深海耐压仪器舱的设计.pdf

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1、第29卷第2期2010年6月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．29，No．2June，2010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)摘要：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4000m水深的使用要求。关键词：耐压仪器舱；水密性；外压容器；设计中图分类号：THl22文献标识码：B文章编号：1003—2029(2010)02-0

2、033--04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

3、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闭。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I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

4、、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0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4000m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加MPa，即设计压力P----40MPa；收稿日期：2010--03—12基金项目：国家“十一五”863计划海洋技术领域资助

5、项目(2006AA09A203)作者简介：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：yuyanjiian92004@tom．eomo(2)在0—30℃环境下能连续工作3h以上，其中在海底停留时间约25min；(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=575lllm，内径为D．f=156Innl。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【l】中给

6、出厚壁圆筒的计算许用外压力旧：阱曲{路-0．0625卜矗[·一去])(1)海洋技术第29卷式中：D0为圆筒外直径，ram；抚为圆筒的有效厚度，mm；B为系数，MPa；cro为应力，取以下两值中的较小者：咿2时，咿0．90-,‘或0．9州建造潜水器的材料，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咖。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l。表1材料物理性能及力学性能对比材料拉伸强度(25℃)MPa屈服强度(25℃)MPa

7、弹性模量(GPa)密度(kg／m3)是否耐海水腐蚀铝合金60613lO276692730需要阳极氧化处理0Crl8Ni95202051937930耐海水腐蚀钛合金TCl600一750470—6501054550耐海水腐蚀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c。：0，则厚度附加量C=C。+c2=0，所以圆筒的名义厚度鼠遗+C遗，则耻DI+碱-D‘斗丝(2)由式(1)和(2)可以得到：坑=一{厕研‰，Oo／M+o

8、．5．J(2,,o／b,D2-8,,o／b1-2Jq【(3)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，取一=1．站。由于安全系数小于2，2[,rico．9以‘，取crb=0．垒呒t，令p】=p--40MPa，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壁厚圆筒重量，单价材料加工成本(mm)毛坯重量(kg)(元，I【g)铝合金60612320．3，