蛟龍號載人潛水器結構缺陷統計與分析

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(國家深海基地管理中心，山東 青島 266235)

我國自行設計、自主集成研制的7 000 m級載人潛水器蛟龍號[1-3]經過5年的試驗性應用[4]，共進行了5個大洋科考航次，即將轉化為業務化運行。其載體結構是保證科學家、工程技術人員能在常壓環境下進行海底科學考察和勘探作業的關鍵。框架結構屬于非耐壓結構，既為潛水器內部的耐壓殼和各種儀器設備等提供安裝基礎和支架，又給外部結構中的浮力塊、輕外殼、穩定翼和外部設備提供支撐，而且還是潛水器吊放、回收、母船系固和坐沉海底時的主要承載結構。載人潛水器在下潛作業過程中受到多種載荷的作用，會對框架結構造成不同程度的損傷。因為潛水器表面覆蓋浮力塊與輕外殼，內部安裝大量設備，結構檢測時需要將其全部拆卸，只有備航階段才會進行大規模結構檢測。日常維護與海上作業時，因為時間、環境、設備等條件限制，無法進行詳細的檢測。為此，考慮通過對歷年檢測到的缺陷進行分析歸納，找出缺陷出現頻率較高的位置，在條件允許的情況下及時檢測高頻位置是否出現缺陷，提前解決隱患，確保潛水器的安全運行。

1 蛟龍號結構裂紋缺陷統計分析

1.1 樣本基本情況

2014—2017年蛟龍號共下潛101次，其中深度超過4 500 m的有38次。每次航次結束后發現框架都有不同程度的損傷，統計4次探傷時發現缺陷如下。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161處。檢測分為目視檢測和滲透表面檢測2種方法[5-6]。

1.2 結構缺陷統計

潛水器框架由橫框架和縱梁組成，由多規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接焊縫[7-9]。按照橫框架的分隔，將整個結構框架分為10個分段[10]，見圖1。

圖1 蛟龍號站位劃分

#0～#2為尾部骨架，骨架形式為星形板架結構，布置浮力塊、推力器、穩定翼等結構。#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、電池箱等主要機構及設備。統計每年每站內裂紋數量，見圖2。

圖2 站位裂紋數

從每站數量上來說，#0～#2站位共有缺陷25處，2015年檢測到的缺陷數量占總缺陷的50%。#2～#3是缺陷出現的高頻區域，每年缺陷數量是所有站位中最多的。#3～#6缺陷數量分布比較均勻，基本為常規損傷點。#7～#8整體缺陷數量不高，但是2015年數量明顯多于其他年份。#8-#10損傷數量也處在較高水平。

載人潛水器結構檢測過程中，裂紋出現的位置可以大致分為強弱板連接處、弱弱板連接處、強強板連接處、夾箍、肋骨、浮力塊座、電池箱擋板、支架等類型。統計結果見表1。

表1 缺陷數量分布統計

強構件與弱構件連接處和強構件與弱構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%，構件連接處所受應力較大，各站位分布較為均勻。強構件與強構件連接處有2處缺陷，占1%。設備夾箍缺陷共有8處，占5%，#3、#5、#9、#10處設備較多，出現頻率相對較高。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缺陷。浮力塊座處缺陷共有23處，占14.3%，#7、#8處缺陷出現頻率較高。電池箱擋板缺陷共有16處，占9.9%，#3處布置電池箱，電池箱晃動時受力較大。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 結構缺陷分析

1)從每年缺陷數量上來說，2015年數量最多，2017年數量最少。一方面跟焊縫檢測的數量有關，2015、2018年檢測焊縫數量明顯多于2016、2017年，其中2017年檢測的數量最少，部分區域因為設備遮擋，未檢測，而2018年則對所有焊縫進行了檢測，包括2017年未檢測部分。另一方面跟下潛時海況相關，2015年蛟龍號在西南印度洋執行任務時，海況最為惡劣。

2)構件連接處的節點是缺陷出現最多的位置。構件之間通過節點傳遞力與力矩，節點處容易出現應力集中，潛水器作業過程中在循環載荷的作用下易出現裂紋并擴展。

3)#0～#2在2015年缺陷較多，因為尾部四塊大浮力塊與框架直接通過螺栓連接，潛水器運動時尾部結構受力較大，2016年對尾部浮力塊結構進行了優化，浮力塊與框架連接處增加了T型抱箍，受力得到改善，缺陷點明顯減少。

4)#2～#3是缺陷出現數量最多的站位，其中電池箱擋板、擋板支架等與電池箱接觸的結構件上的缺陷最多。電池箱總質量約1.5 t，作業過程中電池箱不斷晃動，導致周圍結構出現應力集中現象，產生損傷。

5)#7～#8在2015年缺陷數量較多，一方面是因為2015年下潛時海況較為惡劣，另一方面時跟浮力塊的安裝工藝有關。

6)潛水器采樣籃附近時缺陷出現頻率較高區域。潛水器下潛時有時需要攜帶作業工具，且回收階段會攜帶大量樣品，導致采樣籃與潛水器連接處應力過大。

2 蛟龍號下潛作業運動分析

潛水器作業過程中受到不同載荷作用，框架承受載荷的同時也會產生缺陷。通過潛水器下潛作業運動分析得到缺陷產生的主要因素。蛟龍號載人潛水器海上作業流程見圖5。

圖3 蛟龍號海上作業流程

蛟龍號從布放到回收整個流程中會產生垂向、橫向、縱向加速度，整個作業流程都有運動傳感器實時進行監測。選取112潛次為典型案例進行分析，最大下潛深度6 352 m，下潛時間在10 h左右，海況為3級海況，下潛深度隨隨時間的變化及作業過程中加速度變化見圖4～7。

圖4 第112潛次作業全程深度變化

圖6 下潛、作業、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動，框架承受母船在波浪上運動時各個方向上的運動加速度，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。通電檢查結束到起吊前，運動傳感器關閉，所以加速度不發生變化。水器起吊至水面階段，三向加速度發生劇烈變化，框架承受潛水器的全部重量和動載荷效應，潛水器離開母船漂浮在海面上時，承受本體在波浪上運動時各個方向上的運動加速度，同時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，易產生結構變形，保載狀態下，結構的疲勞壽命也會大大降低。潛水器作業階段，三向加速度也會發生變化，尤其是在潛水器加速、轉彎階段，潛水器縱向加速度、橫向及速度也會發生急劇變化。潛水器海底巡航和坐沉海底時，潛水器會與海底接觸時，框架還會承受坐底時的沖擊力。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似，但回收時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，逐漸穩定。

通過對“蛟龍號”載人潛水器海上作業流程分析可知，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，容易導致框架出現缺陷。

3 預防措施

1)縮短海面漂浮時間。海面漂浮階段加速度明顯大于其他階段，縮短海面漂浮時間可以有效地降低潛水器缺陷產生的幾率。可以考慮在水下進行下潛檢查，水下解掛主吊纜，同時提高A型架操作效率，減少失誤。

2)合理選擇下潛時間。海況的好壞直接影響潛水器受到的載荷的大小，同時也會影響解掛主吊纜的效率，增加潛水器海面漂浮的時間。航次前充分調研下潛海域環境要素氣候背景，同時提高下潛前海況預報的準確度。

3)優化載體結構。缺陷高頻區域應力集中，需要對局部區域進行結構優化。尤其是采樣籃與框架連接處、電池箱周圍、浮力塊座三塊區域。

4)重點檢查缺陷出現頻率較高區域。日常維護過程中，在拆卸設備和浮力塊后，對于框架重點區域進行檢查。抱箍、電池箱支架等可拆卸設備發現缺陷后，如不能繼續使用，及時更換備件；連接件、肋骨等固定結構發現缺陷后，評估損傷程度是否允許繼續下潛。

5)規范安裝工藝。螺絲、螺栓等連接的構件旋緊時力度要適中，不要存在較大附加內應力，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。