深水高压舱典型实验实例研究

姚志广 ，秦延龙 ，赵开龙 ，徐 爽

（1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451；2.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津 300451）

深水高压舱典型实验实例研究

姚志广1，2，秦延龙1，2，赵开龙1，2，徐 爽1，2

（1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451；2.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津 300451）

随着深水条件下海洋资源开发活动的增加，将出现越来越多的水下设备。文章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，通过两个典型的结构物模型实验案例，总结了深水高压环境下海工结构物的检测实验流程，为今后的实验研究提供指导，为规范和标准的编制提供参考。

深水高压舱；承压实验；疲劳实验；检测流程

0 引言

由于海洋环境的复杂性，海洋资源开发过程中所使用的设备在服役期间的安全性、可靠性极为重要，2010年墨西哥湾海域发生的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工作安全可靠，需要在其投入使用前进行大量实验研究和检测评价工作，包括高压条件下的水密性检验、承压强度检验、疲劳实验等。为此世界上一些发达国家如英国、美国建立了颇具规模的深海环境实验室，为潜艇结构舱段、各类潜器、水下生产设施和探测仪器等新型深海装备进行结构耐压测试、水密性试验等 （图1为英、美实验室深水高压舱照片）。

中国石油集团海洋工程重点实验室研制并装备了能够模拟1500m和3000m水深的深水高压舱各一套，用以开展海洋石油开发中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。本文介绍了利用该深水高压舱进行的某潜艇舱段的承压实验和某取样设备的疲劳实验以及建立的检测实验流程。

1 承压实验研究

本次实验主要是针对活动在700 m水深附近的某潜艇舱段进行的承压实验，以检测其使用安全性。实验模型直径400 mm、长600 mm、壳板厚度6 mm，两端采用厚为14 mm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2所示，所用的深水高压舱如图3所示，实验测试系统框图见图4。

在正式实验前先进行预加载，加载曲线如图5所示，峰值2 MPa，重复次数为3次。随后对应变片测试点的数据进行了分析，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，可以进行正式实验。

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，并且设定各段的保压时间（压力到设定数值时开始计时）：初始阶段为2 min，临近设计压力值以后为5 min，加载曲线见图6。

实验过程中，当压力达到6.6 MPa时听见“砰”的一声巨响，此时筒内压力值急剧下降至零，实验结束。模型破坏瞬间的状况见图7（a），压溃后的模型见图7（b）。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，需重新进行设计。

2 疲劳实验研究

本次实验主要是针对活动在400 m水深附近的某取样设备进行的疲劳实验，以检测其使用安全性。实验模型如图8所示，实验模型最大处内径400 mm、最小处内径300 mm，模型直线段长度482 mm，外部安装了矩形加强肋骨，大、小直径段之间的过渡段沿轴线方向长度60 mm，壳板厚度8 mm。两端采用厚为10 mm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。实验测试系统框图如图4所示。

实验首先采用分级预压加载方案，如图9所示，采用4次循环，测试材料线性。各个测点的应变情况如图10所示，从测试结果可以看出模型材料线性程度较好，满足进行疲劳实验要求。

正式实验中采用应变片等对结构模型的低周疲劳损伤进行在线监测，根据压力—时间曲线形状，可以判断结构模型是否因裂纹贯穿发生泄漏。

实验加压程序如下：

共计500次循环，其中每阶段稳压3min，进行应变测量。实验加载曲线和模型应变曲线见图11、12。

实验按照取样设备疲劳寿命进行设定，当循环加载次数达到设计值500次时，根据图12的应变曲线分析可知，此时模型表面应变未发生塑性变化，线性程度较好，初步判断模型设计满足要求。

3 检测实验流程

承压实验和疲劳实验是针对在水下长期服役的仪器设备所做的两个最基本实验，通过上述两个有代表性的实验例子及其经验总结，制定了深水高压环境下的海工结构物强度检测实验流程，见图13。

图13 深水高压环境下海工结构物结构强度检测实验流程

期望该检测实验流程为后续的一些实验研究提供指导，并为相关的规范制定、标准编写提供参考。

[1]JB 4732-95，钢制压力容器－分析设计标准[S].

[2]GJB 64.2A-97，舰船船体规范-潜艇[S].

[3]GJB/Z 21A-2001，潜艇结构设计计算方法[S].

[4]梁超.潜器耐压壳体结构可靠性分析[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.

[5]高灵芝.大型深潜潜艇耐压船体结构设计研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2003.

Typical Experimental Examples in High Pressure Cabin for Simulating Deepwater Condition

YAO Zhi-guang（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China）,QIN Yanlong,ZHAO Kai-long,et al.

With the activities of offshore oil and gas exploration and development increasing rapidly,more and more subsea equipment is used in deepwater,and suffers high pressure caused by water.In order to simulate the high pressure,the CNPC Key Laboratory of Offshore Engineering built a high pressure cabin in 2010.Two typical experimental examples in the high pressure cabin were shown in this paper.Based on the exam-ples,a complete set of inspection experimental procedure was built and would offer reference for compiling relevant code and standard.

high pressure cabin； pressure bearing testing； fatigue testing;inspection procedure

TE952

B

1001－2206（2011）增刊－0014－03

姚志广 （1983-），男，辽宁凌源人，工程师，2007年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，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。

2011-08-10；

2011-08-19