深水高压舱设计及典型实验实例研究
姚志广
中国石油集团工程技术研究院 中国石油集团海洋工程重点实验室
摘要：本文针对以中国石油集团海洋工程重点实验室研制的深水高压舱为例，详细的进行了深水高压舱的设计和建造关键点描述，同时利用两个典型的结构物模型实验案例，描述了深水高压环境下海工结构物的检测实验流程和方案。 关键词：深水高压舱 承压实验 疲劳实验
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一、引言
由于海洋环境的复杂性，在进行海洋资源开发过程中所使用的设备在服役期间的安全性与可靠性尤为重要，2010年4月，墨西哥湾海域发生原油泄漏事件敲响了海洋资源开发高风险的警钟。为确保在海底（尤其是深海）工作的仪器设备和生产设施的安全性，需要在其投入使用前进行大量实验研究和检测评价工作，其中包括高压条件下的水密性检验、承压强度检验、疲劳实验等。为此世界上一些国家（如英国、美国等）都着手建立了规模宏大的深海环境实验室（见图1、2），为潜艇结构舱段、各类潜器、水下生产设施、探测仪器等新型深海装备进行耐压结构考核、水密性试验、设备调试等测试服务。
图1 英国海事实验室高压舱
图2 美国西南研究院高压舱
随着中国石油集团海洋石油勘探开发的力度逐渐加大，越来越多的水下装备将投入使用，为此在进行中石油海洋工程重点实验室建设过程中，本单位研制了能够模拟1500m和3000m水深的深水高压舱各一套，用以开展在海洋石油开发过程中所使用的仪器设备的结构承压检测，保障海洋开发生产的安全。
二、深水压力模拟系统设计 1. 结构选型
考虑到建造方便、空间利用率的问题，国内外相关单位均采用圆柱式舱体作为实验舱体，根据安装场地、常用的测试方案等多种因素考虑，通常有立式结构（见图3）和卧式结构（见图4）两种安装方式，两种安装方式优缺点比较见表1。
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姚志广，男， 2007年3月毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计制造专业，工学硕士。目前在中国石油集团工程技术研究院海洋工程技术研究所工作，主要从事海洋工程技术研究和海洋工程重点实验室建设工作。联系地址：天津市塘沽区津塘公路40号，邮编：300451，联系电话022-66310720，Email：yaozhg@cnpc.com.cn。
图3 沈阳自动化卧式高压舱 安装场地 卧式结构
图4 中船重工702所立式高压舱
立式结构 需要向地下挖出较深的空间，进行地基处理，占地面积较小 表1 两种安装方式优缺点比较
可以利用原有的实验厂房的，地基处理工作量相对较小，占地面积较大 加压介质可重复性 试件安装难易程度 测试设备安装 设备操作难易度 重复利用，资源浪费相对严重 安装比较方便，固定相对容易 可在筒体上面设置数据传输口，水下摄像监视系统安装简易 较简单 做完实验后的加压介质（水）不能每次做完实验的水可以重复利用，直至水体较污浊时再换水 安装比较方便，固定相对容易 一般情况下只在封头上预留数据传输口，水下摄像系统安装相对复杂 较简单 经过充分比选，考虑到实验室今后所进行的大部分实验需要采用水下摄像系统进行监测，同时设备安装场地已经固定，不适宜大工作量施工，最终所研制的深水高压舱选用卧式结构。为减少资源的浪费，建议随着实验任务量的增加，实验室可以考虑进行蓄水池建设，以达到加压介质的重复利用。
2. 功能设计
威胁在水下工作的仪器设备和生产设施安全的最主要因素就是高压环境导致的结构本身变形，进而导致失效，主要破坏类型为三类：① 压溃破坏，常见的为水下管路、数据保护容器等；②疲劳破坏，主要针对一些工作水深经常变化的设备，常见的有水下机器人、取样设备等；③水密失效，主要针对一些海底光缆、电缆等。
针对上述三种常见的功能需求，我们在进行深水高压舱设计的时候进行了加压功能优化设置，编制了循环压力加载程序，实现了疲劳实验功能。同时利用压力变送器、PID调解器、气动调节阀、PLC可编程控制器等工具，采用单回路PID模糊控制方式，实现了加压系统能根据压力筒内的压力变化进行自动跟踪补偿，进而实现了长时间实验过程无人操作功能。
3. 密封系统设计
由于深水高压舱主要用于模拟深海环境，其工作压力十分巨大，所以其密封系统的设计对于深水高压舱十分重要。目前主流的密封方式主要有两种：① 剪力块+橡胶圈密封：当筒体密封后，对筒内进行加压，此时内部压力增大，对剪力块有一个挤压力，并通过剪力块将力传递到橡胶圈上，进而达到密封的效果，如图5所示；② 螺栓+橡胶圈密封：利用螺栓紧固来抵抗压力筒内部的压力增加，通过橡胶圈达到密封盖盖与筒体间密封。
图5 剪力块密封方式
图6 螺栓密封方式
上述两种方式经过多套压力筒的使用验证，能满足使用要求，但其在使用方便程度上大打折扣，以螺栓+橡胶圈密封方式为例，一般需要两个成熟的工人利用半天时间才能完成整个舱体的密封。为避免上述问题发生，我们将用于压力管道密封上的快开装置应用到深水压力舱的设计中。它主要由盲板盖、盲板座、卡箍组成，采用O型密封圈密封形式，通过开启关闭锁紧机构、开门机构等实现开启、关闭动作，盲板上安装的安全连锁机构能够保证零压开启。整套系统采用液压控制，可以在10分钟内完成密封和锁紧，这也是国内首次将自动密封锁紧系统应用到深水高压舱的设计中，自动密封锁紧装置示意图见图7。
图7 自动密封锁紧装置
4. 制造材料及方案选择
有关压力筒的设计制造材料考虑到压力筒压力较高，制造选用材料应有较高的强度，较好的塑性和韧性，又要有较好的制造性能，特别是要有良好的焊接功能。通过广泛调研我们选用了20MnMoNb特种钢作为制造材料。
对于高压舱舱体这种承压高、体积重量大的圆柱形筒体的建造方法通常有铸造、锻造以及钢带卷制三种方法，经过多方面因素权衡，最终选用了锻造方案。
表2制造方案比较
强度 加工周期 成本 技术成熟度 铸造 质量不够稳定 长 低 成熟 锻造 较高 长 高 成熟 钢带卷制 较高 较短 低 在高压容器方面尚不成熟 5. 小结
经过充分调研和多方面比较，最终研制的深水高压舱采用了卧式锻造结构，采用自动加载技术，最大能够模拟3000m水深的压力环境，配有各种应力应变测试系统、水下照明和摄像系统，可以进行深海探测仪器、取样设备以及作业装置等海工结构物在高压条件下的水密性检验、承压强度检验、疲劳实验等。其主要特色为：
① 国内首套采用自动密封锁紧结构的卧式结构高压舱；
② 采用自动加载卸压技术，能够长时间保压，由计算机自动进行压力补偿控制。
图8 研制的深水高压舱照片 表3 深水高压舱参数
内径（mm） 内部有效实验长度 (mm) 最大工作压力 (MPa) 保压时间（小时） 工作温度 工作介质 1030 1000 2000 30 240 常温 淡水 1515 1500 3000 15 三、典型实验实例研究 1. 承压实验研究
本次实验主要是针对活动在700m水深附近的某潜艇舱段进行承压实验研究，用以检测其使用安全性。实验模型直径400mm，长600mm，壳板厚度t=6mm，两端采用板厚为14mm的船用高强度钢钢板作为封头，每个封头上采用纵横交错的三根槽钢作为加强筋。实验模型如图9所示，实验测试系统框图如图10所示。
图9 潜艇舱段实验模型
图10 高压实验测试系统框图
实验采用自动加压方式进行，根据实验工艺设定进行多段压力设定，并且设定其每个点的保压时间（压力到设定数值时开始计时）初始阶段为2分钟，临近设计压力值附近时为5分钟，加载曲线如图11所示。
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图11 加载曲线设计图
在进行正式实验前，首先进行2MPa压力的重复实验，重复次数为3次，加载曲线如图12所示，此时进行应变片测试点的数据分析，发现试件材料的应力—应变的线性关系以及重复实验中的数值重复性均较好，证明试件结构设计满足高压实验要求，准备正式进行实验。
2.01.51.00.50.0024681012
图12 预加载重复曲线
实验过程中，按照图11加载曲线进行加压，当压力达到6.6MPa时听见砰的一声巨响，此时筒内压力值急剧下降至零，空压机及高压泵自动迅速开始进行筒内压力补压，实验结束。模型破坏瞬间图如图13所示。承压实验压溃后的模型见图14。实验结果表明本次检验的潜艇舱段模型不能满足实际要求，还需重新进行设计。
01深水高压舱设计与典型实验实例研究
