海洋探測(cè)儀器承壓艙的設(shè)計(jì)*

李東梁

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003)

海洋探測(cè)儀器承壓艙的設(shè)計(jì)*

李東梁

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003)

介紹一種海洋探測(cè)儀器承壓艙的主要組成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)承壓艙體各部分承壓性能進(jìn)行分析計(jì)算。然后對(duì)海洋探測(cè)儀器承壓艙的水密性和耐腐蝕性進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。最后通過ANSYS對(duì)海底探測(cè)儀器承壓艙的承壓性能行了仿真分析，分析結(jié)果證明可以夠滿足3 000 m水深的使用要求。

承壓艙;水密性;耐腐蝕;外壓容器

1 引言

目前世界各國(guó)都在加大對(duì)海洋資源的開發(fā)利用，隨之對(duì)海洋的考察及監(jiān)測(cè)要求也越來越高。海洋資源的勘探開發(fā)等研究工作也逐漸從淺海走向深海，海洋資源的開發(fā)已成為一種必然選擇。海洋探測(cè)儀器承壓艙是為電子器件、電源等儀器單元提供安裝空間的水密耐壓艙體，是海洋探測(cè)及開發(fā)海洋資源的基礎(chǔ)條件。海洋探測(cè)儀器承壓艙的關(guān)鍵問題在于艙體的強(qiáng)度、剛度、水密性及耐腐蝕等問題［1］。

2 海洋探測(cè)儀器承壓艙設(shè)計(jì)

海洋探測(cè)儀器設(shè)備包括三個(gè)承壓儀器艙，每個(gè)承壓儀器艙之間采用水密插件和電纜相連，水密插件設(shè)計(jì)在承壓儀器艙頂面。承壓儀器艙采用流線型圓柱形密封的外殼設(shè)計(jì)，整個(gè)承壓儀艙框架有兩個(gè)法蘭蓋和一個(gè)筒體組成。其中法蘭蓋與筒體采用螺栓均布緊固聯(lián)接，在法蘭蓋與筒體間加O形圈進(jìn)行密封。如圖1承壓儀器艙結(jié)構(gòu)圖，O形圈裝入溝槽后，擰緊螺栓，壓縮O形密封圈，使其壓縮變形15%～21%。由于O形密封圈具有良好的彈性，對(duì)接觸面產(chǎn)生接觸壓力，從而實(shí)現(xiàn)密封。

采用這種結(jié)構(gòu)的原因?yàn)?①整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸及堆放方便;法蘭蓋及筒體均可根據(jù)需要與外部相通，方便內(nèi)部部件安裝、維修;②法蘭蓋采用0形圈形式密封，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封可靠;③法蘭蓋和筒體采用分體式結(jié)構(gòu)，加工制造容易，經(jīng)濟(jì)實(shí)用;④可以配裝吊環(huán)，便于搬運(yùn)及起吊，筒體上配裝水密接插件，方便承壓艙體與外部信息連通。

圖1 承壓儀器艙結(jié)構(gòu)圖

2.1 筒體承壓性能設(shè)計(jì)

海洋探測(cè)儀器承壓艙最大工作在水深3 000 m，所以需要考慮艙體的承壓性能。海洋探測(cè)儀器承壓艙按照外壓容器模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。海洋探測(cè)儀器承壓艙的使用環(huán)境，承壓儀器艙需要滿足以下要求:①承壓艙外部靜壓力不小于30 MPa;②在海底的工作時(shí)間為6月;③根據(jù)內(nèi)部安裝控制系統(tǒng)空間，承壓艙內(nèi)徑φ280;腔高150 mm。

海洋探測(cè)儀器承壓艙屬于典型的外壓容器模型［2］。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)需要考慮強(qiáng)度失效和失穩(wěn)兩種情況，然后選擇兩者中的低值為需用外力。圓筒的計(jì)算許用外壓力［P］:

式中:D0為圓筒外直徑，mm;δe為圓筒的有效厚度，mm;σ0為應(yīng)力，MPa;B為系數(shù)。

從外壓容器壓力公式可以看出，許用壓力僅與圓筒的相對(duì)厚度D0/δe有關(guān)。外壓容器設(shè)計(jì)時(shí)［3］，考慮到容器材料性質(zhì)的不均勻以及制造的圓度誤差等影響，設(shè)計(jì)外壓P應(yīng)滿足P≤［P］;由于容器外徑D0= Di+2δ，故采用容器內(nèi)徑Di進(jìn)行近似計(jì)算，則可得出在設(shè)計(jì)外壓P下的計(jì)算厚度δ:

根據(jù)計(jì)算厚度δ，再考慮δ2腐蝕余量、板材厚度偏差δ1并向上圓整后可得到薄壁外壓容器的名義厚度δe。

海洋探測(cè)儀器承壓艙的材料，一般采用具有高強(qiáng)度、高比剛度的金屬或者非金屬材料。如高強(qiáng)度鋁合金、高強(qiáng)度船用鋼和鈦合金材料等［4］。制造海洋承壓艙的幾種常用材料的物理性能及力學(xué)性能對(duì)比，見表1常用外殼材料特性。

表1 20℃常用外殼材料特性

目前關(guān)于外壓容器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則主要有兩種。一種是以彈性失效為破壞準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)。即:承壓艙體上受力最大點(diǎn)的應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到材料的屈服極限后，艙體便失去正常的工作能力。第二種是以塑性失效為破壞準(zhǔn)則的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)。即:只有當(dāng)塑性區(qū)不斷擴(kuò)展，直至整個(gè)界面發(fā)生屈服，發(fā)生破壞，艙體才失去正常工作能力。

本模型失效準(zhǔn)則選取彈性失效為破壞準(zhǔn)則。由式(2)按照常見外殼材料特性參數(shù)計(jì)算，幾種材料的筒體厚度，見表2所列。

表2 滿足要求不同材料的參數(shù)對(duì)比

由表1和表2可以看出，鋁合金6061與不銹鋼(S25554)和TC4相比主要有以下優(yōu)點(diǎn):鋁合金6061圓筒重量較輕;并且易加工制造，總的加工成本最低。所以圓筒材料選用進(jìn)口變形鋁合金6061。

2.2 法蘭蓋承壓性能設(shè)計(jì)

承壓艙的法蘭蓋同樣采用6061材料。考慮到安裝水密接插件，法蘭蓋總體為平端蓋。法蘭蓋總體上屬于實(shí)心圓板，受力情況為周邊支撐，承受均布?jí)毫χ蟀l(fā)生彎曲變形。以圓板內(nèi)部受力和變形情況，建立平衡、幾何，物理方程［5］。求解截面應(yīng)力σr和環(huán)向應(yīng)力σθ公式;

式中:P為壓力，MPa;δ為板厚，mm;μ為圓板材料的泊松比;R為圓板的半徑;r為圓板上任一點(diǎn)的徑向坐標(biāo)，mm。

當(dāng)r=D/2時(shí)，應(yīng)力最大，上式可為:

法蘭蓋結(jié)構(gòu)如圖1所示;法蘭蓋選用材為進(jìn)口變形鋁合金6061，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版》第一卷得:鋁板的性能參數(shù):E=71 000 MPa，鋁板T6狀態(tài)屈服強(qiáng)度σs≥184(MPa);考慮到采用犧牲陽極處理，腐蝕余量C2=0，板材厚度偏差C1=0.3，計(jì)算得:取端蓋厚δ≥52。考慮到法蘭蓋上需開氣密孔，安裝水密接插件，最終法蘭蓋的厚度δ=53 mm。

2.3 儀器艙密封設(shè)計(jì)

水密性是海底探測(cè)設(shè)備需要解決的關(guān)鍵問題之一。承壓儀器艙采用O形密封圈進(jìn)行密封。其優(yōu)點(diǎn)為O形密封性能好，壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)緊湊，密封圈溝槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易拆卸，摩擦阻力小。考慮到海水的腐蝕性能，O形密封圈的材料可選用氟橡膠、丁腈橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠等。

承壓儀器艙均為靜密封，主要包括徑向和軸向兩種密封方式。如圖2密封及防腐蝕結(jié)構(gòu)。法蘭蓋與圓筒間采用雙道密封圈密封，確保密封的可靠性。法蘭蓋上水密接插件和排氣孔堵頭均采用軸向端面密封。由于存在外壓，密封圈會(huì)越壓越緊，密封性能會(huì)越來越好。根據(jù)使用環(huán)境的要求，如表3幾種密封材料的性能。通過對(duì)比密封圈的材料選取氯丁橡膠。

圖2 密封及耐蝕性結(jié)構(gòu)

表3 幾種密封圈材料的性能

為了克服鋁合金表面性能方面的缺點(diǎn)，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，延長(zhǎng)使用壽命，表面處理技術(shù)是非常重要的一環(huán)，用以解決或提高防護(hù)性、裝飾性和功能性三大方面的問題［6－7］。

如圖2密封及耐蝕性結(jié)構(gòu)。為了防止承壓艙在使用中，不銹鋼螺栓與法蘭蓋及筒體間的電化學(xué)腐蝕，在螺栓與筒體、法蘭蓋的接觸面上，增加特制非金屬隔離墊和隔離套構(gòu)件。同時(shí)采用鋅做材料制成的犧牲陽極連接在法蘭蓋上，通過犧牲陽極的腐蝕，保護(hù)其它部件，增加了儀器艙的耐海水腐蝕性能。該工藝方法簡(jiǎn)單、易維護(hù)、成本低，較好地解決了鋁合金耐海水腐蝕的問題。

3 海洋探測(cè)儀器艙承壓艙外壓分析

根據(jù)探測(cè)儀器承壓艙筒體的長(zhǎng)度，根據(jù)外壓容器筒體的類型，判斷承壓艙體屬于鋼性筒。剛性筒失效主要表現(xiàn)形式為強(qiáng)度失效。為保障在ANSYS中建模和網(wǎng)格劃分階段的可靠性及可預(yù)測(cè)性，模型中忽略小的倒角。

3.1 承壓艙筒體的受力分析

根據(jù)筒體使用環(huán)境，輸入材料的泊松比μ=0.3、彈性模量E=70 GPa等參數(shù)，加載外壓30 MPa，求解。如圖3筒體的模型及網(wǎng)格劃分。如圖4筒體30 MPa下應(yīng)力及位移云圖。有機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可查得鋁合金(6061T6)的 σ0.2=240 MPa。從圖4筒體30 MPa下應(yīng)力及位移云圖可知承壓艙筒體的最大應(yīng)力σmax=171.7 MPa，σmax≤σ0.2=240。筒體的強(qiáng)度滿足使用要求。

圖3 筒體模型及網(wǎng)格劃分

圖4 筒體30 MPa下應(yīng)力及位移云圖

3.2 法蘭蓋的受力分析

根據(jù)法蘭蓋使用的環(huán)境，輸入材料的泊松比μ= 0.3、彈性模量E=70 GPa等參數(shù)，加載外壓30 MPa，求解。如圖5法蘭蓋的模型及網(wǎng)格劃分。如圖6法蘭蓋30 MPa下應(yīng)力及位移云圖。有機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可查得鋁合金板(6061T6)的σ0.2=184 MPa。從圖6法蘭蓋30 MPa下應(yīng)力及位移云圖可知承壓艙法蘭蓋的最大應(yīng)力σmax=161.3 MPa，σmax≤σ0.2=184。法蘭蓋的強(qiáng)度滿足使用要求。

圖5 法蘭蓋模型及網(wǎng)格劃分

圖6 法蘭蓋30 MPa下應(yīng)力及位移云圖

4 總結(jié)

介紹了海洋探測(cè)儀器承壓艙的設(shè)計(jì)過程。承壓艙由兩個(gè)法蘭蓋和一個(gè)筒體組成。筒體體采用圓柱流線型外殼設(shè)計(jì);根據(jù)承壓艙體工作環(huán)境的情況，設(shè)計(jì)計(jì)算法蘭蓋和筒體的厚度尺寸;法蘭蓋上安裝有犧牲陽極塊，犧牲陽極增加了承壓艙體在海水中的抗腐蝕性能。在文中重點(diǎn)解決了承壓、水密和防腐蝕三個(gè)問題，并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，可以夠滿足3 000 m水深的使用要求，同時(shí)也為海洋探測(cè)儀器艙的設(shè)計(jì)制造提供一定的理論基礎(chǔ)。

［1］ 于彥江，張志剛，徐 行，等.深海耐壓儀器艙的設(shè)計(jì)［J］.海洋技術(shù)，2010(6):33－35.

［2］ 陳盛秒.外壓容器設(shè)計(jì)的公式法及其應(yīng)用［J］.壓力容器，2008 (11):30－33.

［3］ GB150－1998，鋼制壓力容器［S］.

［4］ 馬震宇，董鐵良，徐 行.薄壁結(jié)構(gòu)鎂合金耐水壓艙體研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2011(5):33－35.

［5］ 胡萬鵬，李士杏.外壓容器封頭設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化計(jì)算［J］.機(jī)械工程，2005(2):61－63

［6］ 萬冰華，費(fèi)敬銀.復(fù)合犧牲陽極材料的研究與應(yīng)用［J］.材料熱處理技術(shù)，2010(8):97－98.

［7］ 余美瓊.鋁及鋁合金表面處理技術(shù)新進(jìn)展Ⅲ［J］.化學(xué)工程與裝備，2008(6):84－88.

Design of the Exploration Instrument Cabin Used in Ocean

LI Dong－liang
(NO.710 R＆D Institute，CSIC，Yichang Hubei443003，China)

The structure of the explore instrument cabin is introduced，and the structure of the press cabin is analyzed.Several problems are mainly analyzed，such as water－tightness and anti－corrosion.At last，simulation analysis of the ocean exploration instrument cabin with compression resistance based on ANSYS is made.The pressure test confirms that the explore instrument cabin could be used in 3000m deepwater.

press cabin;water－tightness;anti－corrosion;pressure vessel

TH112

A

1007－4414(2013)05－0126－03

2013－08－15

李東梁(1982－)，男，河南南陽人，工程師，研究方向:水下機(jī)器人。