0 引　言

深海耐压罐是深海装备的核心耐压部件，作用是隔绝外界海水的影响，保障下潜过程中仪器设备的正常工作，而深海耐压罐的可靠性首先取决于其密封性能，如果密封结构失效，轻则造成深海装备丧失部分功能，重则威胁到人员的生命安全^[1]。

参考现有压力容器规范，其密封结构按密封原理可分为强制式密封、半自紧式密封和自紧式密封。强制式密封和半自紧式密封是依靠螺栓的预紧力来保证封盖、密封元件和筒体端部之间有一定的接触压力，以达到密封效果，包括平垫式、卡扎里式、锥环式、透镜式等。自紧式密封结构主要依靠容器内部的介质压力在密封口产生必要的密封比压，以阻止介质的泄漏，包括楔形垫式、伍德式、三角垫式、O形圈式等。与强制式和半自紧式不同的是，介质压力越高，对密封元件的压紧力越大，密封越可靠。因此预紧力不需要很大，相应的连接件尺寸也可以减小，且能保证压力、温度有波动时的密封性^[2]。

需要说明的是，压力容器规范的设计压力不超过35 MPa，且使用工况多为承受内压。因此承受外压的深海耐压罐密封结构只能借鉴其密封设计的思路。深海耐压罐最常见的结构形式是圆柱形筒体与端盖的组合，由于耐压罐多用于储存仪器设备，筒体与端盖一般不直接焊接，而是采用可拆装的连接形式。本文通过对深海耐压罐现有典型密封结构的分析比较，提出适用的新型密封结构，在此基础上进行新型密封结构的优化研究。

1 典型密封结构比较

目前深海耐压罐筒体和端盖最常用的连接和密封结构有：2道O形圈密封+拆卸式法兰连接（简称Type 1）、径向O形圈密封+螺栓连接（简称Type 2）、轴向O形圈密封+固定式法兰连接（简称Type 3），如图1所示。

从密封可靠性来看，Type 2和Type 3均为一道密封，对径向的同轴度、轴向的平面度、密封面的粗糙度等要求较高，且安装后不可检查，因此设计上通常采用两者组合的形式来保证密封。Type 1的2道O形圈分别实现2个方向的密封，其中一道失效则整体密封失效，同样也没有密封冗余，但其安装后可以通过间隙检查来确认密封状态，因此实际使用中与后两者组合的形式密封可靠性相当。从操作便捷性来看，Type 3的拆装最为便捷。Type 2由于有径向密封需要设置顶盖螺栓，且顶起时要保证端盖整体平行。Type 1对拆装的要求较高，需要保证拆卸式法兰同步锁紧，一般由专人拆装。

结构强度的比较首先需要对3种形式进行有限元接触计算，以工作深度4500 m、深海装备上数量最多的电机驱动罐尺寸为例，其筒体内径126.5 mm，筒体长度190 mm，经计算筒体厚度9 mm，端盖厚度25 mm。对上述3种典型密封结构的耐压罐进行尺寸一致的建模，采用1/8模型对称约束，外部施加46 MPa载荷，接触面的摩擦系数设置为0.35。此外，为了保证对比的一致性，统一选择筒体内表面距离端部15 mm位置作为筒体根部位置，筒体内表面中间位置作为筒体跨中位置。经有限元接触计算，Type 1的筒体根部应力为199.51 MPa，筒体跨中应力为345.42 MPa，如图2所示；Type 2的筒体根部应力为262.39 MPa，筒体跨中应力为347.11 MPa，如图3所示；Type 3的筒体根部应力为229.8 MPa，筒体跨中应力为346.59 MPa，如图4所示。可以看出，Type 1由于采用了拆卸式法兰的设计，相比Type 3采用的固定式法兰连接，筒体根部的应力低15.2%，而Type 2由于端盖下沉的设计，筒体根部的应力比Type 1高31.5%。

为了验证上述结论的尺寸效应，按照深海耐压罐常见的尺寸，将筒体内径从126.5～245 mm，每15 mm一档分为9档，筒体长度从190～670 mm，每60 mm一档同样分为9档，得到深海耐压罐逐渐增大的9档筒体尺寸，分别为：1）内径126.5 mm，长度190 mm；2）内径140mm，长度250 mm；3）内径155 mm，长度310 mm；4）内径170 mm，长度370 mm；5）内径185 mm，长度430 mm；6）内径200 mm，长度490 mm；7）内径215 mm，长度550 mm；8）内径230 mm，长度610 mm；9）内径245 mm，长度670 mm。首先根据深海耐压罐筒体的各档尺寸，计算相应的筒体厚度和端盖厚度，再分别对不同分档尺寸下的结构进行有限元接触分析，得到的3种典型密封结构筒体根部应力如图5所示。可以看出，3种典型密封结构的筒体根部应力，均随筒体尺寸而增大；且在各档尺寸下，均为Type 2的筒体根部应力最大，Type 3次之，Type 1的筒体根部应力最低。

2 新型密封结构设计

考虑深海耐压罐新型密封形式的设计，需要满足以下要素：1）保证密封的可靠性，密封设计最好有冗余；2）保证拆装的便捷性，密封设计尽量简洁；3）结构应力要保证在允许的范围内；4）不能造成过多的尺寸外扩和结构增重。从Type 3的设计来看，其优点是拆装便捷；缺点一是密封设计没有冗余，二是由于轴向密封槽的存在，螺栓连接位置外移，造成整体尺寸外扩。而Type 2的设计优点是由于采用径向密封，整体尺寸紧凑；缺点一是密封设计没有冗余，二是拆卸较为繁琐。考虑将这2种形式整合，再借鉴压力容器规范中双锥密封结构的设计思路^[3]，如图6所示，在筒体和端盖的接触面设计成锥形，并将密封槽设置在锥面上^[4]，形成锥面O形圈密封+固定式法兰连接（简称Type 4）的设计，如图7所示。

Type 4的设计优点一是密封设计有冗余，低压下由O形圈形成初始密封，高压下则通过筒体和端盖的锥面配合实现密封；二是保留了Type 3的拆卸便捷性；三是轴向密封槽转移到锥面，使得整体尺寸向内收缩。同样以上述电机驱动罐的尺寸为例，对采用Type 4形式的承压舱进行尺寸一致的建模，并按照上述同样的设置进行有限元接触分析，Type 4的筒体根部应力为324.23 MPa，如图8所示。

可以看出，Type 4由于采用固定式法兰连接，筒体根部的应力较大，另外整体尺寸仍有一定外扩。因此考虑在Type 4密封设计的基础上，借鉴压力容器规范中卡扎里密封结构的设计思路^[5]，如图9所示，将其连接形式调整为螺纹套筒连接，形成锥面O形圈密封+螺纹套筒连接（以下简称Type 5）的设计，如图10所示，进一步缩减整体尺寸，上段采用间断式螺纹，便于快速连接和拆卸。同样的条件下，Type 5的筒体根部应力为274.17 MPa，如图11所示，比Type 4降低18.3%。

此外，还可以将深海承压舱的连接形式设计为卡箍紧固^[6]，如图12所示。其优点是拆装便捷^[7]，但与前面几种形式相比，在密封、应力、尺寸和重量方面没有新的优势，因此不作为密封结构优化的重点方向。

3 新型密封结构优化

采用以上提出的2种密封结构Type 4和Type 5设计的深海耐压罐，同样按照上述分档尺寸进行结构有限元接触分析后可以发现，Type 4和Type 5的筒体根部应力相对其他几种形式偏大，如图13所示，需要进一步优化。

对某一种尺寸确定的深海耐压罐，采用Type 4设计时，可能影响筒体根部应力的设计变量有密封面的锥角α和法兰的高度h（见图7），它们的取值范围根据实际尺寸的限制定为20°≤α≤40°，5 mm≤h≤15 mm。2个设计变量对筒体根部应力的影响分别如图14和图15所示，可以看出，降低筒体的根部应力可以通过增大密封面锥角和降低法兰高度来实现。当密封面锥角α为40°、法兰高度h为5 mm时，Type 4的筒体根部应力为272.31 MPa，比初始设计降低19.1%。

而当采用Type 5设计时，可能影响筒体根部应力的设计变量为密封面的锥角α（见图10），其取值范围根据实际尺寸的限制定为20°≤α≤40°。密封面的锥角对筒体根部应力的影响如图16所示，可以看出，增大密封面的锥角同样可以降低筒体的根部应力。当密封面锥角α为40°时，Type 5的筒体根部应力为253.67 MPa，比初始设计降低8.1%。

4 结　语

1） 深海耐压罐的密封和连接形式的设计，首先要保证密封的可靠性，密封设计最好有冗余；其次要保证拆装的便捷性，密封设计尽量简洁；同时结构应力要保证在允许的范围内；另外连接结构不能造成过多的尺寸外扩和结构增重。

2） 通过对比深海耐压罐目前常用的密封和连接形式发现，从密封可靠性角度，采用单道的轴向或径向O形圈密封在设计上缺少安全冗余，而采用轴向和径向O形圈的组合密封最可靠；从拆装便捷性角度，采用径向O形圈密封的连接需要采取顶盖操作，而采用轴向O形圈密封+固定式法兰连接的拆装最为便捷。

3） 从结构强度角度，对深海耐压罐3种典型的密封和连接形式归一化建模后，进行有限元接触计算分析，结果表明采用拆卸式法兰连接结构的深海耐压罐，相较于采用固定式法兰连接结构，其筒体根部应力最低，且该结论对于深海耐压罐常见的各档尺寸下均适用。

4） 在综合考虑上述3种密封和连接结构优缺点的基础上，借鉴现有压力容器规范中各类密封结构的设计思路，形成了锥面O形圈密封+固定式法兰连接以及锥面O形圈密封+螺纹套筒连接2种新型密封结构设计，2种新型密封结构设计拆装便捷，通过锥面密封增加了密封设计冗余，同时缩小了整体尺寸，但筒体根部应力相对较大。

5） 对2种新型密封结构设计，采用同样的尺寸归一化建模后，进行有限元接触计算分析。结果表明，可以通过增大密封面锥角和降低法兰高度的方式来降低应力，经过设计优化后的筒体根部应力下降明显。