李德威　丁忠軍　任玉剛　宿曉峰　李寶鋼　楊　雷

1.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱，150000 2.國家深?；毓芾碇行模鄭u，266000

0　引言

南海周邊陸地油氣勘探開始于20世紀(jì)初，截至目前，已在南海發(fā)現(xiàn)油氣田數(shù)百個(gè)，儲存上百億噸油當(dāng)量，已探明和開采中的油氣田主要是在淺水區(qū)。深水區(qū)和超深水區(qū)的油氣勘探工作尚處于普查和區(qū)域勘探階段［1］。

吸力式桶形基礎(chǔ)是深水油氣開發(fā)生產(chǎn)中重要的基礎(chǔ)型式之一。目前在國外該設(shè)備的制造技術(shù)已經(jīng)成熟，如荷蘭海上工程承包商——SPT近岸公司和挪威大地構(gòu)造研究所NGI，已經(jīng)將桶形基礎(chǔ)安裝的全套設(shè)備形成產(chǎn)品，可完成從淺水到深水（水深100～3 000 m）的海洋勘探工程。

我國的桶形基礎(chǔ)僅能安裝在200 m水深以內(nèi)，形式主要有兩種：一種是從水面引高壓油管至水下，為水泵的油馬達(dá)和水泵接口鎖緊機(jī)構(gòu)提供動力；另一種是從水面分別引電纜和液壓管至水下，電纜為水下電泵提供電力，液壓管為泵接口鎖緊機(jī)構(gòu)提供動力［2］。而我國深水吸力基礎(chǔ)安裝還處于起步階段，迫切需要開展相關(guān)研究，解決吸力式桶形基礎(chǔ)深海安裝的結(jié)構(gòu)、密封、控制等方面的問題。基于此，筆者設(shè)計(jì)研制了深海桶形基礎(chǔ)安裝設(shè)備，并對設(shè)備實(shí)物進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析。

本文的研究目的在于：在保證耐壓度、工作效率和安全性的基礎(chǔ)上，將深海桶形基礎(chǔ)安裝設(shè)備的工作深度由200 m提高到1 500 m。

1　設(shè)備結(jié)構(gòu)

深海桶形基礎(chǔ)是一個(gè)開放底面型式的圓柱體，水下安裝分兩個(gè)階段完成：第一階段桶體通過自身重量或壓載貫入地基一定深度，第二階段桶體內(nèi)達(dá)到密封條件后，通過水泵或真空泵抽取桶體頂部和土層之間的海水或空氣，使桶體內(nèi)壓力低于桶外壓力。在此負(fù)壓和自重及加載重量的共同作用下，桶形基礎(chǔ)被沉貫安裝至預(yù)定深度。該方法在黏土中的效率一般較低，而在均勻柔軟土壤或是干凈砂子的深水環(huán)境中效率較高。

筆者設(shè)計(jì)的深海桶形基礎(chǔ)安裝設(shè)備主要由深海電機(jī)、水泵、壓力補(bǔ)償器、耐壓電子艙、深海電池及水密接插件等組成，其試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。通過對陸上電機(jī)及其控制器進(jìn)行適應(yīng)性改造，可以保證試驗(yàn)樣機(jī)在深水高壓下的密封性、可靠性，從而實(shí)現(xiàn)深海水泵功能，并可對工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。

圖1　深海桶形基礎(chǔ)安裝試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Prototype structure of deep-sea bucket foundation

1.1　深海電機(jī)的選擇

一般來講，深海水下電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式共有三種：封閉承壓式、液體填充式和直浸式［3-4］。綜合考慮電機(jī)的體積、質(zhì)量、壓力補(bǔ)償、密封方式以及成本，使用的外置補(bǔ)償器選擇填充絕緣性較好的電容器油。用油液進(jìn)行壓力補(bǔ)償傳遞，是目前深海電機(jī)普遍采用的方法。

選擇最大揚(yáng)程h=30 m，最大流量qV=33 L/min，最大吸程為8 m的自吸泵，根據(jù)下式計(jì)算該水泵所需的電機(jī)功率：

式中，ρ為試驗(yàn)用淡水密度，1 000 kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；ηpump取0.8。

由于普通有刷電機(jī)換向時(shí)產(chǎn)生的火花會碳化補(bǔ)償油，造成電機(jī)轉(zhuǎn)子短路，損壞電機(jī)，難以應(yīng)用在深海電機(jī)中，因此本試驗(yàn)樣機(jī)使用直流無刷電機(jī)，其剖面結(jié)構(gòu)見圖2?？紤]充油環(huán)境下的功率損失，選取電機(jī)參數(shù)：功率366 W，直流電壓48 V，額定轉(zhuǎn)矩1.4 N·m，額定電流10 A，額定轉(zhuǎn)速2 500 r/min，輸出軸半徑r=7.5 mm，轉(zhuǎn)速無級可調(diào)。電機(jī)安裝筒體設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)電機(jī)尺寸，充分考慮了電機(jī)在密封筒體內(nèi)的安裝、固定、筒體密封以及傳動軸加長、軸承安裝等工藝，確定電機(jī)筒體內(nèi)徑為126 mm，外徑為173 mm，長度為390 mm，并在筒體一端145 mm處增設(shè)凸圓平臺。在以凸圓平臺圓心為圓心，直徑為136 mm的圓上均勻鉆8個(gè)φ5 mm的孔以安裝電機(jī)。考慮到電機(jī)旋轉(zhuǎn)密封圈的最大線速度v=1 m/s，為保證密封良好，應(yīng)滿足下式：

即通過控制器將電機(jī)最大轉(zhuǎn)速nev控制在1 274 r/min。

圖2　深海電機(jī)剖面圖Fig.2　The profile image of deep sea motor

1.2　端蓋設(shè)計(jì)

電機(jī)在水下工作時(shí)的密封問題主要有靜態(tài)密封和電機(jī)輸出軸的旋轉(zhuǎn)密封兩種。靜態(tài)密封選用O形圈密封，通過在端蓋設(shè)置兩道徑向溝槽實(shí)現(xiàn)密封；對于旋轉(zhuǎn)密封，高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)軸如采用O形圈密封方式會導(dǎo)致密封圈磨損、發(fā)熱進(jìn)而出現(xiàn)漏水。本文選用W形密封環(huán)和一個(gè)O形圈組合的方式進(jìn)行密封［5］。O形圈使用耐油耐海水的氟橡膠，電機(jī)輸出軸直徑為15 mm，選擇的W形旋轉(zhuǎn)組合密封的尺寸為15 mm×19.9 mm×2.2 mm，材料采用PTFE+碳纖維+氟橡膠，此種材料可有效提高密封圈的耐磨性［6］。

圖3　旋轉(zhuǎn)組合密封安裝蓋Fig.3　Installation cover of rotary combination seal

直流無刷電機(jī)工作時(shí)需連接一根3芯的相位線，一根5芯的霍爾信號檢測線，電機(jī)驅(qū)動器通過檢測霍爾信號判斷U、V、W三相的相位，調(diào)整PWM輸出信號，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)驅(qū)動、信號采集和控制的目的，因此，采用端蓋結(jié)構(gòu)見圖4端蓋結(jié)構(gòu)：電機(jī)輸出軸側(cè)，設(shè)置孔徑為15.3 mm的直管螺紋孔，用于電機(jī)輸出軸安裝；控制器連接側(cè)，根據(jù)Subconn樣本選擇3芯的大電流插座BHB3M，每芯電流25 A，電壓600 V；5芯的標(biāo)準(zhǔn)圓形公頭插座BH5M，每芯電流6 A，電壓600 V，孔徑分別為15.875 mm、11.113 mm，用于與驅(qū)動器的三相電源和霍爾信號插座連接；另設(shè)置孔徑為13.157 mm的直管螺紋孔，用于安裝外置油液補(bǔ)償器。

圖4　端蓋結(jié)構(gòu)Fig.4　Structure of the end cap

1.3　外置補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)正常工作，除需解決電機(jī)的動靜態(tài)密封問題外，還需解決密封電機(jī)筒的油液壓力補(bǔ)償問題［7］，補(bǔ)償器工作容積滿足的條件為

式中，VB為補(bǔ)償器工作容積，m3；ΔVY(Y)為隨壓力變化而產(chǎn)生的純工作液體的體積變化量，m3；β為相對體積壓縮系數(shù)；VY為液體系統(tǒng)的體積，m3；pJ為靜水壓力，MPa；a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，對礦物油，a=6.13×10-4，b=1.115×10-6；ΔVY(W)為隨溫度變化而產(chǎn)生的純工作液體的體積變化，m3；α為體積膨脹溫度系數(shù)，對一般油，α=5.8×10-4～9.5×10-4；Δt為溫度變化量，℃；ΔVQ(Y)為隨壓力變化而產(chǎn)生的氣體體積變化量，m3，當(dāng)下潛深度很大時(shí),ΔVQ(Y)=0；ΔVQ(W)為隨溫度變化而產(chǎn)生的氣體體積變化，m3；KX為氣液系數(shù)，一般取3%～6%；ΔVL為48 h內(nèi)液體系統(tǒng)的泄漏量，m3；ΔVG為系統(tǒng)工作時(shí)所需補(bǔ)償?shù)捏w積，m3；ΔVBG為隨壓力與溫度變化而產(chǎn)生的補(bǔ)償器工作容積的變化量，m3。

補(bǔ)償器與液體系統(tǒng)中油液為均勻液體條件下：

其中，C為補(bǔ)償體積變化系數(shù)，C=∑ΔV/VY；∑ΔV為系統(tǒng)中被補(bǔ)償?shù)墓ぷ饕后w的體積，且

因此，補(bǔ)償器工作容積的最終表達(dá)式為

在本設(shè)計(jì)中，電機(jī)圓筒內(nèi)徑R=126 mm，長度L=390 mm，容積VY=0.004 86 m3。

根據(jù)式（5）可得β=0.000 72，將β、VY代入式（4），可得補(bǔ)償器隨壓力變化產(chǎn)生的ΔVY(Y)=0.000 21 m3。

假設(shè)電機(jī)筒在甲板時(shí)溫度為22℃，水下溫度為2℃，溫差Δt=20℃，根據(jù)式（6），可得出補(bǔ)償器隨溫度變化而產(chǎn)生的ΔVY(W)=0.000 087 48 m3。根據(jù)式（7），可得出補(bǔ)償器隨溫度變化而產(chǎn)生的氣體體積變化值ΔVQ(W)=0.000 243 m3。

假設(shè)該電機(jī)筒設(shè)計(jì)良好，在水下無泄漏，ΔVL=0，系統(tǒng)工作時(shí)不需要補(bǔ)償體積，ΔVG=0，可得出該電機(jī)筒在水下1 500 m深度工作時(shí)被補(bǔ)償?shù)墓ぷ饕后w體積∑ΔV=0.000 540 48 m3。

計(jì)算求得所需補(bǔ)償器的工作容積為6.08×10-4m3。由此可以確定電機(jī)筒體積為4.86 L，補(bǔ)償器體積為0.7 L，補(bǔ)償量約占原體積的15%，符合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值。選擇1.6L*144-A型橡膠皮囊，在充分考慮注油、連接、排氣的情況下，設(shè)計(jì)能夠保護(hù)該皮囊的外殼。補(bǔ)償器底部共設(shè)有3個(gè)G1/4的快插孔，左右2個(gè)分別用于連接手動液壓源、電機(jī)安裝筒，頂部用于在注油過程中排氣。注油完成后拆除手動液壓源一側(cè)的快插頭，緊固頂部排氣口。具體結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5　外置補(bǔ)償器Fig.5　External compensator

1.4　耐壓電子艙設(shè)計(jì)

深海耐壓電子艙可使用鈦合金和鋁合金。鈦合金對點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力較強(qiáng)，低溫下，仍然能保持其力學(xué)性能，但其導(dǎo)熱性能不良，剛性差，易變形，加工難度大，綜合成本較高。鋁合金有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性，低溫時(shí)，強(qiáng)度增大無脆性，是良好的低溫裝置材料，同時(shí)由于其良好的塑性和成形加工性能，價(jià)格也比鈦合金低很多，因此，耐壓電子艙材料選用冷處理鍛壓7075-T 651鋁合金。其物理特性及機(jī)械性能為：抗拉強(qiáng)度550 MPa，屈服強(qiáng)度524 MPa，延伸率11%，彈性模量71 GPa，硬度150 HB，密度2 810 kg/m3，泊松比0.3。為提高抗腐蝕性，加工完成后的電子艙及其端蓋使用表面陽極氧化發(fā)黑處理。

對于水下耐壓結(jié)構(gòu)，各國規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)都不同，我國潛水器設(shè)計(jì)規(guī)范與美國（ABS）規(guī)范規(guī)定的計(jì)算壓力取工作壓力的1.5倍［8］。本設(shè)計(jì)中耐壓殼體工作深度為1 500 m，設(shè)計(jì)計(jì)算深度為6 000 m，安全系數(shù)為4，滿足要求。首先對該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的厚度進(jìn)行估算，采用圓柱形殼體及從簡單薄膜理論得到的幾何尺寸和殼板厚度［9］，殼板厚度由以下公式計(jì)算：

式中，pc為設(shè)計(jì)計(jì)算壓力；R為圓柱平均半徑；σs為材料屈服強(qiáng)度，β1為減縮系數(shù)，無肋骨情況下，取1。

根據(jù)圓筒內(nèi)放置的驅(qū)動器的尺寸，確定圓筒內(nèi)徑為106 mm，長度為230 mm，根據(jù)式（11）可求得殼體的初始厚度為12 mm。為保證安全工作，此處取圓桶厚度S=15 mm，圓筒中徑D=121 mm。

設(shè)長圓筒與短圓筒的臨界長度為Lk，由于Lk=1.17D，可求得Lk為402 mm，大于設(shè)計(jì)長度230 mm，可以按照短圓桶公式驗(yàn)證設(shè)計(jì)厚度。由于S/D≥0.04，該壓力筒體已經(jīng)成為剛性圓筒，其破壞是由于圓筒壁的壓縮應(yīng)力超過材料設(shè)計(jì)溫度下的屈服基線，不存在穩(wěn)定性問題，根據(jù)強(qiáng)度校核公式可計(jì)算得出結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為1.08，滿足設(shè)計(jì)的要求。

1.5　桶形基礎(chǔ)的桶體設(shè)計(jì)

桶體采用304不銹鋼材料制作，桶體高度為65 cm，直徑為40 cm。上端封閉平面留有出水口和傾角儀安裝支架，桶體側(cè)面設(shè)計(jì)有位移傳感器安裝槽。

經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的深海桶形基礎(chǔ)安裝結(jié)構(gòu)的密封性能、耐壓性能均符合深海壓力情況下的作業(yè)要求。結(jié)構(gòu)實(shí)物見圖6。

圖6　樣機(jī)裝配圖Fig.6　Assembly drawing of prototype

2　模擬水下工作

2.1　試驗(yàn)環(huán)境

根據(jù)我國南海海底表層沉積物主要以粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂為主，其中細(xì)砂含量較高、粗砂含量相對較低的特點(diǎn)，本項(xiàng)目選用青島石老人海水浴場近海砂質(zhì)作為模擬海底土壤成分。

2.2　試驗(yàn)情況分析及改進(jìn)

陸上試驗(yàn)主要調(diào)試各設(shè)備的功能及整個(gè)系統(tǒng)的工作情況，以便于查漏補(bǔ)缺，及時(shí)改進(jìn)研制過程中的不足。本課題陸上試驗(yàn)工作嚴(yán)格按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行調(diào)試，使各設(shè)備完全可以在水下工作。

首先準(zhǔn)備一個(gè)如圖7所示的大塑料桶，作為海水環(huán)境的模擬；然后，將設(shè)備放入塑料桶內(nèi)后開始注水，作為水下環(huán)境的模擬（圖8）；最后，開啟設(shè)備將桶內(nèi)的水排干。

圖7　試驗(yàn)水桶Fig.7　Experimental bucket

圖8　樣機(jī)排水Fig.8　Drainage process of prototype

3　壓力試驗(yàn)

通過壓力筒等試驗(yàn)設(shè)備，在常溫常壓環(huán)境中模擬1 500 m深海壓力，對桶形基礎(chǔ)安裝測試樣機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.1　試驗(yàn)原理

監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集原理見圖9：外部為一個(gè)可承壓15 MPa的壓力筒（916壓力筒）［10］，筒內(nèi)壁上固定有深海攝像機(jī)以觀察桶內(nèi)情況，壓力筒底部鋪滿沙子來模擬海底環(huán)境。桶形基礎(chǔ)設(shè)備放在壓力筒內(nèi)部，桶形基礎(chǔ)上連接有姿態(tài)傳感器、深海位移傳感器，分別用于監(jiān)測桶形基礎(chǔ)下沉?xí)r的傾角姿態(tài)和沉降深度。筒內(nèi)部連接有壓力傳感器以對壓力值進(jìn)行檢測。上述的壓力傳感器、姿態(tài)傳感器、深海位移傳感器以及深海攝像機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊相連，數(shù)據(jù)采集模塊與控制計(jì)算機(jī)相連，可以實(shí)時(shí)對桶內(nèi)的壓力進(jìn)行檢測，并通過外部加壓設(shè)施保證桶內(nèi)壓力保持設(shè)定的值。同時(shí)，姿態(tài)傳感器、深海位移傳感器測量的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集模塊傳遞給控制計(jì)算機(jī)，為后續(xù)數(shù)據(jù)的處理提供保證。

圖9　數(shù)據(jù)采集原理Fig.9　Schematic drawing of data collection

其他的試驗(yàn)用品包括：吊纜、鋼纜、系固尼龍繩等。同時(shí)，為了防止污染壓力桶，設(shè)計(jì)加工專用的平臺，用于模擬海底的沙子成分。

3.2　試驗(yàn)程序

前期準(zhǔn)備結(jié)束后，對設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備見圖10、圖11：在壓力筒底部平臺上鋪模擬深海環(huán)境沙子，沙子厚度為40 cm；吊入試驗(yàn)樣機(jī)，并放置到適當(dāng)位置，連接好深海水密電纜，并對深海傾角儀和深海位移傳感器進(jìn)行初始化。開始向壓力筒內(nèi)注水，在水位高于桶形基礎(chǔ)的上端出水口時(shí)，停止注水。將排水管插到出水口并固定。將壓力筒未用到的通孔封死，有電纜輸出的孔將接插件連接好。關(guān)閉壓力筒艙口蓋，對壓力筒逐漸加壓至15 MPa（加壓時(shí)間0.5 h），并保壓0.5 h后，逐漸減壓至常壓（減壓時(shí)間0.5 h）。保壓時(shí)啟動電源，使樣機(jī)開始工作，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)。壓力減為零時(shí)，打開壓力筒上端蓋，取出相關(guān)設(shè)備，試驗(yàn)結(jié)束。

3.3　數(shù)據(jù)分析

所研制的試驗(yàn)樣機(jī)經(jīng)過多次設(shè)計(jì)優(yōu)化、陸上試驗(yàn)及技術(shù)改進(jìn)，在916壓力筒中成功進(jìn)行了1 500 m深海環(huán)境模擬試驗(yàn)，并獲取了相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集部分從20151028 09：37：28開始，到20151028 09：44：47結(jié)束。深海位移傳感器和深海傾角儀軟件均設(shè)置為每秒鐘采集20個(gè)數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)見圖12、圖13。

從圖12中可以看到開始時(shí)位移傳感器所測的數(shù)據(jù)較平穩(wěn)，在1.80～1.95 mm之間波動，眾數(shù)、中位數(shù)與平均數(shù)均為1.83 mm；結(jié)束時(shí)位移傳感器所測的數(shù)據(jù)有一定的波動，波動范圍在12.6～13.5 mm之間，眾數(shù)、中位數(shù)為13.125 mm，平均值為13.075 mm，桶形基礎(chǔ)下降了約11.23 mm，位移精度為1 mm設(shè)備工作正常。

圖10　試驗(yàn)準(zhǔn)備Fig.10　Test preparation

圖11　壓力筒蓋安裝就位Fig.11　Installed Pressure cylinder

圖12　位移傳感器測量數(shù)據(jù)Fig.12　Measurement data of displacement sensor

圖13　傾角儀傳感器測量數(shù)據(jù)Fig.13　Measurement data of Inclinometer sensor

圖13中a代表9：39：43時(shí)刻；b代表9：39：51時(shí)刻；c代表9：39：59時(shí)刻；d代表9：40：07時(shí)刻；e代表 9：40：15時(shí)刻；f代表9：40：23時(shí)刻；g代表9：40：31時(shí)刻；h代表9：40：39時(shí)刻；i代表9：40：46時(shí)刻；j代表9：40：55時(shí)刻；k代表9：41：01時(shí)刻。從圖13中可以看到，從電機(jī)開始工作到電機(jī)工作結(jié)束，X軸的角度在-0.5°～-1.3°之間波動，眾數(shù)與平均值比較接近，為-1.07°左右；Y軸的角度在0.5°～1.0°之間波動，平均值為0.752°。從X軸、Y軸所得數(shù)據(jù)可知：傾角精度為0.1°。傾角儀X軸和Y軸的兩處最大角度分別出現(xiàn)在如下時(shí)刻：

通過對兩坐標(biāo)軸傾角分析，可以得到下降過程中桶體基本穩(wěn)定，設(shè)備工作正常。

4　結(jié)論

（1）基于吸力式基礎(chǔ)工作原理，設(shè)計(jì)了電力驅(qū)動的深海桶形基礎(chǔ)安裝試驗(yàn)樣機(jī)和試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)。

（2）以外置補(bǔ)償器和W形旋轉(zhuǎn)組合密封方式解決了直流電機(jī)在深水環(huán)境下的耐高壓和動靜態(tài)密封性問題。

（3）在高壓條件下完成了模擬環(huán)境測試試驗(yàn)，通過深海位移傳感器和深海傾角儀實(shí)時(shí)記錄了水泵開始工作到停止過程中桶形基礎(chǔ)的相對位移與X軸、Y軸的活動情況，并通過軟件存儲，數(shù)據(jù)精度為1 mm和0.1°。結(jié)果表明：該試驗(yàn)裝置滿足了深海水下桶形基礎(chǔ)安裝的過程要求，即在深水1 500 m實(shí)現(xiàn)了水泵對桶形基礎(chǔ)內(nèi)淡水的抽吸，桶形基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)沉貫，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。