深海沉积物取样器的楔形密封方式研究

吴世海，刘童祺，卞如冈，张 震

（1.中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082；2.北京国望光学科技有限公司，北京102600）

0 引 言

二十一世纪是海洋的世纪，大力开展海底观测与钻探，探测和获取海洋的物理场、地质与环境特征数据，研究深海生物、基因与矿物资源等前沿深海科学，提升我国深海研究能力，是持续发展海洋经济、跨越发展海洋科学和合法维护海洋权益的迫切需要。深海沉积物取样器是一种能应用于深海海底探索研究的重要设备，而取样器中最关键的技术问题便是密封问题。取样器密封的主要作用是为了防止样品泄露和维持样品的原位压力。

对于深海沉积物取样器来说，常见的密封方式主要有球阀密封（见图1）和高压盖板阀密封（见图2）。在深海高压环境下，球阀结构的启闭控制比较复杂，且较易卡死，无法正常实现密封；深海高压盖板阀结构在扭簧和盖板阀自重作用下，向下闭合较难实现紧密压紧，筒内外压差的不断增加容易导致盖板阀泄露[1-2]。

图1 深海高压球阀密封结构Fig.1 Sealing structure of deep sea high pressure ball valve

图2 深海超高压盖板阀结构示意图Fig.2 Structural diagram of deep sea ultra high pressure cover valve

鉴于以往深海沉积物保压取样器密封结构的局限性，本文在综合考虑密封结构尺寸及工作可靠性后，提出了一种新型的取样器密封方式即楔形块密封，其密封的基本原理是通过对密封面施加大于介质压力的作用力而产生封闭的密封环带，从而阻止介质的流入，达到保压和密封要求。从微观方面来看,密封材料在压力下流入匹配表面的不规则处,形成密封环,从而使密封面在所有工作条件下的泄露被限制在允许的范围内[3-4]。

1 密封结构设计与理论分析

1.1 密封结构设计

楔形块密封主要包括取样筒、楔形块和楔形块驱动机构。其中楔形块驱动机构由爆炸螺栓、滑块、弹射机构（蓄能弹簧）等几部分组成，爆炸螺栓的启动由电触发机构控制。整体结构长为30 cm，宽为14 cm，高为17 cm，在空气中重约8 kg，工作压力可以覆盖全域海洋深度，如图3所示。

基本工作原理见图4。具体过程为：开始时，楔形块被取样筒限位在最左侧，当取样器下潜到预先设定的取样位置时，推杆将取样筒向下推出取样，取完样品后再将取样筒拉回，通过蓄能弹簧将楔形块沿底部筒体中的滑道向右推动到指定位置，最后通过电子触发机构启动爆炸螺栓完成对楔形块的封紧工作；完成样品保压转移后，将底部筒体上的保压转移接口与保压实验台连接，接通与取样位置相等的平衡压力；此时，取样筒内外压力平衡，楔形块松动，在蓄能弹簧的拉力作用下沿着滑道滑回初始位置，完成取样和保压的过程。

图3 楔形块密封结构示意图Fig.3 Diagram of the wedge block sealing structure

图4 工作原理Fig.4 Working principle

1.2 理论分析

为保证楔形块在运动到封装位置后不会滑落导致密封失败，需要对楔形块进行结构自锁设计，该设计主要包括楔形块的自锁角度设计和楔形块滑道的坡脚设计。楔形块自锁受力分析如图5 所示，其中O点为楔形块的重心。

根据受力分析图，楔形块自锁的条件满足式（1）和式（2）要求[5-6]：

式中，f 为摩擦力，G 为楔形块所受的向下的压力及自身重力，θ 为自锁角，μ 为楔形块与滑道间的摩擦系数。将式（2）代入式（1），则楔形块的自锁要求为

根据金属间的摩擦系数μ ＞0.15，因此楔形块自锁角θ 可设计为7°，满足楔形块自锁要求。同时滑道坡度设计需与楔形块的坡脚相匹配。为了利于密封保压，将楔形块上表面的环带也设计为7°，保压筒体底部密封环面设计需要和楔形块上表面相匹配。

此外，密封环带的接触宽度对于密封也十分重要，密封环带越宽表明其密封效果越明显。因此，密封环带处的比压大小和密封环带的宽度是实现密封的关键[7]。作用在密封环带单位面积上的压力被称为密封比压，对于楔形块接触式密封来说，密封比压q1要大于介质的压力qMF（即必须比压）并小于材料的许用比压[q][8]以确保密封的寿命和必要的耐磨性能。考虑到密封面材质为钛合金，参考阀门设计中密封比压的计算公式[9-10]，本文提出了楔形块密封计算比压q2和必须比压qMF的计算公式及它们之间应满足的关系：

图5 楔形块受力分析图Fig.5 Stress diagram for the wedge block

式中：D 为关闭件密封面平均直径（mm）；ps为密封结构的预加压力（MPa）；b 为关闭件密封面宽度（mm）；PN为密封结构的公称压力（MPa）；[q]为材料的许用比压，对于钛合金材料而言为300 MPa。

2 密封仿真分析

为了评估楔形块密封的性能，采用ANSYS 软件对密封结构进行了仿真分析。楔形块的密封采用的是金属间接触硬密封的方式。金属接触问题是一种高度非线性计算问题，对于这类问题的求解通常是采用反复迭代的计算方法进行仿真分析[11]。考虑到结构特征，对密封结构模型进行了简化处理，简化后的楔形块密封结构仿真模型如图6所示。

楔形块密封结构的网格划分分为两个部分进行：一部分为保压筒体的网格划分；另一部分为楔形块本身的网格划分。考虑到保压筒体是规则结构，采用六面体结构网格，而楔形块本身结构形状比较复杂，采用四面体网格[12]。网格尺寸根据结构的尺寸、计算量等方面因素进行选择，最终选定的网格尺寸为3 mm，网格总数为20 842个。

楔形块密封工作的基本原理是在筒体内部压力的作用下，楔形块与保压筒体底端接触面之间存在挤压变形，在接触面处产生密封环带形成密封。楔形块的厚度对密封效果有较大的影响，进行仿真分析时在保持筒体内部压力（110 MPa）不变的情况下，改变楔形块厚度，分析不同厚度楔形块的接触密封效果。板材厚度与板材宽度满足式（7）条件时属于薄板范畴，板材厚度和宽度的定义见图7。

图6 密封结构简化模型图Fig.6 Diagram of the simplified wedge block sealing structure

相对于厚板来说，薄板在相同的压力作用下更容易产生变形，进而更容易产生满足密封要求的密封环带。针对这一特点，在自锁角一定的前提下，分别取前端厚度H1为4 mm、6 mm、8 mm 和10 mm 的楔形块进行仿真验证，仿真结果如图8所示。

图7 楔形块示意图Fig.7 Diagram of wedge block

图8 不同厚度楔形块在110 MPa下的接触应力云图Fig.8 Contact stress nephogram of the wedge block for different thicknesses under a pressure of 110 MPa

图8反映了不同厚度楔形块在110 MPa压力下接触应力情况。从图中可以看出，以上四种情况均能够形成大于内压110 MPa的密封环带。随着楔形块厚度的增加，最大接触压力逐渐减小，楔形块较厚一端的接触带宽度也在逐渐减小。

此外，由于在采样过程中需要对楔形块进行封装和开启，需要对不同厚度的楔形块在110 MPa压力下摩擦力情况进行仿真分析。楔形块与筒体之间的摩擦力越小越有利于楔形块封装和开启操作。仿真结果如图9所示。

图9 不同厚度楔形块在110 MPa下的摩擦力云图Fig.9 Friction stress nephogram of the wedge block for different thicknesses under a pressure of 110 MPa

图9反映了不同厚度楔形块在110 MPa压力下的摩擦力情况。从图中可以看出，楔形块不同厚度下摩擦力平均值和最大值随厚度的增加而逐渐增加。在同等密封效果的前提下，楔形块与筒体之间的摩擦力较小更有利于楔形块卸装打开。

综合对比分析不同厚度楔形块的接触密封效果，H1=6 mm 的楔形块的密封效果更好。继续分析厚度为6 mm时楔形块在不同压力环境下的接触密封情况，仿真结果如图10所示。

图10 楔形块在不同压力载荷下的接触应力云图Fig.10 Contact stress nephogram of the wedge block under different pressures

图10反映了楔形块在不同压力载荷下接触应力的变化情况。从图中可以看出，对每一组结果均保留10 MPa 的接触压力裕度，即接触压力环带的压力值比筒体内压载荷大10 MPa。此时，可以得出不同压力载荷下的接触应力均能够满足密封的要求，并且接触压力环带宽度逐渐减小。接触压力环带宽度变化如图11所示。

由图11 可以看出，在介质压力增大的过程中，楔形块表面的密封环带宽度在逐渐减小，但是仍具有足够的接触宽度来满足密封需求。

图11 密封环带宽度随介质压力的变化曲线Fig.11 Variation of sealing ring belt width with medium pressure

3 结 论

本文介绍了一种可用于深海沉积物取样的新型密封结构。通过理论计算与有限元仿真相结合的方式，对楔形块密封结构进行了优化设计，并对楔形块密封的性能进行了模拟，得到如下结论：

（1）通过仿真分析不同厚度楔形块在110 MPa 压力下的接触应力，结果表明随着楔形块厚度的增加，最大接触应力逐渐减小，接触带宽度也在逐渐减小，密封性能逐渐降低；

（2）通过仿真分析不同厚度楔形块在110 MPa下的摩擦力，结果表明随着楔形块厚度的增加，摩擦力平均值和最大值均逐渐增加，也增加了楔形块封装和打开的难度；

（3）通过仿真分析楔形块在不同压力载荷下接触应力的变化情况，结果表明随着压力的不断增大，楔形块密封环带的接触压力均大于介质压力，并且均留有10 MPa的接触压力裕度，虽然楔形块表面的密封环带宽度在逐渐减小，但仍然具有足够的接触宽度来满足密封需求。

综上所述，楔形块密封结构具有良好的密封性能，能有效地防止样品泄露并维持样品的原位压力。