深水壓力艙密封技術(shù)研究

余建星，王保建，馬 駿，林鎮(zhèn)詩，梁 靜，郝曉楠，林曉龍，張 英

(天津大學(xué) 港口與海洋工程教育部、天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，建筑工程學(xué)院，天津 300072)

深水壓力艙密封技術(shù)研究

余建星，王保建，馬 駿，林鎮(zhèn)詩，梁 靜，郝曉楠，林曉龍，張 英

(天津大學(xué) 港口與海洋工程教育部、天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，建筑工程學(xué)院，天津 300072)

管道屈曲技術(shù)試驗(yàn)過程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)深水壓力艙的出廠自帶密封工藝耗時(shí)過長(zhǎng)、密封效果不好、安全性不佳、返工現(xiàn)象普遍。針對(duì)這一現(xiàn)象，采用全新的密封工藝流程與方法：在前期處理中對(duì)螺柱編號(hào)與清理以防止螺母安裝過程中的卡死現(xiàn)象；采用自創(chuàng)的精度控制方法防止漏水以及返工；根據(jù)不同的工作壓力對(duì)密封技術(shù)進(jìn)行梯度劃分，選取不同的密封方案。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，改革后的密封工藝極大地提高了密封效果的可靠性、可用性、安全性與快速性。

密封；深水壓力艙；密封技術(shù)

對(duì)于深海壓力艙出廠自帶的密封工藝，廠家對(duì)艙體的整個(gè)密封時(shí)間長(zhǎng)達(dá)24 h，占據(jù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的62%以上。深海壓力容器的密封時(shí)間過長(zhǎng)，不僅影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度，使科研不能按時(shí)結(jié)題；而且也是對(duì)于人力資源成本的巨大浪費(fèi)，勞務(wù)安全的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)直線上升。本實(shí)驗(yàn)室通過試驗(yàn)，完成了對(duì)于壓力容器密封過程的改良，使密封時(shí)間最低可以降低到兩個(gè)多小時(shí)，只占到整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的15%以下。

1 前期準(zhǔn)備

深海壓力艙密封過程在前端蓋小車將前端蓋送至艙體內(nèi)壁處就已經(jīng)開始。從此時(shí)開始計(jì)算，整個(gè)密封過程最短可以2.5 h完成，最長(zhǎng)也不會(huì)超過4 h。這極大的降低了密封時(shí)間，為實(shí)驗(yàn)進(jìn)度的順利進(jìn)行提供了必不可少的保證。而且釋放了實(shí)驗(yàn)人員的勞動(dòng)力，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了安全事故的發(fā)生。

1.1 前期處理

首先，在第一次實(shí)驗(yàn)之前就已經(jīng)對(duì)艙體上的16顆螺柱以及其上的螺母進(jìn)行了編號(hào)，編號(hào)情況如圖1所示。

以順時(shí)針的方向，將螺柱以及螺母依次標(biāo)記為1，2，3……14，15，16。其作用：第一，每次安裝以及拆卸螺母時(shí)，能夠使相應(yīng)的螺母以及螺柱配對(duì)，減少加工誤差引起的裝卸不便。第二，相同設(shè)備的配套，可以減少多次使用對(duì)螺柱以及螺母壽命的影響。第三，標(biāo)號(hào)以后可以對(duì)于實(shí)驗(yàn)人員的分工起到顯著的指導(dǎo)作用。第四，其對(duì)于密封效果也有影響，可以更好的起到密封的作用。

圖1 螺母編號(hào)情況

1.2 選取工作壓力

每次在螺母安裝之前，應(yīng)該對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)有著比較深刻的理解。通過理論公式或者有限元軟件對(duì)于該次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，從而對(duì)于該次實(shí)驗(yàn)所需要的壓力值有著一個(gè)大致的預(yù)判斷。然后選擇該次實(shí)驗(yàn)所需要的密封工藝。本實(shí)驗(yàn)室將壓力梯度分為4個(gè)檔次（表1），經(jīng)過實(shí)際的檢驗(yàn)，沒有發(fā)現(xiàn)問題。

表1 艙內(nèi)壓力梯度表

1.3 螺柱清理

4個(gè)檔次的密封均有如下的操作：首先用活扳手將所有的艙體上螺柱進(jìn)行緊固，使其沒有活動(dòng)位移。在開始安裝螺母之前首先檢查艙體螺柱上是否有比較明顯的刮痕，如果有，則需要用銼刀對(duì)其進(jìn)行打磨，恢復(fù)螺柱上的螺紋，以防螺母以及液壓拉伸頭不能順利的安裝在其上。然后用鐵刷子對(duì)16顆螺柱上的螺紋進(jìn)行清理，將其上的鐵屑以及其他雜物清除。最后用毛刷子在螺柱上粉刷機(jī)油，增加螺柱的潤(rùn)滑度。

1.4 螺母安裝

首先將螺母墊圈套在螺柱的根部。正確的套裝方式為：平滑的一面結(jié)貼艙體，有明顯凹下去的一側(cè)指向前端蓋。然后依次選取螺母，看清其上標(biāo)號(hào)，將其安裝在與對(duì)應(yīng)的螺柱上。在安裝過程中，人力如果旋轉(zhuǎn)不動(dòng)，可以借助小撬棍插在螺母環(huán)側(cè)開孔上，利用杠桿原理繼續(xù)安裝。螺母的正確安裝方式為：平滑的一側(cè)指向前端蓋，環(huán)側(cè)有插孔的一端指向艙體。螺母安裝過程中不要使其緊緊貼死艙壁，留出大概一到兩個(gè)螺距的距離，以方便前端蓋調(diào)整平行度。

2 螺母緊固

2.1 精度調(diào)整

由于前端蓋是依靠軌道小車前進(jìn)，而軌道小車僅能夠達(dá)到工程精度，達(dá)不到機(jī)械精度。因此當(dāng)前段蓋與艙壁接觸后，沿一周接觸縫必然某部分寬，某部分窄。最大間距能夠達(dá)到40多mm，最小只有13 mm多。倘若如此直接進(jìn)行密封，必然密封效果不佳，在實(shí)驗(yàn)中漏水，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)不能進(jìn)行下去而必須重新返工，耗費(fèi)太多的人力以及物力；有可能破壞管道模型，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的直接失?。徊⑶铱赡軙?huì)發(fā)生事故，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)人員的生命安全受到威脅及實(shí)驗(yàn)設(shè)備受到破壞。因此必須進(jìn)行前端蓋的平行度調(diào)整。

首先準(zhǔn)備好游標(biāo)卡尺以及粉筆。依次測(cè)量3，7，11，15四顆螺柱旁邊的前端蓋與艙體接縫之間的距離，并將數(shù)據(jù)記錄在所測(cè)量位置。選取這四個(gè)位置是由于3和11基本在水平位置，7和15基本在豎直位置，既能方便測(cè)量，又能提高測(cè)量精度。

測(cè)量過程最好一直由一個(gè)人完成，防止由于個(gè)人習(xí)慣以及測(cè)量工具的誤差，引起明顯的偏差。測(cè)量過程必須正確使用游標(biāo)卡尺，尺寸精確到小數(shù)點(diǎn)后一位小數(shù)。

首先將液壓拉伸頭裝配在間距最大的所測(cè)螺柱上，對(duì)其打壓，當(dāng)其間距縮短至18 mm處停止（一般最大間距均會(huì)大于20 mm），測(cè)量與其對(duì)角螺柱處間距。當(dāng)兩個(gè)對(duì)角處縫隙在0.5 mm差距范圍內(nèi)，將被打壓的螺柱上螺母以及左右兩個(gè)螺母帶死。緊固的力度不用很大，防止前端蓋反彈即可。同時(shí)其對(duì)角處螺柱上螺母也做相同處理。然后將液壓拉伸頭卸下，尋找與其垂直的兩個(gè)螺柱間隙較大的那個(gè)，采用相同的方法，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。此時(shí)其最大間距不一定大于18 mm，只要保障與其對(duì)角間隙在0.5 mm誤差允許范圍內(nèi)即可。然后再次測(cè)量4個(gè)點(diǎn)的間隙，看看是否達(dá)到要求。如果沒有，采用上述的方式繼續(xù)調(diào)整前端蓋的平行度。

在密封過程中有如下要求與假設(shè)：

（1）液壓拉伸器在此時(shí)一般為單打，具體的使用方法在此不再贅述。

（2）在調(diào)整過程中認(rèn)為，由于罐體重達(dá)80多t，所以是固定不動(dòng)的，只是調(diào)整前端蓋對(duì)于其的平行度。

（3）調(diào)整的精度要求對(duì)角的兩個(gè)間隙在0.5 mm之內(nèi)。4個(gè)點(diǎn)當(dāng)中間隙最大與間隙最小的差距不能大于1.5 mm。

（4）由于罐體生產(chǎn)時(shí)，不可避免的會(huì)存在加工誤差；而其罐體的外直徑為5 024 mm，默認(rèn)環(huán)向有0.5 mm的誤差。所以上述的1.5 mm的誤差是允許的。

2.2 機(jī)械密封

當(dāng)前端蓋的平行度調(diào)整好之后，將所有的螺母緊固死，達(dá)到人力擰不動(dòng)即可。同時(shí)調(diào)整液壓拉伸器，使其兩個(gè)液壓拉伸頭都能夠工作。以上的準(zhǔn)備工作對(duì)于4個(gè)檔次的緊固工藝均要求完成。以下將對(duì)于不同的檔次分別選取不同的密封工藝。

第一檔：對(duì)于罐體內(nèi)達(dá)到此等壓力范圍，液壓拉伸器在整個(gè)密封過程中，主要選用60 MPa這個(gè)壓力。首先用液壓拉伸器打壓7號(hào)和15號(hào)，當(dāng)打到60 MPa時(shí)停止，同時(shí)不要泄壓。測(cè)量該位置處的間隙距離。如果平行度還滿足要求在1 mm范圍內(nèi)，則將其上兩個(gè)螺母緊固死。倘若兩個(gè)間隙距離差距大于1 mm，則將間隙大的位置處緊固死，間隙小處留下一個(gè)螺紋間距的活動(dòng)量。然后泄壓，再次測(cè)量?jī)蓚€(gè)被打壓位置處的間隙距離，一般情況下平行度會(huì)得到滿足。隨后采用相同的方法打壓3號(hào)和11號(hào)，保證其精度。此時(shí)再次測(cè)量4個(gè)點(diǎn)處的間隙距離，保證對(duì)角間隙差距在1 mm之內(nèi)。倘若不滿足要求，則需要將間隙最小處的螺母松動(dòng)一些，確保其平行度；倘若滿足精度要求，則需要將所有的螺母再次用人力緊固。

接下來采用對(duì)角打法， 依次選擇打 （5，13），（1，9），（8，16），（4，12），（6，14），（2，10）。 一般在打完（1，9）后，艙體上螺柱受力呈米字形，精度基本上就能滿足要求。但是，在打壓過程中要繼續(xù)用游標(biāo)卡尺測(cè)量間隙距離，防止操作失當(dāng)以及個(gè)人能力問題引起的誤差偏大的缺陷。

在打壓過程中全部選用液壓拉伸器的60 MPa這一檔。在打完最后一對(duì)螺母后，測(cè)量前端蓋與艙體之間的4個(gè)點(diǎn)間隙，倘若對(duì)角的間隙距離大于1.5 mm，則用液壓拉伸器打壓間隙大處螺母，此時(shí)選用80 MPa這一檔。一般打壓方式為單打，基本能滿足精度要求。

第二檔：前面的工作如第一檔所描述。但是在打完（1，9）這一對(duì)螺母后，對(duì)于剩下的螺母需要選用80 MPa的檔來打壓螺母， 順序如上所述。 然后再次按照 （7，15），（3，11），（5，13），（1，9）的順序，用 80 MPa 的檔再次打壓一遍。最后調(diào)整選用100 MPa這一檔。

第三檔：前面的工作如第一檔所描述。但是要用60 MPa這一檔將所有的螺母打一圈，然后再次按照上述順序用80 MPa打一遍，最后用100 MPa調(diào)整平行度。

第四檔：前面的工作如第一檔所描述。但是此次密封需要緊固三遍， 順序如上所述。 對(duì)于 （7，15），（3，11），（5，13），（1，9）用 60 MPa 打；（8，16），（4，12）（6，14），（2，10）用 80 MPa打。 然后再次按照上述順序：（7，15），（3，11） ……（6，14），（2，10）用110 MPa打一遍。 最后用120 MPa調(diào)整。

在打壓過程中前期的平行度調(diào)整起著決定性的作用。如果平行度沒有調(diào)整好，不僅會(huì)要求返工造成時(shí)間上的拖沓與誤工，還會(huì)直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗。

2.3 尾端蓋密封

對(duì)于以上4個(gè)檔次的密封工藝，在第一個(gè)米字打完以后，尾端蓋的密封就可以開始進(jìn)行。首先將尾端螺柱配套的螺母安裝在螺柱上。螺母的正確安裝方式為有十字氣孔開口的一端指向罐體內(nèi)部，使螺母緊緊貼死艙體的外壁。然后按照與前端蓋相同的順序與要求將尾端蓋密封。但是需要注意的是尾端蓋的安裝需要使用手動(dòng)拉鏈，因此最少需要兩個(gè)人同時(shí)工作。由于設(shè)計(jì)工藝的問題，在尾端蓋的安裝拆卸過程中需要將尾端蓋的排氣閥拆下。因此在尾端蓋安裝好之后，需要將排氣閥安裝回原來的位置，并且逆時(shí)針開至最大。

3 結(jié)論

經(jīng)過本實(shí)驗(yàn)室的工藝研究與改進(jìn)，不僅滿足了深海壓力艙對(duì)密封強(qiáng)度的需要，而且節(jié)省了安裝大螺母的時(shí)間。既減輕了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又減少了反復(fù)操作對(duì)實(shí)驗(yàn)器械的損傷，保證了整個(gè)密封技術(shù)的可靠性、可用性、安全性與快速性。試驗(yàn)表明本實(shí)驗(yàn)室對(duì)于深海壓力艙密封技術(shù)研究與改進(jìn)是完全成功的。

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Research on Deep-water Pressure Container’s Sealing Technique

YU Jian-xing,WANG Bao-jian,MA Jun,LIN Zhen-shi,LIANG Jing,HAO Xiao-nan,LIN Xiao-long,ZHANG Ying
(Key Laboratory of Harbor and Ocean Engineering,Ministry of Education and Tianjin,School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

It's found in the tests of pipelines'buckling that the original sealing technique of the deep-water pressure container is timeconsuming,ineffective,insecure and always unsuccessful.For these phenomena,a brand-new method and process of sealing technique is adopted to greatly improve the situation:numbering and cleaning the studs in the preliminary process to prevent jamming during the installation of nuts,taking a new accuracy-control method to avoid leakage and rework,dividing for sealing technology and choosing different sealing solutions according to different working pressures.The experiments show that the new method significantly upgrades the reliability,availability,security and efficiency of the sealing technique.

sealing;deep-sea pressure container;sealing technique

TE58

A

1003-2029（2011）03-0097-03

2011-03-01

國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2008ZX05026-005,2008ZX05026-006);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目 (2008AA09Z307);上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究基金資助項(xiàng)目

余建星（1958－），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榇笮凸こ探Y(jié)構(gòu)可靠性分析與優(yōu)化、工程風(fēng)險(xiǎn)管理等。

王保建，Email:wangbaojian856@163.com