海洋探测仪器承压舱的设计*

李东梁

(中国船舶重工集团公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003)

海洋探测仪器承压舱的设计*

李东梁

(中国船舶重工集团公司第七一○研究所，湖北宜昌 443003)

介绍一种海洋探测仪器承压舱的主要组成结构设计，并对承压舱体各部分承压性能进行分析计算。然后对海洋探测仪器承压舱的水密性和耐腐蚀性进行分析设计。最后通过ANSYS对海底探测仪器承压舱的承压性能行了仿真分析，分析结果证明可以够满足3 000 m水深的使用要求。

承压舱;水密性;耐腐蚀;外压容器

1 引言

目前世界各国都在加大对海洋资源的开发利用，随之对海洋的考察及监测要求也越来越高。海洋资源的勘探开发等研究工作也逐渐从浅海走向深海，海洋资源的开发已成为一种必然选择。海洋探测仪器承压舱是为电子器件、电源等仪器单元提供安装空间的水密耐压舱体，是海洋探测及开发海洋资源的基础条件。海洋探测仪器承压舱的关键问题在于舱体的强度、刚度、水密性及耐腐蚀等问题［1］。

2 海洋探测仪器承压舱设计

海洋探测仪器设备包括三个承压仪器舱，每个承压仪器舱之间采用水密插件和电缆相连，水密插件设计在承压仪器舱顶面。承压仪器舱采用流线型圆柱形密封的外壳设计，整个承压仪舱框架有两个法兰盖和一个筒体组成。其中法兰盖与筒体采用螺栓均布紧固联接，在法兰盖与筒体间加O形圈进行密封。如图1承压仪器舱结构图，O形圈装入沟槽后，拧紧螺栓，压缩O形密封圈，使其压缩变形15%～21%。由于O形密封圈具有良好的弹性，对接触面产生接触压力，从而实现密封。

采用这种结构的原因为:①整体结构简单，装卸及堆放方便;法兰盖及筒体均可根据需要与外部相通，方便内部部件安装、维修;②法兰盖采用0形圈形式密封，结构简单，密封可靠;③法兰盖和筒体采用分体式结构，加工制造容易，经济实用;④可以配装吊环，便于搬运及起吊，筒体上配装水密接插件，方便承压舱体与外部信息连通。

图1 承压仪器舱结构图

2.1 筒体承压性能设计

海洋探测仪器承压舱最大工作在水深3 000 m，所以需要考虑舱体的承压性能。海洋探测仪器承压舱按照外压容器模型进行设计。海洋探测仪器承压舱的使用环境，承压仪器舱需要满足以下要求:①承压舱外部静压力不小于30 MPa;②在海底的工作时间为6月;③根据内部安装控制系统空间，承压舱内径φ280;腔高150 mm。

海洋探测仪器承压舱属于典型的外压容器模型［2］。设计计算时需要考虑强度失效和失稳两种情况，然后选择两者中的低值为需用外力。圆筒的计算许用外压力［P］:

式中:D0为圆筒外直径，mm;δe为圆筒的有效厚度，mm;σ0为应力，MPa;B为系数。

从外压容器压力公式可以看出，许用压力仅与圆筒的相对厚度D0/δe有关。外压容器设计时［3］，考虑到容器材料性质的不均匀以及制造的圆度误差等影响，设计外压P应满足P≤［P］;由于容器外径D0= Di+2δ，故采用容器内径Di进行近似计算，则可得出在设计外压P下的计算厚度δ:

根据计算厚度δ，再考虑δ2腐蚀余量、板材厚度偏差δ1并向上圆整后可得到薄壁外压容器的名义厚度δe。

海洋探测仪器承压舱的材料，一般采用具有高强度、高比刚度的金属或者非金属材料。如高强度铝合金、高强度船用钢和钛合金材料等［4］。制造海洋承压舱的几种常用材料的物理性能及力学性能对比，见表1常用外壳材料特性。

表1 20℃常用外壳材料特性

目前关于外压容器的设计准则主要有两种。一种是以弹性失效为破坏准则的设计观点。即:承压舱体上受力最大点的应力强度达到材料的屈服极限后，舱体便失去正常的工作能力。第二种是以塑性失效为破坏准则的设计观点。即:只有当塑性区不断扩展，直至整个界面发生屈服，发生破坏，舱体才失去正常工作能力。

本模型失效准则选取弹性失效为破坏准则。由式(2)按照常见外壳材料特性参数计算，几种材料的筒体厚度，见表2所列。

表2 满足要求不同材料的参数对比

由表1和表2可以看出，铝合金6061与不锈钢(S25554)和TC4相比主要有以下优点:铝合金6061圆筒重量较轻;并且易加工制造，总的加工成本最低。所以圆筒材料选用进口变形铝合金6061。

2.2 法兰盖承压性能设计

承压舱的法兰盖同样采用6061材料。考虑到安装水密接插件，法兰盖总体为平端盖。法兰盖总体上属于实心圆板，受力情况为周边支撑，承受均布压力之后发生弯曲变形。以圆板内部受力和变形情况，建立平衡、几何，物理方程［5］。求解截面应力σr和环向应力σθ公式;

式中:P为压力，MPa;δ为板厚，mm;μ为圆板材料的泊松比;R为圆板的半径;r为圆板上任一点的径向坐标，mm。

当r=D/2时，应力最大，上式可为:

法兰盖结构如图1所示;法兰盖选用材为进口变形铝合金6061，查《机械设计手册第五版》第一卷得:铝板的性能参数:E=71 000 MPa，铝板T6状态屈服强度σs≥184(MPa);考虑到采用牺牲阳极处理，腐蚀余量C2=0，板材厚度偏差C1=0.3，计算得:取端盖厚δ≥52。考虑到法兰盖上需开气密孔，安装水密接插件，最终法兰盖的厚度δ=53 mm。

2.3 仪器舱密封设计

水密性是海底探测设备需要解决的关键问题之一。承压仪器舱采用O形密封圈进行密封。其优点为O形密封性能好，寿命长，结构紧凑，密封圈沟槽结构简单，易拆卸，摩擦阻力小。考虑到海水的腐蚀性能，O形密封圈的材料可选用氟橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等。

承压仪器舱均为静密封，主要包括径向和轴向两种密封方式。如图2密封及防腐蚀结构。法兰盖与圆筒间采用双道密封圈密封，确保密封的可靠性。法兰盖上水密接插件和排气孔堵头均采用轴向端面密封。由于存在外压，密封圈会越压越紧，密封性能会越来越好。根据使用环境的要求，如表3几种密封材料的性能。通过对比密封圈的材料选取氯丁橡胶。

图2 密封及耐蚀性结构

表3 几种密封圈材料的性能

为了克服铝合金表面性能方面的缺点，扩大应用范围，延长使用寿命，表面处理技术是非常重要的一环，用以解决或提高防护性、装饰性和功能性三大方面的问题［6－7］。

如图2密封及耐蚀性结构。为了防止承压舱在使用中，不锈钢螺栓与法兰盖及筒体间的电化学腐蚀，在螺栓与筒体、法兰盖的接触面上，增加特制非金属隔离垫和隔离套构件。同时采用锌做材料制成的牺牲阳极连接在法兰盖上，通过牺牲阳极的腐蚀，保护其它部件，增加了仪器舱的耐海水腐蚀性能。该工艺方法简单、易维护、成本低，较好地解决了铝合金耐海水腐蚀的问题。

3 海洋探测仪器舱承压舱外压分析

根据探测仪器承压舱筒体的长度，根据外压容器筒体的类型，判断承压舱体属于钢性筒。刚性筒失效主要表现形式为强度失效。为保障在ANSYS中建模和网格划分阶段的可靠性及可预测性，模型中忽略小的倒角。

3.1 承压舱筒体的受力分析

根据筒体使用环境，输入材料的泊松比μ=0.3、弹性模量E=70 GPa等参数，加载外压30 MPa，求解。如图3筒体的模型及网格划分。如图4筒体30 MPa下应力及位移云图。有机械设计手册可查得铝合金(6061T6)的 σ0.2=240 MPa。从图4筒体30 MPa下应力及位移云图可知承压舱筒体的最大应力σmax=171.7 MPa，σmax≤σ0.2=240。筒体的强度满足使用要求。

图3 筒体模型及网格划分

图4 筒体30 MPa下应力及位移云图

3.2 法兰盖的受力分析

根据法兰盖使用的环境，输入材料的泊松比μ= 0.3、弹性模量E=70 GPa等参数，加载外压30 MPa，求解。如图5法兰盖的模型及网格划分。如图6法兰盖30 MPa下应力及位移云图。有机械设计手册可查得铝合金板(6061T6)的σ0.2=184 MPa。从图6法兰盖30 MPa下应力及位移云图可知承压舱法兰盖的最大应力σmax=161.3 MPa，σmax≤σ0.2=184。法兰盖的强度满足使用要求。

图5 法兰盖模型及网格划分

图6 法兰盖30 MPa下应力及位移云图

4 总结

介绍了海洋探测仪器承压舱的设计过程。承压舱由两个法兰盖和一个筒体组成。筒体体采用圆柱流线型外壳设计;根据承压舱体工作环境的情况，设计计算法兰盖和筒体的厚度尺寸;法兰盖上安装有牺牲阳极块，牺牲阳极增加了承压舱体在海水中的抗腐蚀性能。在文中重点解决了承压、水密和防腐蚀三个问题，并进行了仿真试验，可以够满足3 000 m水深的使用要求，同时也为海洋探测仪器舱的设计制造提供一定的理论基础。

［1］ 于彦江，张志刚，徐 行，等.深海耐压仪器舱的设计［J］.海洋技术，2010(6):33－35.

［2］ 陈盛秒.外压容器设计的公式法及其应用［J］.压力容器，2008 (11):30－33.

［3］ GB150－1998，钢制压力容器［S］.

［4］ 马震宇，董铁良，徐 行.薄壁结构镁合金耐水压舱体研究［J］.兵器材料科学与工程，2011(5):33－35.

［5］ 胡万鹏，李士杏.外压容器封头设计的简化计算［J］.机械工程，2005(2):61－63

［6］ 万冰华，费敬银.复合牺牲阳极材料的研究与应用［J］.材料热处理技术，2010(8):97－98.

［7］ 余美琼.铝及铝合金表面处理技术新进展Ⅲ［J］.化学工程与装备，2008(6):84－88.

Design of the Exploration Instrument Cabin Used in Ocean

LI Dong－liang
(NO.710 R＆D Institute，CSIC，Yichang Hubei443003，China)

The structure of the explore instrument cabin is introduced，and the structure of the press cabin is analyzed.Several problems are mainly analyzed，such as water－tightness and anti－corrosion.At last，simulation analysis of the ocean exploration instrument cabin with compression resistance based on ANSYS is made.The pressure test confirms that the explore instrument cabin could be used in 3000m deepwater.

press cabin;water－tightness;anti－corrosion;pressure vessel

TH112

A

1007－4414(2013)05－0126－03

2013－08－15

李东梁(1982－)，男，河南南阳人，工程师，研究方向:水下机器人。