充填，維持注劑壓力的遞增，防止密封注劑外溢，使注射到夾具內(nèi)的密封注劑密實，產(chǎn)生足夠的密封比壓，止住泄漏。在安裝電纜填料函夾具時，將夾具左側(cè)端封板卡在壓緊螺母的螺母處，承受注劑槍所產(chǎn)生的強(qiáng)大注射壓力以及泄漏介質(zhì)壓力，不允許出現(xiàn)不利的變形和位移，這是新建立的密封結(jié)構(gòu)的剛度保證。

圖1 電纜填料函夾具工作原理示意

2 電纜填料函夾具設(shè)計

2.1 電纜填料函夾具外形設(shè)計

電纜填料函封堵夾具是安裝在壓緊螺母和電纜外表面構(gòu)成新的密封腔，提供強(qiáng)度和剛度的金屬構(gòu)件。根據(jù)深潛器電纜填料函結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計填料函專用夾具外形如圖2所示，該專用夾具為圓卡環(huán)、兩塊連接式，主要由夾具本體、耳板、注膠孔以及緊固螺栓構(gòu)成。

圖2 電纜填料函夾具三維結(jié)構(gòu)示意

2.2 電纜填料函夾具的材質(zhì)選擇

根據(jù)深潛器工作環(huán)境特點和材料的基本性能合理選擇制造夾具的材質(zhì)，電纜填料函夾具的直接堵漏介質(zhì)為具有腐蝕性及高壓的海水，為了防止泄漏介質(zhì)對夾具材質(zhì)產(chǎn)生腐蝕，選用耐高壓耐腐蝕的不銹鋼Q235-A作為夾具材質(zhì)。

2.3 夾具注膠孔的設(shè)置以及形式的選擇

為了把高壓注劑槍連接在電纜填料函夾具上，并通過高壓注劑槍把密封注劑注射到密封空腔內(nèi)，電纜填料函夾具上應(yīng)設(shè)有帶內(nèi)螺紋的注膠孔。因電纜填料函注劑式帶壓堵漏裝置所采用的密封膠具有良好的流動性，即使只對其中一個注膠孔進(jìn)行注膠，密封膠也能充滿整個密封艙室。因此，在電纜填料函夾具各半圓形卡環(huán)各設(shè)一個注膠孔(兼做排氣孔)，注膠孔布置于半圓形卡環(huán)的對稱中心處，該注膠孔的數(shù)量和分布即能順利地使密封注劑注滿整個密封腔，也能使夾具的加工更方便。電纜填料函專用夾具的注膠孔形式采用標(biāo)準(zhǔn)形，主要是因為電纜填料函泄漏環(huán)境為高壓低溫，而標(biāo)準(zhǔn)注膠孔適用于高壓低溫泄漏場合，且能有效防止密封膠的反退。夾具注膠孔布置見圖3。

圖3 夾具注膠孔布置示意

2.4 電纜填料函夾具基本尺寸的確定

如圖4所示，與壓緊螺母相連接的電纜填料函夾具側(cè)端封板稱為側(cè)端封板1，與電纜相連接的夾具側(cè)端封板稱為側(cè)端封板2。側(cè)端封板1內(nèi)徑根據(jù)壓緊螺母外徑確定，側(cè)端封板2內(nèi)徑根據(jù)穿艙電纜外徑確定，要求側(cè)端封板1與壓緊螺母、側(cè)端封板2與電纜之間要形成一定的吻合間隙。

圖4 專用夾具結(jié)構(gòu)示意

吻合間隙的控制：吻合間隙即為電纜填料函夾具側(cè)端封板1與壓緊螺母、側(cè)端封板2與電纜之間的吻合間隙，見表1：

表1 不同壓力下的允許吻合間隙

通過準(zhǔn)確測量壓緊螺母直徑及電纜直徑，確定側(cè)端封板1及側(cè)端封板2的內(nèi)徑以形成合理的吻合間隙，因電纜填料函發(fā)生泄漏時，最大泄漏系統(tǒng)壓力為3 MPa，故取R1=d1+0.3 mm，R2=d2+0.3 mm。

2.5 保證夾具強(qiáng)度的尺寸

夾具不僅要承受海水泄漏壓力，即要承受密封注劑的擠壓力，除了合適的材料外，夾具結(jié)構(gòu)還要有能夠保證夾具強(qiáng)度的尺寸。由于夾具形式的多樣性，強(qiáng)度尺寸的計算非常困難，本文采用經(jīng)驗計算公式對夾具圓筒厚度、測端封板厚度、耳板厚度和緊固螺栓最小直徑進(jìn)行計算。

2.5.1 夾具圓筒厚度

電纜填料函夾具圓筒可以選用GB150《鋼制壓力容器》所規(guī)定的壁厚計算公式(此公式的建立以材料力學(xué)與板殼薄膜理論為基礎(chǔ))，完成夾具圓筒厚度的設(shè)計。

(1)

式中:S——夾具圓筒厚度，mm；pc——夾具的設(shè)計壓力。一般取為系統(tǒng)壓力+5，MPa；

D——夾具本體內(nèi)徑，mm；

[σ]t——溫度作用下的許用應(yīng)力，MPa；

φ——焊接系數(shù)。雙面焊接：100%無損探傷φ=1；局部無損探傷φ=0.85；單面對接焊：100%無損探傷φ=0.9；局部無損探傷φ=0.8。

2.5.2 夾具側(cè)端封板厚度

由電纜填料函夾具三維結(jié)構(gòu)圖可知夾具側(cè)端封板為環(huán)形，其厚度參考GB150《鋼制壓力容器》平蓋公式演化：

(2)

式中：e——側(cè)端封板的厚度，mm；K——結(jié)構(gòu)系數(shù)，側(cè)板與夾具一體時，K=0.188，焊接成型時，K=0.440；

Di——這里取=壓緊螺母外徑(電纜外徑)+注膠腔高度，mm。

2.5.3 夾具耳板厚度

夾具耳板厚度按式(3)進(jìn)行計算。

(3)

式中：t——耳板最小厚度，mm；B——夾具注膠腔的寬度，mm；l——夾具外緣到耳板螺栓孔中心的距離，mm；

b——耳板寬度，mm。

2.5.4 夾具緊固螺栓直徑

夾具緊固螺栓的主要作用是連接兩對分式夾具，其直徑按式(4)進(jìn)行計算。

(4)

式中：r——螺栓最小直徑，mm；C——預(yù)緊力和剛度系數(shù)，取C=1.5；n——夾具連接螺栓個數(shù)。

2.6 各型號電纜填料函專用夾具尺寸計算

深潛器耐壓殼體上分布著大量的電纜填料函，且填料函規(guī)格也不盡相同，因此，其所對應(yīng)的封堵夾具尺寸必須根據(jù)填料函規(guī)格進(jìn)行計算。在式(1)中的夾具本體內(nèi)徑D是根據(jù)電纜填料函螺母蓋的直徑d所確定的，D的精度關(guān)系到電纜填料函夾具的密封效果和裝配應(yīng)力的大小，因此，D是夾具測繪設(shè)計時的關(guān)鍵尺寸。為方便夾具在填料函上的安裝，通常取D=d+10～20 mm。夾具圓筒及側(cè)端封板是由整張鋼板加工而成的，此時焊縫系數(shù)可取1。

取設(shè)計壓力pc=系統(tǒng)壓力+5 MPa。在實際的填料函堵漏操作過程中，夾具不僅要承受海水泄漏壓力，同時需承受注劑過程中密封注劑的擠壓力，因此，上述計算公式中的系統(tǒng)壓力取海水泄漏壓力和擠壓力中的最大值，才能保證夾具的強(qiáng)度和剛度要求。顯然，擠壓力遠(yuǎn)大于海水泄漏壓力，擠壓力近似為注劑槍的注射壓力，即為注劑式堵漏工具工作時液壓油泵的壓力(10 MPa)，故pc=15 MPa。

電纜填料函夾具所采用的材料為不銹鋼Q235-A，且工作環(huán)境為大深海中深潛器填料函處，溫度較低(<20 ℃)，查夾具材料的屈服強(qiáng)度σs=235 MPa，安全系數(shù)為ns=1.5，許用應(yīng)力[σ]t=σs/ns=157 MPa。

計算側(cè)端封板的厚度，因側(cè)板與夾具一體，取結(jié)構(gòu)系數(shù)K=0.188；為有較高的安全裕度和制造方便，夾具兩側(cè)端封板取相同厚度，且取兩者中的較厚者，Di=Ri+D/2,因D1

電纜填料函夾具耳板和緊固螺栓尺寸由式(3)和式(4)進(jìn)行計算，由于靠近壓緊螺母處電纜容易發(fā)生彎曲現(xiàn)象，故夾具注膠腔的寬度B不宜過大，否則會影響夾具側(cè)端封板與電纜的吻合度。為保證密封注劑注射到密封空腔后的密封效果，夾具注膠腔的寬度B也不宜過小。根據(jù)經(jīng)驗給出的推薦值，通常取B=D/2；其中l(wèi)為夾具外緣到耳板螺栓孔中心的距離，故l=B/2+e；耳板寬度b由夾具寬度所決定，b=(B+2e)/2；n為夾具連接螺栓個數(shù)，螺栓個數(shù)為1，取n=1。

表3為各型號電纜填料函夾具耳板厚度和緊固螺栓最小直徑計算表。根據(jù)表3所計算的緊固螺栓最小直徑選取符合要求的外六角螺栓規(guī)格，見表4。

由上述各計算表確定電纜填料函夾具的所有尺寸，當(dāng)耐壓殼體電纜填料函發(fā)生泄漏時，均能快速找到與其相適應(yīng)的專用夾具，進(jìn)行帶壓密封操作，達(dá)到快速堵漏的目的。

表2 各型號電纜填料函對應(yīng)夾具本體尺寸計算表

表3 各型號電纜填料函夾具耳板和緊固螺栓尺寸計算表

表4 緊固螺栓規(guī)格

2.7 對夾具本體進(jìn)行強(qiáng)度校核

1)利用UG建模軟件對上述10組型號的電纜填料函夾具進(jìn)行模型建立，將所建立的夾具模型導(dǎo)入Star-CCM仿真軟件，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置參數(shù)如下：材料選擇為Fe(Iron)，密度為7 870 kg/m3，楊氏模量2 07 GPa，泊松比為0.29。以第四組為例，對夾具圓筒和側(cè)端封板進(jìn)行受力仿真說明，第四組模型網(wǎng)格劃分示意于圖5。

圖5 模型網(wǎng)格劃分示意

2)對電纜填料函夾具圓筒和側(cè)端封板內(nèi)壁施加均布力，該力等于夾具設(shè)計壓力pc=15 MPa，完全固定夾具兩耳板，其他部位的邊界條件設(shè)為無約束，均布受力仿真效果見圖6。

圖6 均布受力效果

3)從圖6中可以看出，由于夾具兩耳板完全固定，耳板各部位應(yīng)力均為零；圓筒兩端和側(cè)端封板的中間部分應(yīng)力值均較小，而圓筒中間、注劑孔和圓筒與側(cè)端封板的交界處應(yīng)力值較大；夾具各部位沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生，應(yīng)力最大值在圓筒與側(cè)端封板的交界處，其值為95.895 5 MPa。

4)對其余各型號夾具進(jìn)行內(nèi)壁均布受力仿真分析，見圖4。仿真結(jié)果與第四組類似，夾具沒有應(yīng)力集中現(xiàn)象產(chǎn)生，應(yīng)力最大值在圓筒與側(cè)端封板的交界處。

圖7 夾具受力仿真結(jié)果分析

由圖7可知，各型號夾具最大應(yīng)力值均不大于夾具材質(zhì)的許用應(yīng)力，且都有較大的安全裕度。因此，由上述各公式所確定的電纜填料函夾具主體結(jié)構(gòu)基本尺寸滿足強(qiáng)度和剛度要求，夾具可應(yīng)用于電纜填料函堵漏操作。

3 結(jié)論

從夾具的選材、外形設(shè)計、基本尺寸確定、滿足強(qiáng)度尺寸計算等方面系統(tǒng)介紹深潛器耐壓殼體電纜填料函專用封堵夾具的設(shè)計過程。針對不同型號的電纜填料函均可根據(jù)本文計算方法快速設(shè)計、制造出合適的封堵夾具。當(dāng)深潛器耐壓殼體電纜填料函發(fā)生泄漏時，可快速安裝封堵夾具，利用注劑式帶壓堵漏工具進(jìn)行填料函堵漏操作，為深潛器提供合理有效的防護(hù)手段，從而保證了航行和作業(yè)任務(wù)的完成，具有重要的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，本文亦存在不足之處，由經(jīng)驗公式計算的結(jié)果過于保守，幾何尺寸偏大，封堵夾具具有較大的安全裕度，夾具重量增加；且深潛器空間狹小，由于夾具夾耳的存在，在夾具安裝過程中會遇到各種障礙。因此，下一步的重點在于尋求更合理的計算方法，即能保證安全強(qiáng)度，亦能減輕夾具重量；設(shè)計更合理的夾具結(jié)構(gòu)形式，既能保證強(qiáng)度，又能使其安裝更加方便。

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Design of the Sealing Fixture for Cable Gland of Submersible Pressure Hull

CHEN Ru-mu, QIU Jin-shui, LIU Bo-yun

(School of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

A special sealing fixtures for injecting plugging operations is designed to solve the clearance leakage of cable stuffing. The shape and basic dimensions of special sealing fixture is determined according to structural characteristics of the cable gland, as well as the number of the inject hole of fixture, layout position and the form of the fixture. The empirical formulae are used to calculate the size of the cylinder, the thickness of closure plate and clip ear, the minimum diameter of fastening bolts. The Star-CCM software is applied to check the strength of the special fixtures, the simulation results show that the designed fixtures can meet the strength requirements.

cable stuffing; sealing fixtures; design of fixtures; strength assessment

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.038

2015-03-10

陳如木(1990-)，男，碩士生

U674.76;U663.1

A

1671-7953(2015)06-0164-05

修回日期：2015-06-12

研究方向:艦艇安全技術(shù)

E-mail: 752252249@qq.com