張海龍，蔣 磊

（中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所，海南 三亞 572000）

基于預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù)的深海超高壓試驗裝置研制與應(yīng)用

張海龍，蔣 磊

（中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所，海南 三亞 572000）

深海超高壓環(huán)境模擬試驗裝置是深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究中必不可少的測試裝置。采用傳統(tǒng)的一體式壓力筒研制大直徑、超高壓試驗裝置時難以克服應(yīng)力集中的問題，安全性較低且造價昂貴。采用預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù)研制的深海超高壓環(huán)境模擬試驗裝置克服了其局限性，該裝置是目前國內(nèi)工作壓力最高、可實現(xiàn)筒內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測且升降壓自動控制的壓力試驗裝置。文中簡要介紹了該裝置的系統(tǒng)組成及研制過程中主要關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方法，最后介紹了典型實驗應(yīng)用，為深海超高壓環(huán)境模擬試驗裝置的研制與應(yīng)用提供參考。

預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞；超高壓；試驗裝置

2016年6月，中科院使用自主研制的“海斗”號無人潛水器以及其它一批深海裝備，在馬里亞納海溝挑戰(zhàn)者深淵開展了我國第一次綜合性萬米深淵科考活動，標志著我國深?？瓶歼M入萬米時代。9月，科技部啟動國家“十三五”重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項。隨著我國走向深海戰(zhàn)略的實施以及“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”重點專項的開展，預(yù)計在全海深技術(shù)裝備方面將取得更大的突破，而具有超高壓大直徑的深海環(huán)境模擬試驗裝置是開展深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究中必不可少的測試裝置。2015年，中科院深?？茖W(xué)與工程研究所聯(lián)合四川航空工業(yè)川西機器廠完成了中型深海超高壓模擬試驗裝置的研制，該裝置突破了傳統(tǒng)的一體式壓力筒研制方法，采用了預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù)，克服了超高壓、大直徑一體式壓力筒應(yīng)力集中的問題，具有強度高、抗疲勞性好、造價低，使用更安全等優(yōu)點。

1 深海超高壓試驗裝置的研究現(xiàn)狀

深海環(huán)境模擬裝置模擬海洋深水的壓力環(huán)境，用于海洋設(shè)備耐壓殼體結(jié)構(gòu)強度和抗疲勞性檢驗，各種深海儀器的密封性檢驗以及機械手、浸水電機等設(shè)備高壓下的功能測試。

國內(nèi)外現(xiàn)有的可模擬萬米的深海超高壓（≥100 MPa）環(huán)境模擬裝置很少，且有效試驗半徑較小。國內(nèi)外部分超高壓深海環(huán)境模擬裝置的參數(shù)見表1[1-5]。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前我國現(xiàn)有超高壓深海模擬裝置均采用筒體整體成型焊接的方式（俗稱一體式壓力筒），超高壓、大直徑一體式壓力筒的研制難以克服應(yīng)力集中的問題，且造價昂貴。

預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù)廣泛應(yīng)用于等靜壓機設(shè)備，等靜壓機作為典型的超高壓設(shè)備，內(nèi)蓄巨大能量，從采用鋼絲纏繞技術(shù)以來，國內(nèi)外還從未有過發(fā)生事故報道。預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞理論及生產(chǎn)實踐方面都比較成熟[6]。在中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）項目課題“控溫式壓力試驗裝置”的支持下，中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所聯(lián)合四川航空工業(yè)川西機器廠研制了基于預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù)的中型深海超高壓環(huán)境模擬試驗裝置。

表1 國內(nèi)外部分超高壓深海環(huán)境模擬裝置

2 設(shè)計要求及主要技術(shù)指標

考慮特定設(shè)備的破壞性實驗需求，該裝置設(shè)計最大工作壓力為200 MPa，壓力筒端蓋自動啟閉，具備自動升降壓控制系統(tǒng)。最大加卸壓速率不小于1.5 MPa/min，能夠?qū)崟r采集壓力筒壓力、溫度、特征點的應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，具備超壓報警、極限卸壓及停電卸壓等保護措施。該試驗裝置的主要技術(shù)指標及參數(shù)見表2。

表2 主要技術(shù)指標及參數(shù)

3 總體設(shè)計及系統(tǒng)組成

該試驗裝置由壓力筒及機架、自動加壓穩(wěn)壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)組成。試驗裝置見圖1。

（1）壓力筒及機架本體是深海環(huán)境模擬試驗裝置的核心部件。壓力筒及機架均采用預(yù)應(yīng)力鋼線纏繞，分別承受工作時工作介質(zhì)傳來的徑向壓力和軸向壓力。壓力筒的上、下端蓋采用浮動式結(jié)構(gòu)，加壓時上、下端蓋將軸向力傳遞給機架。上端蓋組件設(shè)有排氣裝置及緊急排放口，以及6套水密穿艙件。下端蓋開進水孔，內(nèi)置大通徑抽液單向閥，用以實現(xiàn)壓力筒加壓、降壓。

（2）自動加壓穩(wěn)壓系統(tǒng)主要由供液站、增壓器、加壓調(diào)節(jié)閥、泄壓閥等組成實現(xiàn)裝置的加壓、卸壓控制等。

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集儀、水密連接器、壓力、溫度傳感器以及主機系統(tǒng)等組成，通過與壓力筒連接的水密連接器可實現(xiàn)筒內(nèi)超高壓條件下壓力、應(yīng)變、溫度等環(huán)境參數(shù)在線監(jiān)測以及視頻監(jiān)控。

（4）電氣控制系統(tǒng)主要用于機架的動作控制，壓力筒上端蓋啟閉的自動控制、自動加穩(wěn)壓系統(tǒng)的控制，通過與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的連接實現(xiàn)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的通訊。采用HMI操作員面板實現(xiàn)壓力報警等過程顯示和壓力曲線顯示等。

圖1 試驗裝置

4 主要關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方法

4.1 壓力筒密封結(jié)構(gòu)型式

密封結(jié)構(gòu)是超高壓深海模擬試驗裝置的重要組成部分，決定試驗裝置是否能可靠工作。由于壓力筒上端蓋周期性頻繁自動啟閉，是裝置設(shè)計中的重點。上端蓋密封結(jié)構(gòu)主要考慮兩個因素：密封結(jié)構(gòu)自身和端蓋承受的軸向載荷，由于工作中，上端蓋承受較大的軸向力，同時端蓋直徑較大，為簡化端蓋結(jié)構(gòu)，不宜采用強制密封結(jié)構(gòu)（如平墊密封，卡扎里密封），并且由于在超高壓力（200 MPa）下，橡膠圈硬度不夠不能承受高壓失去密封作用，因此，本裝置中端蓋密封采用了三角形銅密封圈、Yx形密封圈組合結(jié)構(gòu)的自緊密封結(jié)構(gòu)，通過安裝時的預(yù)壓縮和工作時工作介質(zhì)的壓力使密封結(jié)構(gòu)變形來達到密封作用。

4.2 水密連接器引出位置

作為深海壓力模擬試驗裝置，配備足夠通道數(shù)的水密連接器是實現(xiàn)壓力筒內(nèi)環(huán)境參數(shù)采集以及視像監(jiān)測的必要手段。對于傳統(tǒng)一體式壓力筒可以在上端蓋以及筒體上引出信號線，而對于鋼絲纏繞的壓力筒，不宜在筒體及端蓋上面引出信號線，信號線從上端蓋側(cè)面引出為好，同時，上端蓋與壓力筒間距應(yīng)大于200 mm，保證水密連接器的安裝。本裝置采用6套SubConn16芯水密連接器實現(xiàn)信號傳輸，具有結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，裝拆方便等優(yōu)點。

4.3 升降壓系統(tǒng)設(shè)計

與通用冷等靜壓機壓制工藝中要求快速加壓不同，深海環(huán)境模擬試驗裝置作為壓力試驗測試設(shè)備，要具備加壓過程中階梯升壓、保壓，加壓速度、保壓時間可調(diào)；降壓過程中階梯降壓、保壓，降壓速度、保壓時間可調(diào)的功能，同時為滿足實驗設(shè)備在達到最大工作壓力后，壓力筒內(nèi)必須長時間維持一個較精確的設(shè)定值的要求，系統(tǒng)應(yīng)具有自動補壓的功能。本裝置加壓過程中向增壓器提供驅(qū)動壓力油，通過變量泵組的流量控制，實現(xiàn)增壓器增壓速度控制，從而實現(xiàn)比例增壓工作，系統(tǒng)卸壓時通過油泵控制泄壓閥組實現(xiàn)階梯降壓，通過壓力傳感器監(jiān)控壓力筒內(nèi)壓力，當壓力筒內(nèi)壓力降至設(shè)定值時啟動高壓油泵控制增加器實現(xiàn)補壓，加壓速率0～2 MPa/min可調(diào)。設(shè)置手動卸壓閥用于應(yīng)急情況時的手動卸壓。

升降壓系統(tǒng)往往是設(shè)備故障率較高的部位，設(shè)計中高壓系統(tǒng)要選用可靠的單向閥、泄壓閥組，增壓器超高壓缸體應(yīng)采用高強不銹鋼制造，滿足淡水直接使用要求。

4.4 集物筒的設(shè)計

對比冷等靜壓機壓制工藝，通常是把被加工物體放置在特定的模具中進行壓制。而作為深海環(huán)境模擬試驗裝置，要考慮某些設(shè)備的破壞性實驗，為防止壓力筒內(nèi)壁損傷以及回液管道堵塞，應(yīng)在系統(tǒng)中加以防護措施。本裝置在壓力筒內(nèi)部設(shè)計集物筒，用于實驗設(shè)備吊裝，保護壓力筒以及收集沉積物的作用。集物筒上設(shè)計流體通道，以利于壓力筒在加壓和卸壓時工作介質(zhì)的流動。

4.5 溫度控制

目前國內(nèi)深海環(huán)境模擬試驗裝置主要還是模擬深海超高壓力，具備模擬深海低溫的試驗裝置較少。對于保壓時間短的實驗，通過直接向水箱以及壓力筒內(nèi)加注碎冰，可模擬壓力筒內(nèi)2～8℃低溫環(huán)境。對于保壓時間長的實驗通過增加制冷機組、低溫水槽等措施實現(xiàn)溫度控制，方法簡單可行。

5 典型實驗應(yīng)用-鈦合金球殼壓饋實驗

2016年，應(yīng)用本裝置為國內(nèi)科研機構(gòu)研制的鈦合金球殼進行了試驗。鈦合金球殼尺寸規(guī)格為：直徑500 mm，壁厚20 mm，球殼試件如圖2所示。本次實驗?zāi)康氖沁M行球殼的破壞試驗，驗證其承載能力并獲得關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)。實驗測試系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖2 球殼試件

圖3 實驗測試系統(tǒng)框圖

在正式實驗前進行準備工作：鈦合金球殼典型位置粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片將所測區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化信號，該電阻變化信號通過電纜傳入應(yīng)變測量儀放大，應(yīng)變測量儀將應(yīng)變數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理分析儀記錄并進行數(shù)據(jù)處理，實時顯示應(yīng)變、應(yīng)力值；鈦合金球殼內(nèi)部灌注淡水至球殼容積90%；球殼通過橡膠墊包裹后采用集物筒放入壓力筒，信號線與水密連接器連接。

本實驗通過自動加壓方式進行。加壓速率1 MPa/min，設(shè)定最高工作壓力200 MPa，保壓時間0.5 h，每個階段穩(wěn)壓5 min后進行應(yīng)變測量，設(shè)定加壓臺階數(shù)6個。加載曲線圖見圖4。

圖4 加載曲線圖

實驗過程中，按照圖4加載曲線進行加壓，當壓力達到180 MPa時球殼被壓饋破壞。此時筒內(nèi)壓力值急劇下降，實驗結(jié)束。球殼壓潰后的模型見圖5。實驗結(jié)果驗證了球殼的承載能力。

圖5 壓饋后的球殼

6 結(jié)束語

預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞技術(shù)在深海超高壓力試驗裝置的研制方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，該裝置的成功研制與運用，為我國應(yīng)用于萬米級載人潛器的大型深海壓力試驗裝置的研制提供了借鑒。

[1]劉淮.國外深海技術(shù)發(fā)展研究[J].船艇,2006,10:6-22.

[2]吳世偉,李國驥,宋祥春.深海高壓試驗罐制造技術(shù)[J].壓力容器,2008,25:35-36.

[3]沈景華,李殿森,岑世奎.JSA2-1型超高壓試驗設(shè)備簡介[J].海洋技術(shù),1987,3:54-57.

[4]蔣磊，辛洋等.預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞的框架式技術(shù)在深海壓力試驗裝置中的運用[J].工程研究,2016,12:577-581.

[5]吳建美，王勇，劉正士.高精度深海壓力模擬裝置的分析[J].機床與液壓,2015,43（10）：73-75.

[6]劉遵飛.鋼帶纏繞式等靜壓機關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2013.

Development and Application of the Ultrahigh Pressure Testing Equipment for Deep-sea Application Based on Pre-stressed Steel Wire-Winding Technology

ZHANG Hai-long,JIANG Lei
Institute of Deep-Sea Science and Engineering,Chinese Academy of Sciences,Sanya 572000,Hainan Province,China

The ultrahigh pressure testing equipment for the environment simulation of deep-sea is an essential testing device in the research of key technologies and equipment in the deep sea.It is difficult to overcome the problems of stress concentration by using a conventional integrated pressure cylinder.The method to develop a large diameter and ultrahigh pressure testing equipment is accompanied by low safety and high costs.In this paper,the ultrahigh pressure testing equipment for the environment simulation of deep-sea developed by prestressed steel wire-winding technology has been developed to overcome its limitations,and the device is currently under the highest working pressure in China.Meanwhile,it can monitor the environmental data in the cylinder and can achieve automatic control of lifting pressure.This paper briefly introduces the system components,the key technical problems and solutions in the development process.Finally,the typical experiment application of the equipment is introduced,which will provide beneficial reference for the development and application of experimental devices used to simulate ultrahigh pressure environment testing in the deep sea.

pre-stressed steel wire-winding;ultrahigh pressure;testing equipment

P715

A

1003-2029（2017）05-0011-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.05.002

2017-02-14

國家重點研發(fā)計劃重點專項資助項目（2016YFC0300900）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）課題資助（XDB06060200）

張海龍（1981-），男，高級工程師，主要研究方向為海洋工程技術(shù)裝備與試驗。E-mail：zhanghailong@sidsse.ac.cn