許 可，趙飛虎，周鑫濤，羅 升

(中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

深海生物科學(xué)研究、深海資源勘探等深海作業(yè)活動(dòng)變得日趨頻繁，從而引領(lǐng)水下裝備的快速發(fā)展，其中纜控潛器(ROV)和載人潛水器是當(dāng)前海洋探索研究最主要的工具，其可搭載各種探測設(shè)備快速、精確地到達(dá)各種深海復(fù)雜環(huán)境，進(jìn)行高效勘探、科學(xué)考察和近海底取樣作業(yè)[1-2]。然而目前通過深海潛器采集的各類深海生物存儲(chǔ)在采樣籃后，隨著深海潛器的回收，樣品也隨其從深海提升至水面母船上，由于深海潛器從深?；厥罩了婺复蠖夹枰馁M(fèi)數(shù)小時(shí)的時(shí)間，并且在深海潛器從深?；厥罩了娴倪^程中，深海生物所處的外界海水壓力在逐漸下降，溫度在逐步上升，造成轉(zhuǎn)移過程中深海生物的生物學(xué)特性已經(jīng)發(fā)生了改變，失去了生物的原位特性，甚至喪失了試驗(yàn)室觀測、培養(yǎng)及研究的價(jià)值[3]。現(xiàn)階段國內(nèi)外科學(xué)家在深海生物原位保真取樣的技術(shù)領(lǐng)域僅實(shí)現(xiàn)了微生物的半主動(dòng)保壓和被動(dòng)保溫的技術(shù)突破[4-5]，但該項(xiàng)技術(shù)的局限性較明顯，無法實(shí)現(xiàn)多深度樣品及長周期的保真存儲(chǔ)。深海生物原位主動(dòng)保壓及主動(dòng)保溫技術(shù)的突破可以實(shí)現(xiàn)深海采集的各類樣品從采集開始至提取到地面實(shí)驗(yàn)室分析前始終維持其原位特性，從而為深海生命科學(xué)探索和生物資源開發(fā)利用提供新的技術(shù)手段。

筆者重點(diǎn)研究了深海生物原位主動(dòng)保壓和主動(dòng)保溫的技術(shù)方法和工作流程，通過對該裝置存儲(chǔ)耐壓結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析以及溫控系統(tǒng)、保壓系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，得出了基于潛水器搭載的深海生物原位保溫保壓裝置的技術(shù)方案，為潛水器多深度采集的生物樣品的長周期原位保真存儲(chǔ)提供了參考。

1 深海生物原位保溫保壓裝置主要組成

深海生物原位保溫保壓裝置主要由耐壓殼體、啟閉艙口蓋、溫控系統(tǒng)、保壓系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示，其中耐壓殼體是深海生物原位保溫保壓裝置最主要的存儲(chǔ)容器結(jié)構(gòu)，承受外側(cè)及內(nèi)部高壓海水的壓力，并承載所有掛載設(shè)備和儀器的重量，是整個(gè)裝置的主體；啟閉艙口蓋可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟、關(guān)閉和鎖緊，啟閉艙口蓋的鎖緊和密封是整個(gè)裝置保溫和保壓效果實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵；溫控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)裝置的保溫功能，其工作原理為熱電制冷，利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行控溫，主要用來精確控制殼體內(nèi)的海水及樣品溫度，以維持原位采集樣品的溫度特性；保壓系統(tǒng)主要由以充滿高壓氮?dú)獾难a(bǔ)償器和連接電磁溢流閥的儲(chǔ)水箱構(gòu)成，前者可以在裝置采樣上浮后補(bǔ)償耐壓殼體內(nèi)降低的壓力，后者能在裝置采樣下潛時(shí)卸掉耐壓殼體收縮導(dǎo)致的內(nèi)部增大的壓力。

圖1 深海生物原位保溫保壓裝置組成

2 主要技術(shù)指標(biāo)及功能要求

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

工作深度：0～1 500 m；保壓范圍：0～15 MPa；保溫范圍：0～10 ℃。

2.2 功能要求

深海生物原位保溫保壓裝置在深海特定深度完成采樣后，能夠?qū)Σ杉臉悠愤M(jìn)行存儲(chǔ)，并持續(xù)保溫和持續(xù)保壓。為實(shí)現(xiàn)上述功能，裝置需具備可調(diào)節(jié)溫度范圍的保溫功能，具備樣品原位壓力的保持功能，以及具有一定容積的樣品存儲(chǔ)功能，并具有內(nèi)部壓力和內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測功能，同時(shí)裝置需具備艙口蓋的自動(dòng)啟閉功能。

3 技術(shù)方案

3.1 耐壓殼

耐壓殼是深海生物原位保溫保壓裝置最主要的耐壓結(jié)構(gòu)，承受外側(cè)及內(nèi)部高壓海水的壓力，并承載所有掛載設(shè)備和儀器的重量，是整個(gè)裝置的主體，外形呈球狀，底部焊接有安裝基座。外形如圖2所示。

耐壓殼內(nèi)部直徑：φ1 200 mm；艙口蓋開孔透光直徑：φ450 mm；穿艙件開孔透光直徑：φ200 mm；耐壓殼材料：00Cr25Ni7Mo4N(雙相不銹鋼2507)，屈服強(qiáng)度550 MPa，抗拉強(qiáng)度795 MPa，彈性模量200 GPa，泊松比0.3。

深海生物原位保溫保壓裝置的最大工作水深是1 500 m，而耐壓殼既承受內(nèi)壓也承受外壓，所以取計(jì)算壓力為1.5倍最大工作壓力，即22.5 MPa。按GJB/Z21A-2001規(guī)范《潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法》，球形耐壓結(jié)構(gòu)最小厚度計(jì)算見下式：

tm=PjRc/(0.8σs)

(1)

式中：tm為球殼最小厚度；Pj為計(jì)算壓力；σs為屈服強(qiáng)度；Rc為球殼部分的中面半徑，600+0.5tm。

因此，計(jì)算可知最小厚度為31.5 mm，設(shè)計(jì)厚度同樣取31.5 mm。

在Abaqus軟件中對耐壓殼體進(jìn)行有限元計(jì)算，為便于計(jì)算，降低模型復(fù)雜程度，在幾乎不影響整體計(jì)算結(jié)果的前提下，對整體模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)簡化，模型采用C3DR8實(shí)體單元進(jìn)行計(jì)算分析，并保證所有厚度方向單元個(gè)數(shù)不少于4個(gè)，單元尺寸小于20 mm。載荷邊界條件：整體模型非開孔位置施加計(jì)算壓力，開孔位置壓力載荷采用面積等效辦法在開孔周邊密封面等安裝面施加等效壓力載荷，如圖3所示。

圖2 耐壓外殼 圖3 邊界條件及載荷情況

耐壓殼體在22.5 MPa外壓作用下的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果如圖4所示，從圖中可看出耐壓殼體整體在22.5 MPa外壓作用下，最高應(yīng)力為407.2 MPa，主要分布在出入艙口蓋圍欄與球殼連接處艙內(nèi)側(cè)，其余連接開孔等連接過度處的典型位置應(yīng)力水平均小于309.6 MPa。耐壓殼體在22.5 MPa內(nèi)壓作用下的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果如圖5所示。

圖4 22.5 MPa外壓下應(yīng)力云圖 圖5 22.5 MPa內(nèi)壓下應(yīng)力云圖

從圖中可看出耐壓殼整體在22.5 MPa內(nèi)壓作用下，最高應(yīng)力為439.3 MPa，主要分布在出入艙口蓋圍欄與球殼連接處艙內(nèi)側(cè)，其余連接開孔等連接過度處的典型位置應(yīng)力水平均小于309.1 MPa。從分析的結(jié)果可以看出耐壓殼體在承受22.5 MPa內(nèi)壓和外壓下，最高應(yīng)力為439.3 MPa，滿足小于1.15σs(632.5 MPa)的要求。

3.2 啟閉艙口蓋

啟閉艙口蓋主要由球冠形蓋板、壓緊環(huán)、密封件、回轉(zhuǎn)支撐板、回轉(zhuǎn)軸座、鎖緊環(huán)、鎖緊電動(dòng)缸、電動(dòng)缸基座I、基座齒圈、回轉(zhuǎn)軸、回轉(zhuǎn)臂、啟閉電動(dòng)缸、電動(dòng)缸基座II、啟閉接近開關(guān)和鎖緊接近開關(guān)組成，通過驅(qū)動(dòng)啟閉電動(dòng)缸和鎖緊電動(dòng)缸可以實(shí)現(xiàn)艙口蓋的啟閉和鎖緊與解鎖，并根據(jù)到位接近開關(guān)的反饋信號(hào)判斷艙口蓋是否關(guān)閉到位和鎖緊到位。啟閉艙口蓋的系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 啟閉艙口蓋系統(tǒng)組成圖1.球冠形蓋板 2.壓緊環(huán) 3.密封件 4.回轉(zhuǎn)支撐板 5.回轉(zhuǎn)軸座 6.鎖緊環(huán) 7.鎖緊電動(dòng)缸 8.電動(dòng)缸基座I 9.基座齒圈 10.回轉(zhuǎn)軸 11.回轉(zhuǎn)臂 12.啟閉電動(dòng)缸 13.電動(dòng)缸基座II

工作原理：啟閉艙口蓋具有自動(dòng)啟閉功能和自動(dòng)鎖緊功能，自動(dòng)啟閉功能由啟閉電動(dòng)缸、回轉(zhuǎn)臂、回轉(zhuǎn)軸、回轉(zhuǎn)支撐板和球冠蓋板組成的“曲柄導(dǎo)桿”機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，通過啟閉電動(dòng)缸的伸縮完成球冠蓋板的開啟和關(guān)閉動(dòng)作；自動(dòng)鎖緊功能由鎖緊電動(dòng)缸、鎖緊環(huán)和基座齒圈組成的“曲柄導(dǎo)桿”機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的鎖緊環(huán)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制鎖緊環(huán)與球冠蓋板相應(yīng)螺旋齒面的接觸與分離，從而達(dá)到密封件的壓縮與恢復(fù)的目的，完成啟閉艙口蓋自動(dòng)鎖緊和解鎖動(dòng)作。

啟閉艙口蓋解鎖與開啟狀態(tài)如圖7所示，關(guān)閉與鎖緊狀態(tài)如圖8所示。

圖7 開啟時(shí)狀態(tài) 圖8 閉合時(shí)狀態(tài)

其中出入艙口的透光直徑為φ450 mm，球冠形蓋板頂部的半徑R設(shè)計(jì)取值1 200 mm，艙口蓋的材料采用00Cr25Ni7Mo4N(雙相不銹鋼2507)，其名義屈服強(qiáng)度ReH為550 MPa，彈性模量E=200 GPa，工作壓力為15 MPa，安全系數(shù)取1.5，計(jì)算壓力Pj=22.5 MPa。按照《潛水系統(tǒng)與潛水器建造與入級(jí)規(guī)范》[6]第16章 潛深大于500 m的潛水器的補(bǔ)充規(guī)定：在初步設(shè)計(jì)階段，封頭的極限承壓可按《潛水系統(tǒng)與潛水器建造與入級(jí)規(guī)范》中4.6.4確定。殼體厚度t具體計(jì)算過程如下：

(2)

式中：Pj為計(jì)算壓力，MPa；R為蓋板殼體外半徑，設(shè)計(jì)取值1 200 mm；ReH為屈服強(qiáng)度，MPa。

考慮腐蝕余量1.5 mm和板的厚度偏差等因素，并從艙口蓋的可靠運(yùn)行角度出發(fā)，取一定的安全裕度，艙口蓋的殼板厚度取值t=34 mm。

接下來對艙口蓋蓋板的穩(wěn)定性進(jìn)行校核，艙口蓋蓋板穩(wěn)定性校核公式為Pcr=CSCZPe≥Pj，查《潛水系統(tǒng)與潛水器建造與入級(jí)規(guī)范》確定C值：

查《潛水系統(tǒng)與潛水器建造與入級(jí)規(guī)范》確定CS、CZ值：

蓋板穩(wěn)定性校核：Pcr=CSCZPe=70.95 MPa，該值大于Pj=22.5 MPa，滿足穩(wěn)定性校核公式。

3.3 溫控系統(tǒng)

溫控系統(tǒng)的功能是控制取樣后裝置內(nèi)溫度為取樣深度的原位溫度。溫控系統(tǒng)制冷原理為熱電制冷，利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行控溫。圖9為制冷單元在裝置耐壓殼體外的上半球部分布置圖，上下半球共布置18套制冷單元(每套：TEC制冷片4片、散熱翅片1個(gè)、吸熱冷板1個(gè)、外殼1個(gè)、補(bǔ)償器1個(gè))，每個(gè)制冷單元4個(gè)制冷片串聯(lián)工作。圖10為制冷單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，外殼為導(dǎo)熱系數(shù)較高及防腐蝕性能較好的錫青銅材質(zhì)，殼體內(nèi)充滿22#抗磨液壓油，外殼上部裝配有滾動(dòng)膜片式壓力補(bǔ)償器。制冷片冷面連接銅質(zhì)吸熱冷板，銅質(zhì)吸熱冷板與裝置耐壓殼體做共形設(shè)計(jì)，使整個(gè)制冷單元與裝置外殼貼合；制冷片熱面連接散熱翅片，通過液壓油、錫青銅殼體向外界海水散熱。為防止制冷片冷熱端通過液壓油導(dǎo)熱導(dǎo)致效率極低，制冷片中間充滿環(huán)氧樹脂，并配隔熱板或PN結(jié)外涂水基陶瓷材料做隔熱。深海生物保溫保壓裝置的耐壓殼體內(nèi)外分布溫度傳感器，實(shí)時(shí)檢測內(nèi)外海水溫度，當(dāng)原位保溫保壓裝置開始存儲(chǔ)樣品時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)的PLC通過采集溫度傳感器記錄的外界海水溫度作為溫控指標(biāo)，通過控制不同并聯(lián)制冷單元的通斷來控制耐壓殼體內(nèi)溫度。

圖9 制冷單元布置圖(上半球)

圖10 制冷單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3.4 保壓系統(tǒng)

保壓系統(tǒng)主要由補(bǔ)壓系統(tǒng)和卸壓系統(tǒng)組成。補(bǔ)壓系統(tǒng)主要用于裝置采樣后上浮過程中補(bǔ)償耐壓殼體內(nèi)降低的壓力。主要是因?yàn)樯詈Ｉ锉乇貉b置采完樣并隨著潛水器上浮后，由于外界海水壓力逐漸降低，導(dǎo)致耐壓殼體向外擴(kuò)張，導(dǎo)致內(nèi)部壓力下降。補(bǔ)壓系統(tǒng)包括補(bǔ)壓罐、高壓氮?dú)馄俊⒊錃忸^、放氣閥、活塞、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等部件，如圖11所示。卸壓系統(tǒng)主要用于裝置采樣后繼續(xù)隨著潛水器下潛過程中卸掉耐壓殼體收縮導(dǎo)致的內(nèi)部增大的壓力。卸壓系統(tǒng)主要由電磁溢流閥、儲(chǔ)水箱、手動(dòng)放水閥等部件組成，如圖12所示。

圖11 補(bǔ)壓系統(tǒng)

圖12 卸壓系統(tǒng)

整個(gè)保壓系統(tǒng)工作流程如圖13所示。樣品放入耐壓殼體后艙口蓋隨即關(guān)閉和鎖緊，艙口蓋關(guān)閉和鎖緊時(shí)觸發(fā)接近開關(guān)動(dòng)作，整個(gè)保壓系統(tǒng)開始進(jìn)入工作狀態(tài)。補(bǔ)壓系統(tǒng)和卸壓系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)置于耐壓殼體內(nèi)的壓力傳感器反饋的壓力數(shù)據(jù)而適時(shí)切換工作：當(dāng)潛水器采完樣繼續(xù)下潛時(shí)，外界水壓增大壓迫耐壓殼收縮，耐壓殼體內(nèi)壓力增大，超過采樣點(diǎn)壓力值，此時(shí)電磁溢流閥開啟，耐壓殼體內(nèi)海水流入儲(chǔ)水箱直至耐壓殼體內(nèi)海水壓力降至采樣點(diǎn)壓力值，這個(gè)過程即是卸壓系統(tǒng)的工作流程；當(dāng)潛水器采完樣上浮時(shí)，外界水壓減小耐壓殼膨脹，耐壓殼體內(nèi)壓力降低，低于采樣點(diǎn)壓力值，此時(shí)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥工作，放氣閥開啟，高壓氮?dú)鈱⒒钊覀?cè)的高壓海水壓入耐壓殼體內(nèi)，直至耐壓殼體內(nèi)的海水維持在采樣點(diǎn)海水壓力值，這個(gè)過程即是補(bǔ)壓系統(tǒng)的工作流程。

圖13 保壓系統(tǒng)工作流程圖

3.5 監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)深海生物原位保溫保壓裝置的功能需求，結(jié)合自身的設(shè)備狀態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)主要包含兩部分：操控臺(tái)和驅(qū)動(dòng)電子罐。操控臺(tái)放置于載人潛水器的載人艙內(nèi)或者放置在ROV的工作母船上，主要包括電源變壓模塊、監(jiān)控主機(jī)和操作面板；操控臺(tái)上設(shè)有所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作按鈕、參數(shù)顯示模塊以及液晶顯示屏，實(shí)現(xiàn)深海生物原位保溫保壓裝置的所有操作和狀態(tài)參數(shù)顯示；驅(qū)動(dòng)電子罐與深海生物保溫保壓裝置集成在一起，隨著裝置一起下潛，驅(qū)動(dòng)電子罐內(nèi)集成工業(yè)交換機(jī)、控制器、罐載安全傳感器、視頻服務(wù)器等。驅(qū)動(dòng)電子罐主要根據(jù)實(shí)時(shí)檢測的傳感器反饋參數(shù)，完成裝置的艙口蓋啟閉與鎖緊動(dòng)作控制和保溫保壓過程中各閥的邏輯控制，監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖14所示。

圖14 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控系統(tǒng)的控制邏輯如下：深海生物原位保溫保壓裝置搭載于潛水器上，在隨潛水器下潛過程中連接在耐壓殼體上的通海平衡閥保持開啟，保持內(nèi)外壓平衡。至預(yù)定作業(yè)深度，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)外部壓力傳感器的反饋數(shù)值，控制艙口蓋鎖緊電動(dòng)缸動(dòng)作，解鎖艙口蓋，之后控制艙口蓋啟閉電動(dòng)缸動(dòng)作，開啟艙口蓋，ROV將采集的樣品從原位保溫保壓裝置的頂部放入耐壓殼體內(nèi)，艙口蓋隨即關(guān)閉和鎖緊，通海平衡閥關(guān)閉。艙口蓋啟閉與鎖緊接近開關(guān)反饋該關(guān)閉狀態(tài)，并啟動(dòng)溫控系統(tǒng)開始工作，將艙內(nèi)樣品保持在原位溫度區(qū)間。上浮過程中，由于內(nèi)外壓力差的不斷增大，艙內(nèi)原位壓力開始降低，壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測艙內(nèi)壓力數(shù)值，并控制保壓系統(tǒng)啟動(dòng)工作，打開放氣閥，高壓氮?dú)馔苿?dòng)高壓海水流入艙內(nèi)完成補(bǔ)壓過程。下潛過程中，當(dāng)壓力傳感器檢測到耐壓殼內(nèi)壓力升高時(shí)，控制泄壓系統(tǒng)啟動(dòng)工作，打開電磁溢流閥，耐壓殼體內(nèi)部高壓海水流入儲(chǔ)水箱完成卸壓過程。

4 結(jié) 語

文中提出了一種深海生物的原位保溫保壓裝置的設(shè)計(jì)研究方案，可通過載人潛水器或纜控潛器搭載并下潛至預(yù)定深度，進(jìn)行深海生物(包括微生物樣品、宏生物樣品)的取樣和存儲(chǔ)，并可對采集的各類樣品進(jìn)行原位壓力和原位溫度的保持，從而保持了所采集樣品的原位物理、化學(xué)及生物學(xué)特性。根據(jù)該裝置的基本功能及工作模式，重點(diǎn)闡述了裝置各系統(tǒng)組成和特點(diǎn)，完成了主要部件的計(jì)算設(shè)計(jì)以及溫控系統(tǒng)、保壓系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)工作原理介紹。文中設(shè)計(jì)的深海生物原位保溫保壓裝置可應(yīng)用于深海生物及深海海底礦物質(zhì)的保真取樣，所研究內(nèi)容對于提升深海生物原位研究以及深水作業(yè)能力拓展均具有重要的意義。