深水高壓艙典型實(shí)驗(yàn)實(shí)例研究

姚志廣 ，秦延龍 ，趙開龍 ，徐 爽

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451）

深水高壓艙典型實(shí)驗(yàn)實(shí)例研究

姚志廣1，2，秦延龍1，2，趙開龍1，2，徐 爽1，2

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451）

隨著深水條件下海洋資源開發(fā)活動的增加，將出現(xiàn)越來越多的水下設(shè)備。文章以中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的深水高壓艙為例，通過兩個(gè)典型的結(jié)構(gòu)物模型實(shí)驗(yàn)案例，總結(jié)了深水高壓環(huán)境下海工結(jié)構(gòu)物的檢測實(shí)驗(yàn)流程，為今后的實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)，為規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的編制提供參考。

深水高壓艙；承壓實(shí)驗(yàn)；疲勞實(shí)驗(yàn)；檢測流程

0 引言

由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，海洋資源開發(fā)過程中所使用的設(shè)備在服役期間的安全性、可靠性極為重要，2010年墨西哥灣海域發(fā)生的原油泄漏事件敲響了海洋資源開發(fā)高風(fēng)險(xiǎn)的警鐘。為確保在海底（尤其是深海）工作的儀器設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)施工作安全可靠，需要在其投入使用前進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究和檢測評價(jià)工作，包括高壓條件下的水密性檢驗(yàn)、承壓強(qiáng)度檢驗(yàn)、疲勞實(shí)驗(yàn)等。為此世界上一些發(fā)達(dá)國家如英國、美國建立了頗具規(guī)模的深海環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，為潛艇結(jié)構(gòu)艙段、各類潛器、水下生產(chǎn)設(shè)施和探測儀器等新型深海裝備進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐壓測試、水密性試驗(yàn)等 （圖1為英、美實(shí)驗(yàn)室深水高壓艙照片）。

中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制并裝備了能夠模擬1500m和3000m水深的深水高壓艙各一套，用以開展海洋石油開發(fā)中使用的儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)承壓檢測，保障海洋開發(fā)生產(chǎn)的安全。本文介紹了利用該深水高壓艙進(jìn)行的某潛艇艙段的承壓實(shí)驗(yàn)和某取樣設(shè)備的疲勞實(shí)驗(yàn)以及建立的檢測實(shí)驗(yàn)流程。

1 承壓實(shí)驗(yàn)研究

本次實(shí)驗(yàn)主要是針對活動在700 m水深附近的某潛艇艙段進(jìn)行的承壓實(shí)驗(yàn)，以檢測其使用安全性。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭睆?00 mm、長600 mm、殼板厚度6 mm，兩端采用厚為14 mm的船用高強(qiáng)度鋼鋼板作為封頭，每個(gè)封頭上采用縱橫交錯(cuò)的三根槽鋼作為加強(qiáng)筋。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示，所用的深水高壓艙如圖3所示，實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)框圖見圖4。

在正式實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行預(yù)加載，加載曲線如圖5所示，峰值2 MPa，重復(fù)次數(shù)為3次。隨后對應(yīng)變片測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)試件材料的應(yīng)力—應(yīng)變的線性關(guān)系以及重復(fù)實(shí)驗(yàn)中的數(shù)值重復(fù)性均較好，證明試件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足高壓實(shí)驗(yàn)要求，可以進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)采用自動加壓方式進(jìn)行，根據(jù)實(shí)驗(yàn)工藝設(shè)定進(jìn)行多段壓力設(shè)定，并且設(shè)定各段的保壓時(shí)間（壓力到設(shè)定數(shù)值時(shí)開始計(jì)時(shí)）：初始階段為2 min，臨近設(shè)計(jì)壓力值以后為5 min，加載曲線見圖6。

實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)壓力達(dá)到6.6 MPa時(shí)聽見“砰”的一聲巨響，此時(shí)筒內(nèi)壓力值急劇下降至零，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。模型破壞瞬間的狀況見圖7（a），壓潰后的模型見圖7（b）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本次檢驗(yàn)的潛艇艙段模型不能滿足實(shí)際要求，需重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 疲勞實(shí)驗(yàn)研究

本次實(shí)驗(yàn)主要是針對活動在400 m水深附近的某取樣設(shè)備進(jìn)行的疲勞實(shí)驗(yàn)，以檢測其使用安全性。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥畲筇巸?nèi)徑400 mm、最小處內(nèi)徑300 mm，模型直線段長度482 mm，外部安裝了矩形加強(qiáng)肋骨，大、小直徑段之間的過渡段沿軸線方向長度60 mm，殼板厚度8 mm。兩端采用厚為10 mm的船用高強(qiáng)度鋼鋼板作為封頭，每個(gè)封頭上采用縱橫交錯(cuò)的三根槽鋼作為加強(qiáng)筋。實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)框圖如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)首先采用分級預(yù)壓加載方案，如圖9所示，采用4次循環(huán)，測試材料線性。各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變情況如圖10所示，從測試結(jié)果可以看出模型材料線性程度較好，滿足進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)要求。

正式實(shí)驗(yàn)中采用應(yīng)變片等對結(jié)構(gòu)模型的低周疲勞損傷進(jìn)行在線監(jiān)測，根據(jù)壓力—時(shí)間曲線形狀，可以判斷結(jié)構(gòu)模型是否因裂紋貫穿發(fā)生泄漏。

實(shí)驗(yàn)加壓程序如下：

共計(jì)500次循環(huán)，其中每階段穩(wěn)壓3min，進(jìn)行應(yīng)變測量。實(shí)驗(yàn)加載曲線和模型應(yīng)變曲線見圖11、12。

實(shí)驗(yàn)按照取樣設(shè)備疲勞壽命進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)循環(huán)加載次數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)值500次時(shí)，根據(jù)圖12的應(yīng)變曲線分析可知，此時(shí)模型表面應(yīng)變未發(fā)生塑性變化，線性程度較好，初步判斷模型設(shè)計(jì)滿足要求。

3 檢測實(shí)驗(yàn)流程

承壓實(shí)驗(yàn)和疲勞實(shí)驗(yàn)是針對在水下長期服役的儀器設(shè)備所做的兩個(gè)最基本實(shí)驗(yàn)，通過上述兩個(gè)有代表性的實(shí)驗(yàn)例子及其經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，制定了深水高壓環(huán)境下的海工結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度檢測實(shí)驗(yàn)流程，見圖13。

圖13 深水高壓環(huán)境下海工結(jié)構(gòu)物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測實(shí)驗(yàn)流程

期望該檢測實(shí)驗(yàn)流程為后續(xù)的一些實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)，并為相關(guān)的規(guī)范制定、標(biāo)準(zhǔn)編寫提供參考。

[1]JB 4732-95，鋼制壓力容器－分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]GJB 64.2A-97，艦船船體規(guī)范-潛艇[S].

[3]GJB/Z 21A-2001，潛艇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法[S].

[4]梁超.潛器耐壓殼體結(jié)構(gòu)可靠性分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2008.

[5]高靈芝.大型深潛潛艇耐壓船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2003.

Typical Experimental Examples in High Pressure Cabin for Simulating Deepwater Condition

YAO Zhi-guang（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China）,QIN Yanlong,ZHAO Kai-long,et al.

With the activities of offshore oil and gas exploration and development increasing rapidly,more and more subsea equipment is used in deepwater,and suffers high pressure caused by water.In order to simulate the high pressure,the CNPC Key Laboratory of Offshore Engineering built a high pressure cabin in 2010.Two typical experimental examples in the high pressure cabin were shown in this paper.Based on the exam-ples,a complete set of inspection experimental procedure was built and would offer reference for compiling relevant code and standard.

high pressure cabin； pressure bearing testing； fatigue testing;inspection procedure

TE952

B

1001－2206（2011）增刊－0014－03

姚志廣 （1983-），男，遼寧凌源人，工程師，2007年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，工學(xué)碩士，主要從事海洋工程技術(shù)研究和海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作。

2011-08-10；

2011-08-19