深海桶形基礎安裝設備設計及試驗研究

李德威　丁忠軍　任玉剛　宿曉峰　李寶鋼　楊　雷

1.哈爾濱工程大學船舶工程學院，哈爾濱，150000 2.國家深海基地管理中心，青島，266000

0　引言

南海周邊陸地油氣勘探開始于20世紀初，截至目前，已在南海發現油氣田數百個，儲存上百億噸油當量，已探明和開采中的油氣田主要是在淺水區。深水區和超深水區的油氣勘探工作尚處于普查和區域勘探階段［1］。

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

我國的桶形基礎僅能安裝在200 m水深以內，形式主要有兩種：一種是從水面引高壓油管至水下，為水泵的油馬達和水泵接口鎖緊機構提供動力；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構提供動力［2］。而我國深水吸力基礎安裝還處于起步階段，迫切需要開展相關研究，解決吸力式桶形基礎深海安裝的結構、密封、控制等方面的問題。基于此，筆者設計研制了深海桶形基礎安裝設備，并對設備實物進行了試驗驗證及數據分析。

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上，將深海桶形基礎安裝設備的工作深度由200 m提高到1 500 m。

1　設備結構

深海桶形基礎是一個開放底面型式的圓柱體，水下安裝分兩個階段完成：第一階段桶體通過自身重量或壓載貫入地基一定深度，第二階段桶體內達到密封條件后，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，使桶體內壓力低于桶外壓力。在此負壓和自重及加載重量的共同作用下，桶形基礎被沉貫安裝至預定深度。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境中效率較高。

筆者設計的深海桶形基礎安裝設備主要由深海電機、水泵、壓力補償器、耐壓電子艙、深海電池及水密接插件等組成，其試驗樣機結構見圖1。通過對陸上電機及其控制器進行適應性改造，可以保證試驗樣機在深水高壓下的密封性、可靠性，從而實現深海水泵功能，并可對工作狀態實時監測和控制。

圖1　深海桶形基礎安裝試驗樣機結構圖Fig.1　Prototype structure of deep-sea bucket foundation

1.1　深海電機的選擇

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

選擇最大揚程h=30 m，最大流量qV=33 L/min，最大吸程為8 m的自吸泵，根據下式計算該水泵所需的電機功率：

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

由于普通有刷電機換向時產生的火花會碳化補償油，造成電機轉子短路，損壞電機，難以應用在深海電機中，因此本試驗樣機使用直流無刷電機，其剖面結構見圖2。考慮充油環境下的功率損失，選取電機參數：功率366 W，直流電壓48 V，額定轉矩1.4 N·m，額定電流10 A，額定轉速2 500 r/min，輸出軸半徑r=7.5 mm，轉速無級可調。電機安裝筒體設計過程中，根據電機尺寸，充分考慮了電機在密封筒體內的安裝、固定、筒體密封以及傳動軸加長、軸承安裝等工藝，確定電機筒體內徑為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φ5 mm的孔以安裝電機。考慮到電機旋轉密封圈的最大線速度v=1 m/s，為保證密封良好，應滿足下式：

即通過控制器將電機最大轉速nev控制在1 274 r/min。

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

1.2　端蓋設計

電機在水下工作時的密封問題主要有靜態密封和電機輸出軸的旋轉密封兩種。靜態密封選用O形圈密封，通過在端蓋設置兩道徑向溝槽實現密封；對于旋轉密封，高轉速旋轉軸如采用O形圈密封方式會導致密封圈磨損、發熱進而出現漏水。本文選用W形密封環和一個O形圈組合的方式進行密封［5］。O形圈使用耐油耐海水的氟橡膠，電機輸出軸直徑為15 mm，選擇的W形旋轉組合密封的尺寸為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　旋轉組合密封安裝蓋Fig.3　Installation cover of rotary combination seal

直流無刷電機工作時需連接一根3芯的相位線，一根5芯的霍爾信號檢測線，電機驅動器通過檢測霍爾信號判斷U、V、W三相的相位，調整PWM輸出信號，實現對電機驅動、信號采集和控制的目的，因此，采用端蓋結構見圖4端蓋結構：電機輸出軸側，設置孔徑為15.3 mm的直管螺紋孔，用于電機輸出軸安裝；控制器連接側，根據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芯的標準圓形公頭插座BH5M，每芯電流6 A，電壓600 V，孔徑分別為15.875 mm、11.113 mm，用于與驅動器的三相電源和霍爾信號插座連接；另設置孔徑為13.157 mm的直管螺紋孔，用于安裝外置油液補償器。

圖4　端蓋結構Fig.4　Structure of the end cap

1.3　外置補償器設計

實現直流無刷電機正常工作，除需解決電機的動靜態密封問題外，還需解決密封電機筒的油液壓力補償問題［7］，補償器工作容積滿足的條件為

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

補償器與液體系統中油液為均勻液體條件下：

其中，C為補償體積變化系數，C=∑ΔV/VY；∑ΔV為系統中被補償的工作液體的體積，且

因此，補償器工作容積的最終表達式為

在本設計中，電機圓筒內徑R=126 mm，長度L=390 mm，容積VY=0.004 86 m3。

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

假設電機筒在甲板時溫度為22℃，水下溫度為2℃，溫差Δt=20℃，根據式（6），可得出補償器隨溫度變化而產生的ΔVY(W)=0.000 087 48 m3。根據式（7），可得出補償器隨溫度變化而產生的氣體體積變化值ΔVQ(W)=0.000 243 m3。

假設該電機筒設計良好，在水下無泄漏，ΔVL=0，系統工作時不需要補償體積，ΔVG=0，可得出該電機筒在水下1 500 m深度工作時被補償的工作液體體積∑ΔV=0.000 540 48 m3。

計算求得所需補償器的工作容積為6.08×10-4m3。由此可以確定電機筒體積為4.86 L，補償器體積為0.7 L，補償量約占原體積的15%，符合設計經驗值。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，設計能夠保護該皮囊的外殼。補償器底部共設有3個G1/4的快插孔，左右2個分別用于連接手動液壓源、電機安裝筒，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的快插頭，緊固頂部排氣口。具體結構見圖5。

圖5　外置補償器Fig.5　External compensator

1.4　耐壓電子艙設計

深海耐壓電子艙可使用鈦合金和鋁合金。鈦合金對點蝕、酸蝕、應力腐蝕的抵抗力較強，低溫下，仍然能保持其力學性能，但其導熱性能不良，剛性差，易變形，加工難度大，綜合成本較高。鋁合金有優良的導電性、導熱性和抗腐蝕性，低溫時，強度增大無脆性，是良好的低溫裝置材料，同時由于其良好的塑性和成形加工性能，價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。其物理特性及機械性能為：抗拉強度550 MPa，屈服強度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黑處理。

對于水下耐壓結構，各國規范規定的安全系數都不同，我國潛水器設計規范與美國（ABS）規范規定的計算壓力取工作壓力的1.5倍［8］。本設計中耐壓殼體工作深度為1 500 m，設計計算深度為6 000 m，安全系數為4，滿足要求。首先對該設計結構的厚度進行估算，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算：

式中，pc為設計計算壓力；R為圓柱平均半徑；σs為材料屈服強度，β1為減縮系數，無肋骨情況下，取1。

根據圓筒內放置的驅動器的尺寸，確定圓筒內徑為106 mm，長度為230 mm，根據式（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，大于設計長度230 mm，可以按照短圓桶公式驗證設計厚度。由于S/D≥0.04，該壓力筒體已經成為剛性圓筒，其破壞是由于圓筒壁的壓縮應力超過材料設計溫度下的屈服基線，不存在穩定性問題，根據強度校核公式可計算得出結構的安全系數為1.08，滿足設計的要求。

1.5　桶形基礎的桶體設計

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，桶體側面設計有位移傳感器安裝槽。

經計算驗證，設計的深海桶形基礎安裝結構的密封性能、耐壓性能均符合深海壓力情況下的作業要求。結構實物見圖6。

圖6　樣機裝配圖Fig.6　Assembly drawing of prototype

2　模擬水下工作

2.1　試驗環境

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

2.2　試驗情況分析及改進

陸上試驗主要調試各設備的功能及整個系統的工作情況，以便于查漏補缺，及時改進研制過程中的不足。本課題陸上試驗工作嚴格按照試驗步驟進行調試，使各設備完全可以在水下工作。

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

圖7　試驗水桶Fig.7　Experimental bucket

圖8　樣機排水Fig.8　Drainage process of prototype

3　壓力試驗

通過壓力筒等試驗設備，在常溫常壓環境中模擬1 500 m深海壓力，對桶形基礎安裝測試樣機進行模擬試驗，并獲取相關數據。

3.1　試驗原理

監控數據采集原理見圖9：外部為一個可承壓15 MPa的壓力筒（916壓力筒）［10］，筒內壁上固定有深海攝像機以觀察桶內情況，壓力筒底部鋪滿沙子來模擬海底環境。桶形基礎設備放在壓力筒內部，桶形基礎上連接有姿態傳感器、深海位移傳感器，分別用于監測桶形基礎下沉時的傾角姿態和沉降深度。筒內部連接有壓力傳感器以對壓力值進行檢測。上述的壓力傳感器、姿態傳感器、深海位移傳感器以及深海攝像機與數據采集模塊相連，數據采集模塊與控制計算機相連，可以實時對桶內的壓力進行檢測，并通過外部加壓設施保證桶內壓力保持設定的值。同時，姿態傳感器、深海位移傳感器測量的數據通過數據采集模塊傳遞給控制計算機，為后續數據的處理提供保證。

圖9　數據采集原理Fig.9　Schematic drawing of data collection

其他的試驗用品包括：吊纜、鋼纜、系固尼龍繩等。同時，為了防止污染壓力桶，設計加工專用的平臺，用于模擬海底的沙子成分。

3.2　試驗程序

前期準備結束后，對設備進行試驗，試驗設備見圖10、圖11：在壓力筒底部平臺上鋪模擬深海環境沙子，沙子厚度為40 cm；吊入試驗樣機，并放置到適當位置，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行初始化。開始向壓力筒內注水，在水位高于桶形基礎的上端出水口時，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。關閉壓力筒艙口蓋，對壓力筒逐漸加壓至15 MPa（加壓時間0.5 h），并保壓0.5 h后，逐漸減壓至常壓（減壓時間0.5 h）。保壓時啟動電源，使樣機開始工作，并采集相關數據。壓力減為零時，打開壓力筒上端蓋，取出相關設備，試驗結束。

3.3　數據分析

所研制的試驗樣機經過多次設計優化、陸上試驗及技術改進，在916壓力筒中成功進行了1 500 m深海環境模擬試驗，并獲取了相關試驗數據。整個試驗數據采集部分從20151028 09：37：28開始，到20151028 09：44：47結束。深海位移傳感器和深海傾角儀軟件均設置為每秒鐘采集20個數據，采集到的數據見圖12、圖13。

從圖12中可以看到開始時位移傳感器所測的數據較平穩，在1.80～1.95 mm之間波動，眾數、中位數與平均數均為1.83 mm；結束時位移傳感器所測的數據有一定的波動，波動范圍在12.6～13.5 mm之間，眾數、中位數為13.125 mm，平均值為13.075 mm，桶形基礎下降了約11.23 mm，位移精度為1 mm設備工作正常。

圖10　試驗準備Fig.10　Test preparation

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

圖12　位移傳感器測量數據Fig.12　Measurement data of displacement sensor

圖13　傾角儀傳感器測量數據Fig.13　Measurement data of Inclinometer sensor

圖13中a代表9：39：43時刻；b代表9：39：51時刻；c代表9：39：59時刻；d代表9：40：07時刻；e代表 9：40：15時刻；f代表9：40：23時刻；g代表9：40：31時刻；h代表9：40：39時刻；i代表9：40：46時刻；j代表9：40：55時刻；k代表9：41：01時刻。從圖13中可以看到，從電機開始工作到電機工作結束，X軸的角度在-0.5°～-1.3°之間波動，眾數與平均值比較接近，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軸所得數據可知：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在如下時刻：

通過對兩坐標軸傾角分析，可以得到下降過程中桶體基本穩定，設備工作正常。

4　結論

（1）基于吸力式基礎工作原理，設計了電力驅動的深海桶形基礎安裝試驗樣機和試驗監控系統。

（2）以外置補償器和W形旋轉組合密封方式解決了直流電機在深水環境下的耐高壓和動靜態密封性問題。

（3）在高壓條件下完成了模擬環境測試試驗，通過深海位移傳感器和深海傾角儀實時記錄了水泵開始工作到停止過程中桶形基礎的相對位移與X軸、Y軸的活動情況，并通過軟件存儲，數據精度為1 mm和0.1°。結果表明：該試驗裝置滿足了深海水下桶形基礎安裝的過程要求，即在深水1 500 m實現了水泵對桶形基礎內淡水的抽吸，桶形基礎實現沉貫，滿足技術指標要求。