劉 勇， 程 謙， 吳德發(fā)， 劉銀水

(1.武漢華喜特種液壓設(shè)備有限公司, 湖北 武漢 430000； 2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

引言

海洋面積占據(jù)地球表面積的70%以上[1]，隨著人類對能源需求的急劇增加，陸地上可利用的不可再生資源日益匱乏。為此，瀕臨海洋的大多數(shù)國家及地區(qū)加快了對海洋的探索和開發(fā)[2]。深海作業(yè)設(shè)備的研制和基于深海環(huán)境壓力模擬的實驗裝置成為了海洋探索開發(fā)的重要基礎(chǔ)[3]。深海環(huán)境模擬實驗臺是結(jié)合相關(guān)設(shè)備，在實驗室條件下實時模擬深海壓力環(huán)境，模擬深海作業(yè)設(shè)備下潛、上升時壓力環(huán)境的變化，以檢驗與論證深海作業(yè)設(shè)備在深海環(huán)境中的使用性能，對縮短設(shè)備研究周期、降低研制成本、減少海試造成意外損失等具有重要的研究意義和實際價值[4]。

深海壓力受海水重力作用產(chǎn)生，每100 m水深壓力增加約1 MPa。因此，深海作業(yè)設(shè)備在投入使用前，有必要對其進(jìn)行不同壓力下的耐壓實驗[5]。目前，國內(nèi)外的科研單位及高校針對深海環(huán)境模擬實驗技術(shù)開展了一系列技術(shù)研究，同時研制了深海模擬裝置。國外主要針對深海壓力環(huán)境的穩(wěn)壓控制和對簡單變化的動態(tài)壓力進(jìn)行模擬等方面的技術(shù)研究，技術(shù)相對較為成熟。根據(jù)不同試驗需求，美、日等國家通過對深海環(huán)境壓力模擬實驗技術(shù)進(jìn)行研究，研制出了多種不同應(yīng)用要求的深海環(huán)境模擬實驗裝置，主要可以分為兩大類：

(1) 為了研究深海裝備的工作性能而研制的以壓力為主要參數(shù)的大容積的深海環(huán)境模擬實驗裝置；

(2) 為了研究深海微生物的生存習(xí)性而研制的微小型、超高壓深海極端環(huán)境模擬實驗裝置。

而國內(nèi)研究內(nèi)容主要集中在“定深靜壓”等方面，其主要目的是為相關(guān)水下設(shè)備的研制提供一個穩(wěn)定的靜壓實驗環(huán)境[6]。目前可以模擬全海深的試驗臺資料較少，文獻(xiàn)[6]中，上海交通大學(xué)建造了40 MPa深水高壓環(huán)境試驗筒；浙江大學(xué)舟山校區(qū)建成60 MPa壓力筒；中船重工某研究所計劃建造的90 MPa壓力筒。本研究以0～160 MPa的全深度深海壓力環(huán)境模擬實驗臺為對象，介紹了整個實驗臺功能、實驗臺關(guān)鍵技術(shù)研究以及實驗測試的可靠性。

1 全海深環(huán)境模擬實驗臺工作原理及組成

1.1 主要性能指標(biāo)

額定工作壓力：160 MPa；

有效直徑：800 mm；

有效深度：1500 mm；

預(yù)加壓壓力：2～5 MPa；

增卸壓速度：0～6.5 MPa/min，設(shè)定最小單位0.1 MPa；

壓力控制精度：≤±1 MPa；

工作介質(zhì)：海水或淡水；

工作環(huán)境：常溫。

根據(jù)這些要求指標(biāo)，本研究研制了一套全海深環(huán)境模擬實驗臺，其主要由高壓艙、承力框架、預(yù)加壓系統(tǒng)、超高壓增壓系統(tǒng)、比例卸壓系統(tǒng)等組成，圖1為模擬實驗臺原理圖。

圖1 模擬實驗臺原理圖

模擬實驗臺的基本工作原理如圖2所示，此工作順序為實驗臺正常運行時的自動動作順序。

圖2 實驗臺動作順序

1.2 高壓艙及承力框架系統(tǒng)

圖3為高壓艙及承力框架組成部分；高壓艙由主體、上端蓋、下端蓋、排氣閥和大通徑卸余壓閥組成。模擬實驗臺在最高工作壓力時，軸向力達(dá)80.4 MN。承力框架移動至高壓艙處，上下端蓋頂起至承力框架內(nèi)上下半圓梁擋板，將軸向力傳遞給框架，保證高壓艙加壓時的安全性。

圖3 全海深環(huán)境模擬實驗臺

圖4為高壓艙結(jié)構(gòu)圖，高壓艙通過超高壓缸筒、上法蘭、下法蘭等零件經(jīng)預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞而成，用以承受工作時工作介質(zhì)傳來的徑向壓力。即使在最高工作壓力下，纏繞缸體內(nèi)壁也不會出現(xiàn)拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，從而保證具有較長的使用壽命。

圖4 高壓艙結(jié)構(gòu)圖

1.3 預(yù)加壓系統(tǒng)

預(yù)加壓系統(tǒng)由預(yù)加壓泵組、水箱及控制閥等組成，主要為設(shè)備工作提供工作介質(zhì)水。

預(yù)加壓泵為高壓艙快速預(yù)加壓，將艙內(nèi)空氣排出，達(dá)到封閉自動排氣閥的目的，預(yù)加壓壓力為2～5 MPa可調(diào)，如圖5所示。

圖5 預(yù)加壓泵及供水站

1.4 超高壓增壓系統(tǒng)

超高壓增壓系統(tǒng)由增壓器、抽液泵組、控制閥組等組成。

圖6所示為增壓器原理圖。增壓器工作時的原理如下：當(dāng)液壓油從增壓器左側(cè)油管進(jìn)入左側(cè)油腔，推動活塞和活塞桿向右運動。左側(cè)高壓腔的容積不斷增大，容腔內(nèi)的水不斷膨脹，壓力急劇下降。當(dāng)左側(cè)高壓腔內(nèi)的壓力降到與供水泵壓力相等時，左側(cè)進(jìn)水單向閥打開，低壓水從進(jìn)口流入左側(cè)高壓腔。在活塞和活塞桿向右運動的過程中，右側(cè)高壓腔的容積不斷變小，容腔內(nèi)的水不斷被壓縮，壓力急劇上升。當(dāng)右側(cè)高壓腔內(nèi)的壓力達(dá)到出水壓力時，右側(cè)出水單向閥打開，高壓水從出口流出；同時，行程開關(guān)發(fā)出信號，電磁換向閥動作，改變液壓油流向。此時，液壓油從增壓器右側(cè)油管進(jìn)入油腔 ,推動活塞和活塞桿向左運動。右側(cè)高壓腔的容積不斷增大，直至右側(cè)進(jìn)水單向閥打開，低壓水從進(jìn)口流入右側(cè)高壓腔?；钊突钊麠U向左運動的過程中，左側(cè)高壓腔的水不斷被壓縮，壓力急劇上升[7]。如此往復(fù)地對高壓艙進(jìn)行增壓。

圖6 超高壓增壓器

抽液泵組由水泵和下端蓋組件內(nèi)置的大通徑卸余壓閥組成，在卸壓至設(shè)定壓力值(不大于2 MPa)后，大通徑卸余壓閥開啟，迅速將壓力筒內(nèi)余壓卸盡，同時外部的水泵啟動，開始對高壓艙進(jìn)行主動抽液。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 泵的參數(shù)確定及規(guī)格選型

增壓器規(guī)格為最高輸出壓力200 MPa，流量3 L/min，增壓比K為15。全海深環(huán)境模擬實驗臺高壓艙有效直徑800 mm，有效深度1500 mm，可算出高壓艙在端蓋關(guān)閉狀態(tài)空氣完全排出后注滿水的體積V為0.754 m3。

由于液體受壓力作用而發(fā)生體積減小，所以高壓艙內(nèi)壓力增大Δp為160 MPa時，體積減小ΔV(即增壓時泵向高壓艙內(nèi)輸入的水的體積)，液體的體積彈性模量見式(1):

(1)

水的體積彈性模量K為2.18×103MPa，代入?yún)?shù)計算得出ΔV為0.056 m3。

最大增壓速度6.5 MPa/min(每分鐘下潛650 m)，即增壓至160 MPa時所需時間t為24.62 min；可計算出流量q為2.275 L/min。

此時計算得出的流量為增壓器在100%補(bǔ)壓狀態(tài)下向高壓艙內(nèi)的補(bǔ)壓流量。

增壓器活塞直徑D為80 mm，活塞桿直徑d為20 mm，最大行程L為120 mm，可根據(jù)式(2)計算增壓器往復(fù)運動的頻率：

(2)

式中，f為增壓器的運動頻率。

得出f為1810次/h；根據(jù)式(3)計算控制泵向缸內(nèi)活塞輸入的流量：

(3)

代入?yún)?shù)計算得出，qin為34.1 L/min；此流量為控制泵輸入增壓器的最大流量。

由于大活塞與活塞桿的有效作用面積不同，因此活塞桿輸出的壓力pb比pa高，pb為200 MPa時，根據(jù)式(4)可算出活塞pa的壓力即最大工作壓力：

pb=paKηm

(4)

式中，ηm—— 增壓缸機(jī)械效率(一般取0.8～0.85)

K—— 增壓比

此處取ηm為0.8，計算得出pa為16.67 MPa；此壓力為控制泵向增壓器輸出的壓力。

根據(jù)上面計算的壓力和流量，選用A7V40型斜軸式軸向柱塞泵，該泵額定壓力35 MPa， 1450 r/min時的流量為56.4 L/min，選擇比例變量泵作為增壓器的控制泵。

2.2 分級卸壓控制

由3套超高壓卸壓閥組成，設(shè)計工作壓力300 MPa。超高壓卸壓閥由進(jìn)水端、出水端和控制端組成；卸壓閥采用常閉閥結(jié)構(gòu)，斷電情況下艙內(nèi)也處于保壓狀態(tài)。

超高壓卸壓閥組結(jié)構(gòu)如圖7所示。卸壓時，啟動增壓器向高壓艙進(jìn)行補(bǔ)壓，同時開啟卸壓閥進(jìn)行卸壓，實現(xiàn)動態(tài)的卸壓平衡，增壓器補(bǔ)壓的流量通過主驅(qū)動泵的比例控制進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時，主泵控制泵通過控制閥組對卸壓閥控制端的壓力流量的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)卸壓閥的分級控制， 完成卸壓流量通過3個閥件開啟的不同組合調(diào)節(jié)，實現(xiàn)160～5 MPa分級卸壓工作。3個卸壓閥均安裝在高壓閥組上，同時內(nèi)部集成了爆破片，爆破片爆破壓力170～178 MPa。

圖7 超高壓卸壓閥組

2.3 超高壓密封

由于高壓艙蓋對高壓艙上部進(jìn)行超高壓密封，密封性能的好壞直接影響模擬實驗臺的使用。因此，高壓艙上下端蓋的密封采用三角金屬圈、Yx形密封圈組合結(jié)構(gòu)。Yx形密封圈依靠其唇邊部分受流體壓力作用后，與被密封面緊密接觸來進(jìn)行密封的，主要用于往復(fù)運動的密封[8]。Yx圈在受高壓擠壓時，其開口根部有較大的接觸應(yīng)力，且易發(fā)生變形及擠壓剪切，通過三角金屬圈給Yx圈一個側(cè)向支撐力，使Yx圈短邊接觸應(yīng)力分散到高壓艙蓋上，長邊與密封面接觸，增加壓縮量，這種結(jié)構(gòu)密封能力隨壓力的升高而提高，如圖8所示。同時，這種結(jié)構(gòu)密封穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、更換成本也相對較低。

圖8 Yx形超高壓密封圈

3 試驗測試

通過實驗，驗證了本研究設(shè)計研制的全海深環(huán)境模擬實驗臺在加壓、保壓和卸壓的壓力情況。圖9為實驗臺額定工作壓力測試曲線，設(shè)定最高壓力為160 MPa，最高增卸壓速度為6.5 MPa/min，其中160 MPa保壓時長為9 h。

圖9 加壓測試曲線圖

圖10為實驗裝置耐壓試驗曲線，設(shè)定最高壓力130 MPa保壓1 h，115 MPa保壓2.5 h，最高增卸壓速度為4.6 MPa/min。

圖10 實驗裝置耐壓試驗曲線圖

通過圖9和圖10壓力曲線圖可知，實驗臺在制壓時的穩(wěn)定性和可靠性，全深海環(huán)境模擬實驗臺實物如圖11所示。通過水箱的補(bǔ)水泵將水注入超高壓增壓系統(tǒng)中，由液壓回路串聯(lián)增壓器實現(xiàn)高壓艙增壓和持續(xù)補(bǔ)壓的有效性和可行性。

圖11 全海深環(huán)境模擬實驗臺實物

4 結(jié)論

針對深海作業(yè)設(shè)備下潛、上升時外部壓力環(huán)境的變化，研制出一套全海深環(huán)境模擬實驗臺。研制過程中，對超高壓增壓系統(tǒng)的設(shè)計及增壓器的可行性進(jìn)行校核，對增壓器控制泵的選用參數(shù)進(jìn)行核算。在實驗過程中，實驗臺模擬的壓力性能保持穩(wěn)定。增壓過程中艙內(nèi)壓力與設(shè)定壓力存在一定差值，通過增壓器壓力持續(xù)補(bǔ)償，艙內(nèi)壓力恢復(fù)與設(shè)定壓力相同。實驗結(jié)果證明了全海深環(huán)境模擬實驗臺在不同壓力環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性，為深海作業(yè)設(shè)備的使用和耐壓性能實驗等提供了安全可靠的保障和重要意義。