劉廣平 萬步炎 彭佑多 金永平

湖南科技大學(xué)海洋礦產(chǎn)資源探采裝備與安全技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，湘潭，411201

0 引言

全海深通常是指涵蓋海洋最深處的區(qū)域，目前發(fā)現(xiàn)的海洋最深處是11 000 m左右的馬里亞納海溝[1-4]。深淵海底沉積物中蘊(yùn)藏著大量的微生物等生命群落，這些微生物群落是人類認(rèn)識和研究深淵生命演化及深淵環(huán)境變化的重要途徑。要開發(fā)利用這些海底資源，必須開展全海深沉積物氣密取樣器的研制工作。由于海底特殊的高壓環(huán)境條件，在海底沉積物采集過程中必須盡可能減小微生物的外部環(huán)境壓力的波動，避免外部壓力的變化對微生物生命特征的影響，因此，全海深沉積物氣密取樣器保壓性能研究很重要[5-8]。劉鵬等[9]對保壓容器的筒體及端蓋連接方式進(jìn)行了設(shè)計計算，提出了一種新型的端蓋連接方式，通過建立保壓容器的三維模型及有限元模型，分析了60 MPa壓力下保壓容器的強(qiáng)度可靠性。王文濤[10]對不銹鋼材料的保壓容器強(qiáng)度進(jìn)行了分析，并利用ANSYS有限元分析軟件對保壓轉(zhuǎn)移裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行了強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并驗(yàn)證該裝置在40 MPa的壓力下能滿足設(shè)計要求；魏光超等[11]利用數(shù)值計算與有限元相結(jié)合的方式，對40 MPa壓力條件下的培養(yǎng)釜進(jìn)行分析，并在初始設(shè)計結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使容器質(zhì)量減小了約7.75%。上述文獻(xiàn)主要針對30 MPa至70 MPa的保壓容器進(jìn)行分析，而關(guān)于本文所研制的115 MPa全海深環(huán)境下的整體氣密取樣器結(jié)構(gòu)的研究鮮見文獻(xiàn)報道。

為了滿足全海深深淵海底科學(xué)研究對高品質(zhì)全海深深淵海底沉積物保壓樣品的需求，本文設(shè)計了一套符合全海深載人潛水器作業(yè)機(jī)械手海底作業(yè)操控的具有保壓功能的機(jī)械手持式全海深沉積物氣密取樣器。

1 氣密取樣器結(jié)構(gòu)與工作原理

氣密取樣器結(jié)構(gòu)三維圖見圖1，主要由取樣裝置、保壓容器、壓力補(bǔ)償器組成。取樣裝置包括機(jī)械手把柄和取樣管；保壓容器包括保壓筒、方形擋栓及浮動密封環(huán)，保壓筒頂部側(cè)壁上設(shè)有多個方形擋栓孔， 方形擋栓孔沿徑向設(shè)置，每個方形擋栓孔內(nèi)分別設(shè)有方形擋栓，保壓筒外壁上對應(yīng)于方形擋栓固定安裝有擋栓盒，方形擋栓與擋栓盒相對的端面之間通過壓縮彈簧連接；壓力補(bǔ)償器包括耐壓缸體、活塞及補(bǔ)償器端蓋。

取樣器的工作原理如圖2所示。在潛水器下水之前，預(yù)先將保壓容器固定在潛水器工具籃中，并通過充氣閥向壓力補(bǔ)償器預(yù)充一定壓力的氮?dú)?，?shí)現(xiàn)預(yù)先儲能；當(dāng)潛水器到達(dá)取樣點(diǎn)時，利用潛水器上單只機(jī)械手從工具籃中抓取取樣管并移動至海底沉積物表面，然后將取樣管插入沉積物中，再將取樣管從沉積物中拔出；最后，操控機(jī)械手將取樣管放入保壓容器內(nèi)，并利用方形擋栓將取樣管端蓋固定，同時，在壓縮彈簧作用下，浮動密封環(huán)與端蓋底部形成密封。氣密取樣器提升至海面母船過程中，氣密取樣器同樣利用壓力補(bǔ)償器所釋放的壓力實(shí)現(xiàn)樣品保壓。

(a)海底沉積物取樣過程

(b)取樣器放入保壓筒過程圖2 氣密取樣器結(jié)構(gòu)及取樣原理Fig.2 Airtight sampler structure and sampling principle

2 氣密取樣器保壓分析與計算

2.1 保壓容器分析計算

本文設(shè)計的全海深沉積物氣密取樣器的取樣筒內(nèi)徑為42 mm，外徑為55 mm；保壓筒內(nèi)徑Di=56 mm，外徑Do=86 mm。 根據(jù)設(shè)計要求，選取保壓容器材料為TC4鈦合金。TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)度σb≥950 MPa，為確保保壓容器的使用安全性，選取安全系數(shù)nb=2.5，則材料的許用應(yīng)力[σ]=380 MPa。保壓容器結(jié)構(gòu)圖見圖3。

圖3 保壓容器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the pressure maintaining container

如圖2所示，當(dāng)取樣管在海底取樣時，保壓容器內(nèi)部與海水相通，內(nèi)外壓力平衡，因此保壓容器筒體本身不產(chǎn)生彈性變形。取樣管放入到保壓容器內(nèi)完成取樣后，在壓縮彈簧作用下，浮動密封環(huán)與端蓋底部形成密封。氣密取樣器提升到海平面后，保壓容器內(nèi)仍保持取樣點(diǎn)的原位壓力，保壓容器外壓力降為常壓，從而保壓容器內(nèi)外產(chǎn)生115 MPa的壓差，在115 MPa壓差的作用下，保壓容器會產(chǎn)生一定的彈性體積膨脹，造成保壓容器內(nèi)的壓力降低，從而影響氣密取樣器的保壓效果。本文首先計算保壓容器在內(nèi)外壓差作用下的徑向和軸向變形導(dǎo)致的保壓容器體積變化量。

由彈性理論可以推出保壓容器在內(nèi)外壓差作用下的徑向位移ub和軸向位移ΔLb公式：

(1)

(2)

式中，E為材料的彈性模量；μ為材料的泊松比；pi為保壓容器內(nèi)壓；Lb為保壓容器原始長度。

保壓容器的相關(guān)參數(shù)如下：內(nèi)徑Di=56 mm，外徑Do=86 mm，保壓容器原始長度Lb=600 mm；鈦合金TC4的彈性模量E=113 GPa，泊松比μ=0.34，保壓容器承受內(nèi)壓pi=115 MPa。由式(1)可得保壓容器徑向位移ub=0.15 mm，由式(2)可得保壓容器軸向位移ΔLb=0.14 mm，則保壓容器體積變化量為

(3)

式中，V1為保壓容器實(shí)際體積；V2為保壓容器膨脹后的體積。

代入數(shù)據(jù)可得ΔVb=16.22 mL。

根據(jù)上述計算結(jié)果，按海水體積彈性模量E1=2.4 GPa計算，由保壓容器體積膨脹所造成保壓容器內(nèi)的壓降

(4)

由式(4)可得保壓容器體積膨脹所造成保壓容器內(nèi)的壓降為26.35 MPa，這沒有達(dá)到課題要求的保壓效果，因此必須增加壓力補(bǔ)償裝置以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的主動保壓。

2.2 壓力補(bǔ)償器分析計算

壓力補(bǔ)償器包括耐壓缸體、活塞及補(bǔ)償器端蓋。耐壓缸體一端開口，另一端設(shè)有與保壓容器連通的連接孔；補(bǔ)償器端蓋固定在耐壓缸體開口處，補(bǔ)償器端蓋上設(shè)有與充氣閥連通的連接孔；活塞置于耐壓缸體內(nèi)。采用壓力補(bǔ)償器補(bǔ)壓來實(shí)現(xiàn)保壓容器的壓力補(bǔ)償時，壓力補(bǔ)償器一側(cè)充滿99.999%的高純度氮?dú)猓硪粋?cè)充滿海水。由于氣體的壓縮系數(shù)遠(yuǎn)高于液體，當(dāng)保壓腔內(nèi)的壓力下降時，壓力補(bǔ)償器便能通過極少量的氣體體積變化來保持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。補(bǔ)償器內(nèi)一般預(yù)充20%左右水深壓力的氮?dú)?，此時可以獲得最好的壓力補(bǔ)償效果[12]。

壓力補(bǔ)償器充氣容積[13]

(5)

ΔV0=ΔVbζ

(6)

式中，p0為充氣壓力；p1為最低工作壓力；p2為最高工作壓力；k為指數(shù)，等溫過程取k=1；ζ為安全系數(shù)，通常取ζ=1.2。

由液體彈性模量公式可知，壓力腔體積變化量

(7)

式中，Δp為壓力變化量；Eq為液體的彈性模量；V0為壓力腔初始體積。

將式(6)、式(7)代入式(5)可得

(8)

本文選擇預(yù)充壓力p0=30 MPa，已知壓力補(bǔ)償器體積為588.75 mL，由式(8)可得下潛11 000 m后補(bǔ)償器氮?dú)怏w積VX=153.59 mL。

補(bǔ)償后取樣器壓力值

(9)

式中，ΔV為氣密取樣器系統(tǒng)體積變化量，ΔV=ΔVb=16.22 mL。

可得到補(bǔ)償后取樣器壓力值p=93.163 MPa>92 MPa，滿足氣密取樣器技術(shù)要求。

3 氣密取樣器有限元分析

3.1 保壓容器有限元分析

為了便于仿真分析，簡化保壓容器有限元模型并對保壓容器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。在有限元分析之前，需要先對保壓容器的材料進(jìn)行定義。根據(jù)課題的要求，定義保壓容器材料為TC4鈦合金，彈性模量為113 GPa，泊松比為0.34；方形擋栓和保壓容器端蓋之間的接觸單元設(shè)置為Frictional單元，保壓容器端蓋和保壓容器筒體的接觸單元設(shè)置為No separation單元。然后分別對保壓容器筒體、保壓容器端蓋及方形擋栓進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對保壓容器施加約束，最后，利用有限元分析ANSYS軟件，開展全海深超高壓環(huán)境下的保壓容器性能分析。

圖4 保壓容器有限元模型Fig.4 Finite element model of pressure vessel

為了研究深海高壓環(huán)境下，不同壓力對保壓容器應(yīng)力、應(yīng)變的影響，本文模擬壓力pw分別為150 MPa、140 MPa、130 MPa、120 MPa、115 MPa、110 MPa、100 MPa時保壓容器的應(yīng)力應(yīng)變情況，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5可知，當(dāng)所加壓力達(dá)到150 MPa時，保壓容器的最大應(yīng)力為379.24 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.003 9；當(dāng)所加壓力為100 MPa時，最大應(yīng)力為275.81 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.002 8，最大應(yīng)力與應(yīng)變出現(xiàn)在端蓋與筒體封口密封位置，且方形擋栓與保壓筒端蓋接觸位置應(yīng)力、應(yīng)變很小，密封性能好，總體應(yīng)力分布比較均勻。由圖6可知，隨著保壓容器所加壓力增大，保壓容器應(yīng)力和應(yīng)變也逐漸增大，且最大應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，應(yīng)變很小，不影響保壓容器的保壓性能，設(shè)計合理。

3.2 壓力補(bǔ)償器有限元分析

在有限元分析中，首先定義各個部件的材料參數(shù)，壓力補(bǔ)償器端蓋和耐壓缸體的材料均為TC4鈦合金，彈性模量為113 GPa，泊松比為0.34。然后對壓力補(bǔ)償器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型，如圖7所示。

(a)壓力為150 MPa (b)壓力為140 MPa

(c)壓力為130 MPa (d)壓力為120 MPa

(e)壓力為115 MPa (f)壓力為110 MPa

(g)壓力為100 MPa圖5 不同壓力條件下保壓容器的應(yīng)力、應(yīng)變云圖Fig.5 Stress and strain cloud diagram of pressure-holding container under different pressure conditions

圖6 不同壓力條件下保壓容器應(yīng)力、應(yīng)變變化圖Fig.6 Stress and strain changes of pressure-holding vessels under different pressure conditions

圖7 壓力補(bǔ)償器有限元模型Fig.7 Pressure compensator finite element model

圖8～圖10分別為全海深超高壓環(huán)境下(115 MPa)，壓力補(bǔ)償器、壓力補(bǔ)償器端蓋體及壓力補(bǔ)償器筒的應(yīng)力、變形云圖。由圖9和圖10可知，最大應(yīng)力位于壓力補(bǔ)償器端蓋與筒體接觸位置附近，對應(yīng)該位置的最大應(yīng)力值為314.18 MPa，最大應(yīng)變位于壓力補(bǔ)償器筒體底部位置，最大變形為0.091 8 mm，此時，小于材料的許用應(yīng)力，設(shè)計合理。

圖8 壓力補(bǔ)償器應(yīng)力、變形云圖Fig.8 Stress compensator stress and deformation cloud

圖9 壓力補(bǔ)償器端蓋應(yīng)力、變形云圖Fig.9 Pressure compensator end cap stress and deformation cloud

圖10 壓力補(bǔ)償器筒體應(yīng)力、變形云圖Fig.10 Stress compensator cylinder stress and deformation cloud

4 氣密取樣器保壓與適配性試驗(yàn)

4.1 氣密取樣器內(nèi)壓試驗(yàn)

為驗(yàn)證氣密取樣器耐壓容腔的設(shè)計是否符合保壓性能要求，對氣密取樣器進(jìn)行內(nèi)壓試驗(yàn)。內(nèi)壓試驗(yàn)壓力按照以下公式進(jìn)行計算：

(10)

代入數(shù)據(jù),則內(nèi)壓試驗(yàn)壓力為

在試驗(yàn)壓力為127 MPa(通過手動加壓裝置完成)情況下,進(jìn)行5次試驗(yàn)，前4次試驗(yàn)為3 h，最后一次試驗(yàn)為6 h，全海深氣密取樣器內(nèi)壓試驗(yàn)平臺如圖11所示。試驗(yàn)過程如下：①準(zhǔn)備氣密取樣器及加壓裝置；②準(zhǔn)備好試驗(yàn)裝置后，關(guān)閉卸壓閥，打開加壓開關(guān)，緩慢升壓至13 MPa(試驗(yàn)壓力的10%)，保壓5 min，檢查各連接部位，觀察壓力表示數(shù)值的變化，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；③連接壓力表與手動加壓裝置;④完成加壓裝置與試驗(yàn)裝置連接，通過手動加壓裝置向試驗(yàn)裝置加壓。首先給試驗(yàn)裝置加壓到127 MPa，然后經(jīng)過5 min、10 min、20 min、30 min、60 min后，通過壓力表觀察試驗(yàn)裝置中壓力的變化，氣密取樣器保壓性能測試結(jié)果如表1所示，可以看出，氣密取樣器壓力隨著時間的變化波動很小，經(jīng)過60 min后，壓力基本保持不變，維持在119 MPa，壓力減少了8 MPa，壓力變化為6.72%，保壓性能達(dá)到課題要求，設(shè)計合理。

表1 全海深氣密取樣器保壓性能測試結(jié)果Tab.1 Test results of pressure holding performance ofdeep sea airtight sampler

4.2 氣密取樣器與機(jī)械手適配性試驗(yàn)

本文設(shè)計的氣密取樣器需搭載在11 000 m全海深潛水器上工作，機(jī)械手從潛水器工具籃中抓取取樣器—移動—取樣—觸發(fā)—自動氣密密封—放回工具籃的整個操作過程中，氣密取樣器與潛水器機(jī)械手的適配性非常關(guān)鍵。為了便于機(jī)械手手爪夾持與操作，便于機(jī)械手的液壓缸觸發(fā)、便于更換等，在上海交通大學(xué)海洋水下工程科學(xué)研究院進(jìn)行了氣密取樣器與機(jī)械手適配性的操作試驗(yàn)。如圖12所示，整個操作過程中，氣密取樣器與機(jī)械手適配操作性很好，并且成功在10 m水池取回沉積物，驗(yàn)證了氣密取樣器的保壓性能和與機(jī)械手的適配性。

圖12 全海深氣密取樣器與機(jī)械手適配操作性試驗(yàn)Fig.12 Operational test for adapting the whole sea deep airtight sampler to the manipulator

5 結(jié)論

(1)本文設(shè)計了一套符合全海深載人潛水器作業(yè)機(jī)械手海底作業(yè)操控的、具有保壓功能的機(jī)械手持式全海深沉積物氣密取樣器，并對全海深沉積物氣密取樣器的保壓容器進(jìn)行分析計算以及全海深壓力環(huán)境下的有限元仿真分析。仿真結(jié)果表明：氣密取樣器的應(yīng)力和應(yīng)變隨著所加壓力的增大而增大，最大應(yīng)力與應(yīng)變出現(xiàn)在端蓋與筒體封口密封位置處，且方形擋栓與保壓筒端蓋接觸位置應(yīng)力、應(yīng)變很小，密封性能好。

(2)針對保壓容器體積膨脹所造成保壓容器內(nèi)的壓降變化，對壓力補(bǔ)償器作了理論分析，并進(jìn)行了有限元分析。仿真結(jié)果表明：壓力補(bǔ)償器最大應(yīng)力值小于材料的許用應(yīng)力，最大變形比較小，設(shè)計合理。

(3)對氣密取樣器進(jìn)行了內(nèi)壓試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：設(shè)計的氣密取樣器隨著時間的變化波動很小，經(jīng)過60 min后，壓力基本保持不變，維持在119 MPa，壓力減小了8 MPa，壓力變化為6.72%，保壓性能達(dá)到課題要求，設(shè)計合理；對氣密取樣器進(jìn)行了與機(jī)械手適配操作試驗(yàn)，整個操作過程中，氣密取樣器與機(jī)械手適配操作性很好，驗(yàn)證了氣密取樣器的保壓性能及與機(jī)械手的適配性。