深海耐压仪器舱的设计

于彦江，张志刚，徐行，罗贤虎

（国土资源部广州海洋地质调查局，广东广州510760）

深海耐压仪器舱的设计

于彦江，张志刚，徐行，罗贤虎

（国土资源部广州海洋地质调查局，广东广州510760）

结合海底地热流探测设备工作环境的需要，介绍了深海耐压仪器舱的设计过程，重点解决了耐压、水密和防腐蚀三个问题，并进行了压力试验和海上试验，能够满足4 000 m水深的使用要求。

耐压仪器舱；水密性；外压容器；设计

引言

国民经济的快速发展对矿产资源的需求量急剧增长，随着开采的加剧，陆地矿产资源日益枯竭，海洋越来越成为人们关注的领域。随着海洋技术的发展，海洋的勘探开发等研究工作也逐渐从浅海走向深海。耐压仪器舱是为电子电路、电源等仪器单元提供安装空间的水密耐压圆筒，广泛应用于海洋勘测开发、科学研究以及水下武器装备等海洋设备。本文以国家863计划海洋技术领域科研课题“天然气水合物的热流原位探测技术”研制设备中的技术分析为例，介绍了该设备的重要部件之一——耐压仪器舱的设计与制作过程，探讨其需要解决的耐压、水密和防腐蚀等关键技术问题。

1 耐压仪器舱的设计

1.1 耐压仪器舱的结构组成

多道海底热流原位探测设备包括三个耐压仪器舱，每个耐压仪器舱之间均通过水密插件和电缆相连，水密插件设计在耐压仪器舱顶面或底面。将耐压仪器舱设计为圆柱体，主要是基于圆柱体径向耐压性能高、轴向水下迎流阻力小、易加工制作等优点考虑的[2]。耐压仪器舱由一个圆筒、两个端盖以及端盖上的水密接插件组成，每个端盖和圆筒都用六个螺钉在圆周上均布连接，结合部位由O形圈进行密封，其结构如图1所示。

该结构的优点是：（1）上下端盖都与外部相通，便于拆卸，方便内部部件安装、维修；（2）采用多分体式结构，有利于加工制造；（3）端盖使用双道O形圈进行密封，结构简单，密封可靠；（4）上端盖开有排气孔，便于打开密封舱；装有吊环，便于起吊、搬运；配有Subconn水密接插件，能够保证舱体内外信息连通。

图1 耐压仪器舱壳体结构

1.2 圆筒的耐压设计

根据多道海底热流原位探测设备最大工作水深4 000 m的使用要求，提出了耐压仪器舱的设计要求：

（1）能承受的外部静压力不小于40 MPa，即设计压力P=40 MPa；

（2）在0～30℃环境下能连续工作3 h以上，其中在海底停留时间约25 min；

（3）根据内部安装电源、电路控制板等零部件的需要，设计圆筒长度为L=575 mm，内径为Di=156 mm。

由于该圆筒承受外部压力较大，所以圆筒设计壁厚较大，属于厚壁圆筒，必须考虑强度失效与失稳两种情况，然后选择两者中的低值为许用外压力。在文献[1]中给出厚壁圆筒的计算许用外压力[P]：

式中：D0为圆筒外直径，mm；δe为圆筒的有效厚度，mm；B为系数，MPa；σ0为应力，取以下两值中的较小者：σ0=2[σ]t，σ0=0.9σst或0.9σ0.2t

建造潜水器的材料，一般是采用具有高比强度、高比刚度的金属或非金属材料，如高强度铝合金、高强度船用钢、钛合金和纤维增强复合材料等[3]。制造海洋耐压容器的三种常用材料的物理性能及力学性能对比见表1。

表1 材料物理性能及力学性能对比

三种材料均能耐海水腐蚀（铝合金6061经过表面阳极氧化处理后），因此，取腐蚀裕量C2=0；该厚壁圆筒需采用棒材加工而成，板材厚度负偏差C1=0，则厚度附加量C=C1+C2=0，所以圆筒的名义厚度δn=δe+C=δe，则由式（1）和（2）可以得到：

由于耐压仪器舱单站位在海水中停留时间较短，而且为静压力，所以安全系数选为1.3能够满足生产要求，取σst=1.3B。由于安全系数小于2，2[σ]t＞0.9σst，取σ0=0.9σst，令[p]=p=40 MPa，代入式（3）分别求出三种材料所需壁厚：

表2 满足设计要求的不同材料参数对比

由表1和表2可以看出，铝合金6061与不锈钢0Cr18Ni9和TC1相比主要有以下优点：（1）铝合金6061的屈服强度介于0Cr18Ni9和TC1之间，所需壁厚处于中间值；（2）6061的密度只有0Cr18Ni9的三分之一，TC1的五分之三，圆筒重量及毛坯重量都较轻；（3）6061易加工制造，总的加工成本最低。基于以上优势，圆筒材料选用进口变形铝合金6061。

1.3 端盖的设计

两端盖同样采用铝合金6061材料。考虑到端盖要安装接插件，所以端盖总体上为平端盖（图1）。文献[1]中平端盖计算公式为：

式中：δp为平盖计算厚度，mm；Dc为平盖计算直径，mm；K为结构特征系数；[σ]t为设计温度下材料的许用应力，[σ]t=184 MPa；φ为焊接接头系数，φ≤1。

该端盖Dc=178 mm，φ=1，查文献[1]表7-7可知K=0.25，计算得到δp=41.5 mm。考虑到端盖上要开排气孔、接插件安装孔，以及两道径向密封槽宽度，最终取端盖厚度为δp=69 mm。

1.4 水密

水密是所有潜水设备需要解决的关键问题之一，可靠的水密性能是潜水设备安全的保障。O形密封圈是密封中最常用的密封件，其优点是[4-5]：（1）动、静密封两用、密封性好、寿命长；（2）体积小、重量轻、成本低、结构简单、装卸方便；(3)具有自动双向作用密封功能，其密封能力随系统压力的增大而提高；(4)适用范围广，静密封100 MPa或更高，动密封35 MPa；工作温度-60～200℃；对温度和压力的适应性好。

该耐压仪器舱均为静密封，主要包括径向和轴向两种密封方式。端盖与圆筒间是径向密封，采用双道密封圈（图1），确保密封的可靠性。端盖上水密接插件和排气孔堵头均采用轴向端面密封。由于外压的存在，密封圈会越压越紧，密封性能会越来越好。

1.5 防腐蚀

为了克服铝合金表面性能方面的缺点，扩大应用范围，延长使用寿命，表面处理技术是非常重要的一环，用以解决或提高防护性、装饰性和功能性三大方面的问题[6]。

该耐压仪器舱采用了阳极氧化处理技术，即用铝合金作阳极，用铅、碳或不锈钢做阴极，在草酸、硫酸、铬酸等的水溶液中电解。在铝合金表面形成一种结晶细致、耐酸耐碱的Al2O3氧化膜，膜厚一般在5～15 μm[6]。该膜是由致密的阻碍层和柱状结构的多孔层组成的双层结构。该工艺方法简单、易维护、成本低，较好地解决了铝合金耐海水腐蚀的问题。

2 试验

2.1 压力试验

深海耐压仪器舱设计制作完成后，需要进行压力试验。由于该耐压舱是用在深海，所以采用液压试验，试验液体选用水，检验其耐压能力的同时也便于观察水密性能如何。根据文献[1]外压容器液压试验公式：

压力试验前，应按下式校核圆筒应力：

σT应满足液压试验条件：σT≤0.9φσ（sσ0.2）

经过计算，液压试验压力pT=50 MPa。压力试验条件下，圆筒应力：σT=194.6 MPa，满足液压试验条件：σT≤0.9φσs=248.4 MPa。

2008年3 月，在高压试验罐中对耐压仪器舱进行了压力试验（图2）。在50 MPa压力下保持2 h不泄压，验证了耐压仪器舱满足压力和水密要求。

2.2海上试验

图2 耐压仪器舱在高压试验罐中

该“剑鱼”多道海底热流原位探测设备研制成功后，先后于2008年6月、2009年5月和8月三次搭乘广州海洋地质调查局“海洋四号”科学考察船，应用到南海中沙群岛幅区域地质调查中（水深3 000～4 000 m），采集到了大量的海底表层沉积物温度数据。成功应用到海上生产中，表明了该设备的耐压仪器舱在耐压、水密、防腐蚀方面都达到了设计要求。

图3 “剑鱼”多道海底热流原位探测设备出水瞬间

3 结语

该仪器舱经过耐压试验和成功应用到海上生产，可以看出设计制造的耐压仪器舱具有以下优势：

（1）选用高强度铝合金材料制造，不仅在强度上达到了设计要求，而且质量较轻，便于搬运和安装；

（2）端盖和圆筒之间采用双道密封圈径向密封，接插件采用端面密封，结构简单，密封可靠；

（3）耐压舱表面进行了阳极氧化处理，生成的氧化膜具有很强的耐海水腐蚀能力；

（4）满足内部电子器件安装要求，尺寸较小，加工成本最低；

（5）舱体端盖水密接插件，可以保证内外信息的传递；

（6）具有广泛的应用价值，可以推广应用到其他海洋设备上。

[1]GB 150—1998，钢制压力容器[S].

[2]陈永华，李思忍，龚德俊等.一种小型水密耐压舱体的设计与制作[J].压力容器，2007，24（9）：25-28.

[3]陆蓓，刘涛，崔维成.深海载人潜水器耐压球壳极限强度研究[J].船舶力学，2004，8（1）：51-58.

[4]贾苏书.使用O型密封圈应注意的问题[J].煤炭技术，2006，25（8）：109-110.

[5]赵立新,丁筱玲,张亚民等.O形密封圈功能的充分发挥[J].排灌机械,2000,18(2)：32-35.

[6]余美琼.铝及铝合金表面处理技术新进展[J].化学工程与装备，2008，（6）：84-88.

TH122

B

1003-2029（2010）02-0033-04

2010-03-12

国家“十一五”863计划海洋技术领域资助项目（2006AA09A203）

于彦江（1983-），男，硕士，主要研究方向为海洋勘察设备设计与制造。E-mail：yuyanjiang2004@tom.com。