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(國(guó)家深?；毓芾碇行模綎| 青島 266235)

我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自主集成研制的7 000 m級(jí)載人潛水器蛟龍?zhí)朳1-3]經(jīng)過(guò)5年的試驗(yàn)性應(yīng)用[4]，共進(jìn)行了5個(gè)大洋科考航次，即將轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)化運(yùn)行。其載體結(jié)構(gòu)是保證科學(xué)家、工程技術(shù)人員能在常壓環(huán)境下進(jìn)行海底科學(xué)考察和勘探作業(yè)的關(guān)鍵。框架結(jié)構(gòu)屬于非耐壓結(jié)構(gòu)，既為潛水器內(nèi)部的耐壓殼和各種儀器設(shè)備等提供安裝基礎(chǔ)和支架，又給外部結(jié)構(gòu)中的浮力塊、輕外殼、穩(wěn)定翼和外部設(shè)備提供支撐，而且還是潛水器吊放、回收、母船系固和坐沉海底時(shí)的主要承載結(jié)構(gòu)。載人潛水器在下潛作業(yè)過(guò)程中受到多種載荷的作用，會(huì)對(duì)框架結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷。因?yàn)闈撍鞅砻娓采w浮力塊與輕外殼，內(nèi)部安裝大量設(shè)備，結(jié)構(gòu)檢測(cè)時(shí)需要將其全部拆卸，只有備航階段才會(huì)進(jìn)行大規(guī)模結(jié)構(gòu)檢測(cè)。日常維護(hù)與海上作業(yè)時(shí)，因?yàn)闀r(shí)間、環(huán)境、設(shè)備等條件限制，無(wú)法進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)。為此，考慮通過(guò)對(duì)歷年檢測(cè)到的缺陷進(jìn)行分析歸納，找出缺陷出現(xiàn)頻率較高的位置，在條件允許的情況下及時(shí)檢測(cè)高頻位置是否出現(xiàn)缺陷，提前解決隱患，確保潛水器的安全運(yùn)行。

1 蛟龍?zhí)柦Y(jié)構(gòu)裂紋缺陷統(tǒng)計(jì)分析

1.1 樣本基本情況

2014—2017年蛟龍?zhí)柟蚕聺?01次，其中深度超過(guò)4 500 m的有38次。每次航次結(jié)束后發(fā)現(xiàn)框架都有不同程度的損傷，統(tǒng)計(jì)4次探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷如下。2015年缺陷共有60處，2016年缺陷共有33處，2017年缺陷共有21處，2018年缺陷共有47處，共計(jì)161處。檢測(cè)分為目視檢測(cè)和滲透表面檢測(cè)2種方法[5-6]。

1.2 結(jié)構(gòu)缺陷統(tǒng)計(jì)

潛水器框架由橫框架和縱梁組成，由多規(guī)格鈦合金型材組焊而成，主要焊縫是型材本身拼焊的角焊縫和型材的對(duì)接焊縫[7-9]。按照橫框架的分隔，將整個(gè)結(jié)構(gòu)框架分為10個(gè)分段[10]，見(jiàn)圖1。

圖1 蛟龍?zhí)栒疚粍澐?/p>

#0～#2為尾部骨架，骨架形式為星形板架結(jié)構(gòu)，布置浮力塊、推力器、穩(wěn)定翼等結(jié)構(gòu)。#2～#10為主框架，主骨架采用縱骨架式立體矩形骨架，布置浮力塊[11]、耐壓球殼、起吊框架、采樣籃、電池箱等主要機(jī)構(gòu)及設(shè)備。統(tǒng)計(jì)每年每站內(nèi)裂紋數(shù)量，見(jiàn)圖2。

圖2 站位裂紋數(shù)

從每站數(shù)量上來(lái)說(shuō)，#0～#2站位共有缺陷25處，2015年檢測(cè)到的缺陷數(shù)量占總?cè)毕莸?0%。#2～#3是缺陷出現(xiàn)的高頻區(qū)域，每年缺陷數(shù)量是所有站位中最多的。#3～#6缺陷數(shù)量分布比較均勻，基本為常規(guī)損傷點(diǎn)。#7～#8整體缺陷數(shù)量不高，但是2015年數(shù)量明顯多于其他年份。#8-#10損傷數(shù)量也處在較高水平。

載人潛水器結(jié)構(gòu)檢測(cè)過(guò)程中，裂紋出現(xiàn)的位置可以大致分為強(qiáng)弱板連接處、弱弱板連接處、強(qiáng)強(qiáng)板連接處、夾箍、肋骨、浮力塊座、電池箱擋板、支架等類(lèi)型。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 缺陷數(shù)量分布統(tǒng)計(jì)

強(qiáng)構(gòu)件與弱構(gòu)件連接處和強(qiáng)構(gòu)件與弱構(gòu)件連接處的缺陷最多，分別為59處和34處，占缺陷總量36.7%和21.1%，構(gòu)件連接處所受應(yīng)力較大，各站位分布較為均勻。強(qiáng)構(gòu)件與強(qiáng)構(gòu)件連接處有2處缺陷，占1%。設(shè)備夾箍缺陷共有8處，占5%，#3、#5、#9、#10處設(shè)備較多，出現(xiàn)頻率相對(duì)較高。肋骨處缺陷共有6處，占3.7%，全是肋骨與輕外殼固定塊連接處出現(xiàn)缺陷。浮力塊座處缺陷共有23處，占14.3%，#7、#8處缺陷出現(xiàn)頻率較高。電池箱擋板缺陷共有16處，占9.9%，#3處布置電池箱，電池箱晃動(dòng)時(shí)受力較大。支架缺陷共有13處，占8.1%，其中電池箱擋板支架處缺陷有10處。

1.3 結(jié)構(gòu)缺陷分析

1)從每年缺陷數(shù)量上來(lái)說(shuō)，2015年數(shù)量最多，2017年數(shù)量最少。一方面跟焊縫檢測(cè)的數(shù)量有關(guān)，2015、2018年檢測(cè)焊縫數(shù)量明顯多于2016、2017年，其中2017年檢測(cè)的數(shù)量最少，部分區(qū)域因?yàn)樵O(shè)備遮擋，未檢測(cè)，而2018年則對(duì)所有焊縫進(jìn)行了檢測(cè)，包括2017年未檢測(cè)部分。另一方面跟下潛時(shí)海況相關(guān)，2015年蛟龍?zhí)栐谖髂嫌《妊髨?zhí)行任務(wù)時(shí)，海況最為惡劣。

2)構(gòu)件連接處的節(jié)點(diǎn)是缺陷出現(xiàn)最多的位置。構(gòu)件之間通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞力與力矩，節(jié)點(diǎn)處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，潛水器作業(yè)過(guò)程中在循環(huán)載荷的作用下易出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展。

3)#0～#2在2015年缺陷較多，因?yàn)槲膊克膲K大浮力塊與框架直接通過(guò)螺栓連接，潛水器運(yùn)動(dòng)時(shí)尾部結(jié)構(gòu)受力較大，2016年對(duì)尾部浮力塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，浮力塊與框架連接處增加了T型抱箍，受力得到改善，缺陷點(diǎn)明顯減少。

4)#2～#3是缺陷出現(xiàn)數(shù)量最多的站位，其中電池箱擋板、擋板支架等與電池箱接觸的結(jié)構(gòu)件上的缺陷最多。電池箱總質(zhì)量約1.5 t，作業(yè)過(guò)程中電池箱不斷晃動(dòng)，導(dǎo)致周?chē)Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生損傷。

5)#7～#8在2015年缺陷數(shù)量較多，一方面是因?yàn)?015年下潛時(shí)海況較為惡劣，另一方面時(shí)跟浮力塊的安裝工藝有關(guān)。

6)潛水器采樣籃附近時(shí)缺陷出現(xiàn)頻率較高區(qū)域。潛水器下潛時(shí)有時(shí)需要攜帶作業(yè)工具，且回收階段會(huì)攜帶大量樣品，導(dǎo)致采樣籃與潛水器連接處應(yīng)力過(guò)大。

2 蛟龍?zhí)栂聺撟鳂I(yè)運(yùn)動(dòng)分析

潛水器作業(yè)過(guò)程中受到不同載荷作用，框架承受載荷的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生缺陷。通過(guò)潛水器下潛作業(yè)運(yùn)動(dòng)分析得到缺陷產(chǎn)生的主要因素。蛟龍?zhí)栞d人潛水器海上作業(yè)流程見(jiàn)圖5。

圖3 蛟龍?zhí)柡Ｉ献鳂I(yè)流程

蛟龍?zhí)枏牟挤诺交厥照麄€(gè)流程中會(huì)產(chǎn)生垂向、橫向、縱向加速度，整個(gè)作業(yè)流程都有運(yùn)動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選取112潛次為典型案例進(jìn)行分析，最大下潛深度6 352 m，下潛時(shí)間在10 h左右，海況為3級(jí)海況，下潛深度隨隨時(shí)間的變化及作業(yè)過(guò)程中加速度變化見(jiàn)圖4～7。

圖4 第112潛次作業(yè)全程深度變化

圖6 下潛、作業(yè)、上浮階段加速度

圖7 回收階段加速度

由圖5可知，潛水器在母船上階段，潛水器隨母船一起運(yùn)動(dòng)，框架承受母船在波浪上運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)加速度，通電檢查階段，最大垂向加速度為5 m/s2，最大縱向加速度為1.07 m/s2，最大橫向加速度為2.16 m/s2。通電檢查結(jié)束到起吊前，運(yùn)動(dòng)傳感器關(guān)閉，所以加速度不發(fā)生變化。水器起吊至水面階段，三向加速度發(fā)生劇烈變化，框架承受潛水器的全部重量和動(dòng)載荷效應(yīng)，潛水器離開(kāi)母船漂浮在海面上時(shí)，承受本體在波浪上運(yùn)動(dòng)時(shí)各個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)加速度，同時(shí)在水下抵消浮力塊約50%的浮力。全程最大垂向加速度9.22 m/s2，最大縱向加速度為9.81 m/s2，最大橫向加速度為9.41 m/s2。

由圖6可知，潛水器上浮、下潛階段三向加速度變化很小，隨著深度的增加，潛水器本體承受的壓力增大，易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，保載狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命也會(huì)大大降低。潛水器作業(yè)階段，三向加速度也會(huì)發(fā)生變化，尤其是在潛水器加速、轉(zhuǎn)彎階段，潛水器縱向加速度、橫向及速度也會(huì)發(fā)生急劇變化。潛水器海底巡航和坐沉海底時(shí)，潛水器會(huì)與海底接觸時(shí)，框架還會(huì)承受坐底時(shí)的沖擊力。水下階段最大垂向加速度2.15 m/s2，最大縱向加速度9.81 m/s2，最大橫向加速度3.62 m/s2。

由圖7可知，潛水器上浮至水面后，三向加速度迅速增大，受力情況與布放階段相類(lèi)似，但回收時(shí)潛水器還要受到附連水的作用力，框架受到的載荷更大。此階段最大垂向加速度為9.81 m/s2，最大縱向加速度為9.81 m/s2，最大橫向加速度為9.81 m/s2。回收至母船后加速度迅速減小，逐漸穩(wěn)定。

通過(guò)對(duì)“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器海上作業(yè)流程分析可知，潛水器在布放、回收、母船系固、水面漂浮工況下載荷較大，其中水面漂浮工況下潛水器所受載荷最大，容易導(dǎo)致框架出現(xiàn)缺陷。

3 預(yù)防措施

1)縮短海面漂浮時(shí)間。海面漂浮階段加速度明顯大于其他階段，縮短海面漂浮時(shí)間可以有效地降低潛水器缺陷產(chǎn)生的幾率?？梢钥紤]在水下進(jìn)行下潛檢查，水下解掛主吊纜，同時(shí)提高A型架操作效率，減少失誤。

2)合理選擇下潛時(shí)間。海況的好壞直接影響潛水器受到的載荷的大小，同時(shí)也會(huì)影響解掛主吊纜的效率，增加潛水器海面漂浮的時(shí)間。航次前充分調(diào)研下潛海域環(huán)境要素氣候背景，同時(shí)提高下潛前海況預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。

3)優(yōu)化載體結(jié)構(gòu)。缺陷高頻區(qū)域應(yīng)力集中，需要對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。尤其是采樣籃與框架連接處、電池箱周?chē)⒏×K座三塊區(qū)域。

4)重點(diǎn)檢查缺陷出現(xiàn)頻率較高區(qū)域。日常維護(hù)過(guò)程中，在拆卸設(shè)備和浮力塊后，對(duì)于框架重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行檢查。抱箍、電池箱支架等可拆卸設(shè)備發(fā)現(xiàn)缺陷后，如不能繼續(xù)使用，及時(shí)更換備件；連接件、肋骨等固定結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)缺陷后，評(píng)估損傷程度是否允許繼續(xù)下潛。

5)規(guī)范安裝工藝。螺絲、螺栓等連接的構(gòu)件旋緊時(shí)力度要適中，不要存在較大附加內(nèi)應(yīng)力，尤其是浮力塊與浮力塊座之間，建議浮力塊安裝螺栓處的平墊片更換為彈墊片。