2022, Vol. 44
2. 青岛东方船研深海装备结构技术有限公司，山东 青岛 266520
2. Qingdao Dong-fang -chuan-yan Deep Sea Equipment Structure Technology Co., Ltd., Qingdao 266520, China
随着智能化、信息化技术的快速发展，深海装备系统已逐渐成为当今世界各国的研究热点和发展重点[1-2]。由于深海装备是在水下运行和作业，其大深度[3-4]水下耐压结构设计是关键，耐压结构要为内部各种电子元器件、仪器设备等提供合适的环境，保护它们不受海水压力和腐蚀的影响。耐压结构一般由多结构组合的完整封闭舱体，各部分之间的连接主要有2种，一种是不可拆装的闭口连接，如焊接连接[5]；一种是可拆装的开口连接，如法兰螺栓连接[6-7]。
目前开口连接在小型的水下耐压结构中应用较广，如潜水器的元器件耐压罐等，但在大尺度的水下耐压结构中应用较少。由于功能划分和装配等因素，深海装备系统越来越呈现模块化集成的发展趋势，势必要求大深度耐压结构具备模块化的开口连接组合特点。
本文提出一种采用轴向凹凸台法兰对接-径向单道O型圈密封-周向均布螺栓紧固的开口连接结构，通过长期性试验验证了其在海水压力环境下的可靠性，目前该开口连接结构已成功应用于某深海无人系统。
1 开口连接结构设计特点深海装备系统的应用场景往往具有大尺度、大深度、长期性等特点，其耐压结构主体一般是典型的环肋圆柱壳长舱段模块化结构，各模块化结构之间通过法兰螺栓的开口连接方式进行组合，如图1所示。
|
图 1 大深度水下耐压结构开口连接结构 Fig. 1 The open connection structure of deep pressure structure |
经过设计计算和优化改进，提出的开口连接有以下特点：
1）轴向凹凸台法兰对接，这可以起到轴向对准导向和限位作用，有益于无人系统耐压结构的卧式装配，且由于是长舱段结构，凹凸台设计还有利于增强部段之间法兰组合的抗弯能力。
2）径向单道O型圈密封，通过对单道和多道密封进行设计计算和综合比较分析，确定的单道O型圈密封方案，结构型式简单，便于加工，也有助于提高装配的可靠性。
3）周向均布螺栓紧固[8]，法兰上的螺栓孔为通孔型式，可避免螺栓与法兰螺牙相互咬死的情形，紧固装配的型式灵活简单，安全可靠。
为试验研究该开口连接的可靠性，设计一只大尺度开口连接结构模型进行海水压力环境试验，模型方案如图2所示，模型长2228 mm，最大外径1232 mm。
|
图 2 大尺度开口连接结构模型 Fig. 2 The large-scale model of open connection structure |
在实验室范畴，要考察检测水下耐压结构的耐压性和密封性，通常采用深海环境模拟试验装置（俗称“压力筒”）进行压力试验[9-10]。目前国内的压力筒设备大都以模拟深水压力为主，工作介质为淡水，试验时直接将试验对象置于压力筒内。由于海水会对压力筒设备本体和加卸压管路造成腐蚀，在现有压力筒应用条件下，直接采用海水介质进行长期性试验不可行。
为了利用现有压力筒设备试验研究深水压力和海水腐蚀[11]对耐压结构开口连接的影响，提出一种海水压力环境模拟试验方法，如图3所示。
|
图 3 海水压力环境模拟试验方法 Fig. 3 The test method of sea water pressure environment |
其工作原理为：
1）试验对象将先置于一个特制的海水舱室内，然后再将海水舱室整体置于压力筒内进行试验，试验加卸载模块同于原压力筒设备。
2）海水舱室在顶部设置可拆卸封板（环向一圈螺栓连接，橡胶皮垫密封），舱室封板上设有与皮囊袋连接的接口。
3）压力筒内注满淡水，海水舱室内注满海水，这样可保证试验对象直接置于海水腐蚀环境中。
4）通过皮囊袋的变形，可以调节实现海水舱室内外压力的平衡，从而实现对试验对象的加卸压，皮囊的尺寸设计需要综合考虑试验压力大小和变形压缩量值的匹配性。
显然，在现有压力筒设备的基础上，通过海水舱室可以实现对试验对象的海水压力环境模拟试验。该试验方法原理清晰，且海水舱室结构简单，可根据试验对象灵活加工制作。
3 开口连接模型试验研究开口连接结构模型海水压力环境长期性试验选取在930压力筒内进行。根据开口连接模型和压力筒的尺寸，设计制作了1套海水舱室，如图4所示。
|
图 4 海水舱室 Fig. 4 The seawater cabin |
为了试验时直观监控内部是否存在渗水情况，在模型和海水舱室上设置了水密穿舱接口，用于信号线传输。
该开口连接模型海水压力环境长期性试验的试验压力为12.5 MPa，保压时间为1个月。在试验过程中通过视频监控和进水报警传感器监视了模型内部状态，在长期保压下模型内部未见渗水现象。
试验后，分别排尽压力筒和海水舱室内的水，将模型取出进行检查，如图5所示。模型结构完好，没有出现明显腐蚀损伤，在开口连接的法兰附近有较为明显的浮锈，侧面反映了海水的高腐蚀性。打开法兰检查，密封圈结构完好，表明密封结构设计合理，密封材料长期可靠；法兰密封面采用硅脂做了一定的封面防水处理，效果较好。
|
图 5 开口连接结构模型试验后照片 Fig. 5 The picture of large-scale model after the long term test |
某型深海无人系统结构尺度大，但由于功能划分和装配流程等方面的因素，其耐压结构的各部段之间就设计采用了轴向凹凸台法兰对接-径向单道O型圈密封-周向均布螺栓紧固的开口连接结构型式[12]，如图6所示。目前，该深海无人系统已成功完成海试，进一步验证了该开口连接结构的可靠性。
|
图 6 某深海无人系统耐压结构及其开口连接模块 Fig. 6 A type deep-sea unmanned system and its open connection module |
1）采用海水压力环境试验方法，对大深度耐压结构开口连接的结构模型进行长期性试验，试验的成功实施既检验了该试验方法的可行性，也验证了开口连接结构的安全性和密封可靠性。
2）提出的海水压力环境模拟试验方法，基本原理清晰，可以在现有压力筒设备基础上灵活实现，可以为类似试验的设计应用提供参考，也为真实海洋环境模拟试验研究提供启发和技术基础。
3）轴向凹凸台法兰对接-径向单道O型圈密封-周向均布螺栓紧固的开口连接结构型式，结构密封型式简单有效，结构具有其新优势特点，可以为大型深海耐压结构设计提供借鉴和技术参考。
| [1] |
陈锋, 杨清轩, 周泓伯, 等. 国外深海作战概念发展及启示[J]. 舰船科学技术, 2020, 42(4): 186-189. |
| [2] |
李智生, 张强. 深海预置武器系统发展现状及关键技术[J]. 舰船电子工程, 2020, 40(2): 1-3+41. DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2020.02.001 |
| [3] |
苗兰森, 胡勇, 沈允生. 大深度救生钟耐压结构的优化设计[J]. 海洋技术, 2011, 30(1): 95-99. DOI:10.3969/j.issn.1003-2029.2011.01.023 |
| [4] |
王光越. 大深度无人潜航器总体结构设计[J]. 机械研究与应用, 2019, 32(1): 128-131. |
| [5] |
洪江波, 杜仲民 等. 大型耐压壳环焊缝焊接残余应力实验研究[J]. 船舶工程, 2006, 28(5): 14-18. DOI:10.3969/j.issn.1000-6982.2006.05.016 |
| [6] |
李双权. 螺栓法兰连接设计方法对比分析及国内研究现状综述[J]. 机电工程技术, 2021, 50(8): 16-20. DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2021.08.004 |
| [7] |
聂肇坤, 曾岩, 李刚. 水下航行体螺栓法兰连接结构可靠性分析[J]. 计算力学学报, 2021, 38 (5): 565−572.
|
| [8] |
马文晖. 压力容器法兰螺栓紧固力矩的确定[J]. 特种设备安全技术, 2021(3): 21-23. DOI:10.3969/j.issn.1674-1390.2021.02.009 |
| [9] |
朱贤辉. 国内外深海环境模拟装置的现状与发展趋势研究[J]. 无限互联科技, 2017(16): 61-64. |
| [10] |
张海龙, 钟国睿, 朱志伟. 深海装备的静水压力试验技术[J]. 船舶与海洋工程, 2019, 35(5): 14-19. |
| [11] |
邢萍. 低合金钢耐海水腐蚀性能的研究进展[J]. 冶金与材料, 2021, 41(3): 33-34. DOI:10.3969/j.issn.1674-5183.2021.03.016 |
| [12] |
陈沙古, 高原, 陆波. 某深海耐压结构系统详细设计报告[R]. 中国船舶科学研究中心科技报告, 2020.
|