吳靜，張帥，湯朋朋，楊敏

一種適用于深水壓試驗(yàn)的傳壓隔熱裝置設(shè)計(jì)

吳靜，張帥，湯朋朋，楊敏

（中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

真實(shí)高效地進(jìn)行深水壓環(huán)境的溫度模擬。提出一種深水壓試驗(yàn)壓力加載過(guò)程中的恒溫實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)開(kāi)展基于皮囊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封性設(shè)計(jì)、導(dǎo)熱性研究等工作，設(shè)計(jì)一種適用于深水壓試驗(yàn)的傳壓隔熱裝置，對(duì)其進(jìn)行理論分析和仿真計(jì)算。該裝置可以實(shí)現(xiàn)液體溫度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)基本恒定，具有良好的傳壓隔熱性能。在建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了深水壓環(huán)境模擬試驗(yàn)中壓力載荷同步條件下液體溫度小范圍恒定功能，該技術(shù)為深水壓環(huán)境試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)研究提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

深水壓；水壓控制；恒溫模擬

隨著深海探索技術(shù)的發(fā)展，深海作業(yè)設(shè)備面臨著海洋環(huán)境的考驗(yàn)，其安全性和可靠性要求不容忽視。通過(guò)深水壓力環(huán)境試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備的性能是目前最常用的測(cè)試方法。海洋環(huán)境中，海水壓力隨深度的增加而增加，而海水溫度隨深度的增加而下降。為了真實(shí)地再現(xiàn)物體入海所承受的壓力和溫度，需開(kāi)展深水環(huán)境試驗(yàn)壓力動(dòng)態(tài)加載和溫度控制技術(shù)研究。文中設(shè)計(jì)了一種適用于深水壓試驗(yàn)的傳壓隔熱裝置，以實(shí)現(xiàn)深水壓力環(huán)境模擬試驗(yàn)中在壓力載荷同步條件下液體溫度小范圍恒定功能。

1 傳壓隔熱裝置設(shè)計(jì)

深水壓環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)艙（壓力艙）、增壓系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)組成。試驗(yàn)件置于試驗(yàn)艙內(nèi)，控制系統(tǒng)通過(guò)增壓裝置對(duì)試驗(yàn)艙進(jìn)行注水加壓，由于試驗(yàn)艙容積大，且存在溫度耗散大、效率低的弱點(diǎn)，導(dǎo)致對(duì)整個(gè)試驗(yàn)艙進(jìn)行水溫控制難度較大。文中設(shè)計(jì)的傳壓隔熱裝置可根據(jù)被試件的體積進(jìn)行設(shè)計(jì)，將試驗(yàn)件和傳壓隔熱裝置整體置于試驗(yàn)艙中進(jìn)行深水壓模擬試驗(yàn)，如圖1所示。

圖1 水壓控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 壓力傳遞裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓力傳遞裝置主要將試驗(yàn)艙中的壓力傳遞給被試件，實(shí)現(xiàn)壓力傳遞作用的同時(shí)起到隔離作用。結(jié)構(gòu)如圖2所示，該壓力傳遞裝置由圓筒狀開(kāi)口皮囊與端蓋構(gòu)成。皮囊具有柔韌性好，彈性變形內(nèi)可迅速恢復(fù)，且壓力傳遞時(shí)不易產(chǎn)生振動(dòng)等特點(diǎn)，因此選用皮囊作為壓力傳遞裝置的主要介質(zhì)。端蓋材質(zhì)為45#鋼，可用于被試件的固定安裝，端蓋表面設(shè)置進(jìn)水孔、測(cè)試信號(hào)線穿艙孔、吊裝孔等。圓筒狀開(kāi)口皮囊和端蓋的設(shè)計(jì)形式具有被試件安裝可靠、內(nèi)部空間能得到充分利用等優(yōu)點(diǎn)，皮囊與端蓋之間通過(guò)法蘭夾持實(shí)現(xiàn)密封性設(shè)計(jì)。

圖2 壓力傳遞裝置結(jié)構(gòu)

1.2 皮囊分析與選型

水的體積彈性模量很大，幾乎不可壓縮。將皮囊內(nèi)注滿液體并密封，試驗(yàn)時(shí)壓力傳遞裝置為一閉式容腔。皮囊作為壓力傳遞的彈性敏感單元，當(dāng)試驗(yàn)艙加壓時(shí)，即皮囊外部壓力大于內(nèi)部壓力，皮囊收縮，皮囊內(nèi)壓力升高，直到與外壓平衡；反之，當(dāng)試驗(yàn)艙降壓時(shí)，皮囊內(nèi)壓力也隨之降低，直到與外壓相等。試驗(yàn)壓力加載過(guò)程中，皮囊本身幾乎不承受壓力。皮囊自身具有減震性能，壓力傳遞精度高、無(wú)沖擊。

皮囊容腔內(nèi)介質(zhì)的體積變化量計(jì)算公式為：

式中：Δ為閉式容腔內(nèi)液體的體積變化量；Δ為壓力變化量；為閉式容腔內(nèi)液體的總體積；e為容腔內(nèi)液體的有效彈性模量。其中，容腔內(nèi)液體的有效彈性模量e計(jì)算公式為：

式中：l為容腔內(nèi)液體的體積彈性模量（自來(lái)水為2100 MPa）；g為容腔內(nèi)液體所含的氣體（自來(lái)水g=3×1-5）；E為氣體的絕熱體積彈性模量（g=1.4）。

若取試驗(yàn)初始?jí)毫?0.1 MPa，試驗(yàn)最大壓力為8 MPa，皮囊容腔有效體積為118 L，介質(zhì)為自來(lái)水，由式（1）、式（2）可計(jì)算得皮囊容積變化Δ約為0.6 L（0.5%）。

皮囊材質(zhì)采用氯磺化聚乙烯橡膠材料，它是一種以聚乙烯為主鏈的飽和彈性體，具有優(yōu)異的耐臭氧性、耐熱性、難燃性、耐水性、耐油性、耐磨性等。在皮囊內(nèi)注滿液體并密封的情況下，8 MPa外壓力下不會(huì)發(fā)生破壞，能夠起到傳壓的作用。

此外，皮囊內(nèi)的液體介質(zhì)不限于自來(lái)水，可以根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行更換，試驗(yàn)介質(zhì)的靈活性增加，可為被試件提供更真實(shí)的模擬環(huán)境。

2 保溫設(shè)計(jì)

皮囊本身的保溫能力有限，且金屬端蓋的導(dǎo)熱性能較強(qiáng)。為提高傳壓裝置的隔熱性能，圓筒狀皮囊和端蓋均設(shè)計(jì)為三明治結(jié)構(gòu)，分別在皮囊和端蓋中間夾層中填充保溫材料。保溫材料應(yīng)滿足以下要求：低導(dǎo)熱系數(shù)；具有一定的柔性和強(qiáng)度，不能影響壓力傳遞效果；經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、無(wú)毒無(wú)害、易塑形、易加工等特點(diǎn)。

2.1 保溫材料

橡塑保溫材料是彈性閉孔彈性材料，具有柔軟、耐寒、耐熱、阻燃、導(dǎo)熱系數(shù)低、減震等優(yōu)良性能，已被廣泛應(yīng)用于建筑、化工、冶金、車輛、電器等行業(yè)，能達(dá)到降低冷損和熱損的效果，是高品質(zhì)的絕熱保溫材料。

2.2 工程傳熱計(jì)算

該隔熱裝置可等效為多層平壁傳熱計(jì)算，令平壁的厚度為，平壁兩側(cè)溫度為1的熱流體和2的冷流體，則熱量從熱流體傳到冷流體的過(guò)程為：熱流體與壁面的對(duì)流換熱、平壁內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、壁面至冷流體的對(duì)流換熱。當(dāng)傳熱過(guò)程穩(wěn)定后，平壁傳熱可表示為[1]：

其中，熱阻ε為：

式中：1和2為內(nèi)、外壁面對(duì)流換熱系數(shù)；1、2、3分別為皮囊（橡膠）、保溫層（橡塑）、端蓋（鋼板）的厚度；1、2、3分別為對(duì)應(yīng)的傳導(dǎo)系數(shù)。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 傳壓隔熱裝置材料組成及其參數(shù)

3 仿真分析

文中利用ANSYS進(jìn)行傳壓隔熱裝置瞬態(tài)熱分析計(jì)算。該熱傳導(dǎo)問(wèn)題看似是一個(gè)三維問(wèn)題，但由對(duì)稱性可簡(jiǎn)化為二維的軸對(duì)稱問(wèn)題，因此選用PLANE55單元。所建立的瞬態(tài)熱分析有限元模型如圖3所示。施加的初始條件為傳壓隔熱裝置內(nèi)部初始溫度25 ℃、外部溫度15 ℃、對(duì)流換熱系數(shù)650 W/(m2·℃)。

圖3 傳壓隔熱裝置瞬態(tài)熱分析有限元模型

通過(guò)求解計(jì)算得到3 h后傳壓隔熱裝置的溫度分布如圖4所示。內(nèi)部水溫變化為1.62 ℃，說(shuō)明所設(shè)計(jì)裝置中的保溫材料起到了良好的隔熱效果。

圖4 溫度分布云圖（t=3 h）

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述傳壓隔熱裝置的有效性，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在圖1所述的深水壓環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置中開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。壓力艙實(shí)物如圖5所示，其中艙蓋中央有一個(gè)可拆卸的法蘭盤(pán)，通過(guò)對(duì)法蘭盤(pán)的穿艙設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)罐體內(nèi)的加溫和溫度測(cè)量。

圖5 深水壓試驗(yàn)艙

傳壓隔熱裝置三維模型如圖6所示，經(jīng)過(guò)耐壓設(shè)計(jì)的加熱棒和鎧裝熱電偶通過(guò)壓力艙的法蘭盤(pán)穿艙，實(shí)現(xiàn)對(duì)皮囊內(nèi)液體的溫度控制與測(cè)量。加熱棒和熱電偶均采用端面密封的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)與壓力艙的密封。連接件用于連接傳壓隔熱裝置和艙蓋。通過(guò)注水口將皮囊充滿水后，整體吊入壓力艙內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。傳壓隔熱裝置的實(shí)物如圖7所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)加熱棒將傳壓隔熱裝置中的水加溫到25 ℃，再對(duì)整個(gè)壓力艙加壓到1 MPa。皮囊內(nèi)水溫變化如圖8所示，可以看出，壓力載荷同步條件下，3 h后皮囊內(nèi)水溫約23.3 ℃（下降了1.7 ℃）。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果有較好的一致性，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，溫度下降趨勢(shì)變快。

圖6 傳壓隔熱裝置三維模型

圖7 傳壓隔熱裝置

圖8 溫度隨時(shí)間變化曲線

5 結(jié)語(yǔ)

為了真實(shí)高效地進(jìn)行深水壓環(huán)境的溫度模擬，文中提出一種深水壓試驗(yàn)壓力加載過(guò)程中的局部恒溫實(shí)現(xiàn)方法?；谙鹉z和橡塑材料的三明治結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的傳壓隔熱裝置。實(shí)現(xiàn)了壓力載荷條件下液體溫度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)基本恒定，解決了深水壓力環(huán)境試驗(yàn)艙容積大，對(duì)整個(gè)試驗(yàn)艙內(nèi)水溫調(diào)節(jié)效率低的問(wèn)題。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的傳壓隔熱裝置，具有良好的隔熱性能。此外，該裝置具有良好的密封性能，通過(guò)該裝置實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)件與試驗(yàn)艙內(nèi)水的隔離，皮囊內(nèi)的液體介質(zhì)不限于自來(lái)水，可以根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行更換，增加試驗(yàn)介質(zhì)的靈活性。該研究工作可為深水壓力環(huán)境試驗(yàn)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

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Design of Pressure Transmission and Heat Insulation Device for Deepsea Pressure Test

WU Jing, ZHANG Shuai, TANG Peng-peng, YANG Min

(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China)

To simulate deep water pressure environment realistically and effectively.A method for realizing the constant temperature in the pressure loading process of deepsea pressure test was proposed to simulate the temperature of deepsea pressure environment. A device with the function of pressure transmission and heat insulation for deepsea pressure test was designed, based on the study of structure design, sealability design and thermal conductivity of the bladder. The theoretical analysis and simulation calculations of the device were carried out.The device could achieve the basic constant temperature of the liquid for a long time, and had good pressure transmission and heat insulation performance.The experimental research is carried out on the established test system to realize a small range of constant liquid temperature under the condition of pressure load synchronization in the deep water pressure environment simulation test. This technology provides technical reserves for related technical research in deep water pressure environmental test.

deepsea pressure; water pressure control; constant temperature simulation

10.7643/ issn.1672-9242.2019.02.003

TJ01

A

1672-9242(2019)02-0012-04

2018-11-23；

2019-01-04

中物院總體所創(chuàng)新與發(fā)展基金（2017cxj41）

吳靜（1989—），女，四川人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)殡姎饪刂?、環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)等。