（机械电子工程专业论文）深海保真采样设备密封结构特性分析及试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 海洋蕴藏着丰富的自然资源，包括海洋生物资源，矿产资源和能源。但是海 洋环境的自然条件非常的严酷，所以，无论是对海洋的科学考察，还是对海底矿 产资源的开采，都需要有现代化的水下作业技术。水下作业设备，特别是深海高 压海洋环境条件下的保真采样设备对于密封结构的要求就特别苛刻，那么对于密 封结构的研究就成为了重中之重。 本文针对深海高压球阀和深海高压盖板阀进行了密封技术研究和试验研究， 并且针对整个保真采样系统的压力补偿系统做了研究和试验。 全文共分六章。 第一章介绍了课题背景。即深海保真采样设备的发展现状以及应用在其上的 密封结构的概况，并且阐述了本课题研究的目的和意义以及主要研究内容。 第二章介绍了深海高压球阀密封技术研究。研究了球阀的整体结构、密封力、 球体与阀座间的比压、球体直径和球阀阀杆启闭的力矩，并分析了液压传动机构。 最后对深海高压球阀性能做了试验研究。 第三章介绍了深海高压盖板阀密封技术研究。对o 型橡胶密封圈受深海高压 环境影响而出现的体积压缩特性做出了a n s y s 有限元仿真分析和压缩试验研 究。并针对深海高压下使用的盖板阀的密封结构作了优化设计。提出了较为准确 地预测橡胶材料体积压缩率的方法。 第四章介绍了深海保真采样设备压力3 1 、偿技术研究。针对保压筒在高压下的 体积变化情况做出了理论分析和试验研究。对压力3 1 、偿器一一蓄能器的3 1 、偿能力 做出了分析。 第五章介绍了应用深海高压球阀密封结构的国家8 6 3 项目一一“深海近底层 生物幼体高保真直视取样技术”的深海保真采样器搭载“大洋一号”科学考察船 于2 0 0 9 年6 月在南海进行海试的情况。 第六章对全文进行了总结，并介绍了下一步工作的开展方向。 关键字：深海高压环境保真取样密封球阀盖板阀 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t o c e a ni sr i c hi nn a t u r a lr e s o u r c e s ，i n c l u d i n gm a r i n el i v i n g ，m i n e r a lr e s o u r c e sa n d e n e r g y c h i n aa l s oh a sa b u n d a n tm a r i n er e s o u r c e s ，s u c ha sc r u d eo i l ，n a t u r a lg a s ， m i n e r a lr e s o u r c e s ，a n dal a r g en u m b e ro fn a t u r a lg a sh y d r a t er e s o u r c e s h o w e v e r ，t h e c o n d i t i o n so ft h em a r i n ee n v i r o n m e n ta r ev e r yh a r s h ，t h e r e f o r e ，w h e t h e rt h es c i e n t i f i c e x p l o r a t i o no ft h eo c e a n s ，o rt h ee x p l o i t a t i o no fs e a b e dm i n e r a lr e s o u r c e s ，i ti s n e c e s s a r yt oh a v em o d e mu n d e r w a t e rt e c h n o l o g y r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n ga v a r i e t yo fu n d e r w a t e rd e v i c e sh a v ee x t r e m e l yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e u n d e r w a t e r e q u i p m e n t ，e s p e c i a l l yt h et r u t h - p r e s e r v i n gs a m p l i n ge q u i p m e n tu s e du n d e rd e e p s e a , r e q u i r e sv e r ys t r i c tr e q u i r e m e n t sf o rt h es e a l i n gs t r u c t u r e ，t h e nt h es e a l i n gs t r u c t u r eo f t h es t u d yo ft h et r u t h - p r e s e r v i n gs a m p l i n ge q u i p m e n tb e c o m e sa t o pp r i o r i t y i nt h i st h e s i s ，t h es e a l i n ga n dt h ed r i v e nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et w ok i n d so f s e a l i n gs t r u c t u r eu s e di nd e e p s e as a m p l e r - b a l lv a l v ea n dc o v e rv a l v ew e r ea n a l y z e d ， a n ds t u d i e dt h ep r e s s u r ec o m p e n s a t i o ns y s t e mf o rt h et r u t h - p r e s e r v i n gs a m p l i n g e q u i p m e n tu s e du n d e rd e e p - s e aa n dd i dt h ee x p e r i m e n m t i o n t h ef u l lt h e s i si sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s c h a p t e r i d e s c r i b e st h eb a c k g r o u n do ft h et o p i c ，n a m e l y , t h ed e v e l o p m e n to f d e e p s e as a m p l i n ge q u i p m e n ts t a t u sa n d t h ea p p l i c a t i o ni n i t so v e r v i e wo ft h e s t r u c t u r eo nt h es e a l ，a n de x p l a i n e dt h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hp r o j e c ta sw e l la st h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n ds i g n i f i c a n c e c h a p t e r i id e s c r i b e st h es e a l i n gt e c h n o l o g yo ft h ed e e p - s e ah i g hp r e s s u r eb a l l v a l v e s t u d y e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h eb a l lv a l v e ，t h es e a l i n gf o r c eb e t w e e nt h e v a l v eb a l la n ds e a t ，b a l ld i a m e t e r t h eh e a d s t o c kt o r q u e ，a n dd e s i g n e dc y l i n d e rp i s t o n f i n a l l y , d i dt h ep e r f o r m a n c e t e s t so ft h ed e e p s e ah i g hp r e s s u r eb a l lv a l v e c h a p t e ri i i d e s c r i b e st h es e a l i n gt e c h n o l o g yo ft h ed e e p s e ah i g hp r e s s u r ec o v e r v a l v e a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev o l u m ec o m p r e s s i o no ft h er u b b e r0 一r i n g u s e di nt h ed e e p s e ah i g hp r e s s u r ee n v i r o n m e n tw i t ht h em e t h o d so ft h ea n s y sf i n i t e i 浙江大学硕： 学位论文 e l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt h ec o m p r e s s i o nt e s tu s i n gt h ee l e c t r o n i cu n i v e r s a l t e s t i n gm a c h i n er e s p e c t i v e l y t h ed e s i g no ft h ed e e p s e ah i g hp r e s s u r ec o v e rv a l v e w a so p t i m i z e d am e t h o do fp r e d i c t i o nt h ev o l u m ec o m p r e s s i o nr a t i o no fr u b b e r o r i n gm o r ea c c u r a t e l yw a sp r o p o s e d c h a p t e ri v d e s c r i b e st h es t u d yo np r e s s u r ec o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi s w i d e l yu s e d i na c c u m u l a t o rp r e s s u r e c o m p e n s a t i o n c o m b i n a t i o no fd e e p - s e a s a m p l i n ge q u i p m e n t ，p a c k i n gc y l i n d e rf r o mt h ew o r k i n gv o l u m eo fi ns i t up o i n tt ot h e s e a l e v e lc h a n g e si nt h ea p p l i c a t i o nr e a c h e dt h ea c c u m u l a t o ra n dt h ea p p l i c a t i o no f t h en e c e s s i t yt o g e ti n v o l v e di nt h ea c c u m u l a t o rp r e s s u r ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t y c a l c u l a t i o n ，a n dp r e s s u r ec o m p e n s a t i o nf o rt h er e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h e s i t u a t i o n ，d e e p s e as a m p l i n ge q u i p m e n tp a c k i n gc y l i n d e ra n da c c u m u l a t o rw a ss t u d i e d c h a p t e rv d e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o no ft h i st h e s i ss t u d i e dt h es t r u c t u r eo ft h e n a t i o n a l8 6 3p r o j e c ts e a l 一”n e a rt h eb o t t o mo fd e e p s e ab i o l o g i c a ll a r v a el o o k d i r e c t l ya th i g h - f i d e l i t ys a m p l i n gt e c h n o l o g y ”d e e p - s e as a m p l i n gd e v i c ee q u i p p e d w i t h ”o c e a no n e ”s c i e n t i f i cr e s e a r c hv e s s e li nj u n e2 0 0 9s e at r i a l i nt h es o u t hc h i n a s e as i t u a t i o n c h a p t e rv is u m m a r i z e da n dp r e s e n t e dt h ew o r kn e e dt ob ec a r r i e do u ti nt h e f u t u r e k e y w o r d s ：d e e p - s e ah i g hp r e s s u r e ，t r u t h - p r e s e r v i n gs a m p l i n g ，s e a l i n g ，b a l lv a l v e ， c o v e rv a l v e i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得潲l 了泮或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = t 思。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解潲i 了洋有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权泖嘴可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年月 日签字同期：年月 日 浙江大学硕r 上学位论文 致谢 在此论文即完成之际，谨向关怀、鼓励、支持和帮助过我的老师、同学、朋 友和亲人们表示衷心的感谢。 首先要感谢我的导师顾临怡教授，本学位论文是在顾老师的亲切关怀和悉心 指导下完成的。从课题的选择到项目的最终完成，顾老师都始终给予我耐心的指 导和不懈的支持。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风， 深深地感染和激励着我。他循循善诱的教导和不拘一格的思想给予我无尽的启 迪。顾老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给与我无微不 至的关怀，在此谨向顾老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 也要感谢李世伦副教授，在课题研究过程中，李老师也给予了悉心指导，而 且在工作中和生活中李老师都给予了我热情的关怀，在此表示深深的感谢。 特别值得一提的是，我要由衷地感谢陈家旺老师，这篇论文能够顺利进行， 离不开他的悉心指导。陈老师以他渊博的知识、富有创造力的思维、身先士卒的 工作态度和丰富的工程实践经验给予我很多研究方法上的指导和研究思路上的 启发，陈老师对我的关心和爱护也无法用语言来形容，在这里谨献上我最真挚的 谢意。 同时，我们的课题组是一个团结、活泼，互助的集体。我为在这样的集体中 进行研究生阶段的学习感到无比高兴。整个实验室伙伴们点点滴滴的关怀和帮助 也让我感动。在这里，我要特别感谢实验室同届同学李华凤硕士、叶欣硕士和魏 光超硕士。在他们的帮助下，我避免了走过多的弯路，同时也缓解了硕士期间工 作的压力。从他们身上我不仅学习到了知识，同时也感受到了他们的热情和干劲。 最后，感谢我的父母和家人，感谢他们一直以来对我的关怀和鼓励，他们的 全力奉献和无私关怀是我最强有力的后盾，为他们献上我最最真挚的祝福，祝愿 他们永远健康快乐。 周博 2 0 1 0 1 1 5 于求是园 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 海洋一包括大洋和各种海洋以及邻接的沿海区域是一个整体，是全球生命 支持系统的一个基本组成部分，也是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富【。 海洋这一浩瀚的水域，蕴藏着丰富的自然资源，包括海洋生物资源，矿产资 源和能源。世界水产品中的8 5 左右产于海洋。以鱼类为主体，占世界海洋水产 品总量的8 0 t 次上，还有丰富的藻类资源。仅位于近海水域自然生长的海藻，年 产量已相当于目前世界年产小麦总量的1 5 倍以上，如果把这些藻类加工成食品， 就能为人们提供充足的蛋白质、多种维生素以及人体所需的矿物质，海洋中还有 丰富的肉眼看不见的浮游生物，加工成食品，足可满足3 0 0 亿人的需要，海洋中 还有众多的鱼虾，真是人类未来的粮仓。 海水中合有丰富的海水化学资源，已发现的海水化学物质有8 0 多种。其中， 1 1 种元素( 氯、钠、镁、钾、硫、钙、溴、碳、锶、硼和氟) 占海水中溶解物 质总量9 9 8 以上，可提取的化学物质达5 0 多种。如果将1 立方千米海水中溶 解的物质全部提取出来，除了9 9 4 亿吨淡水以外，可生产食盐3 0 5 2 万吨、镁2 3 6 9 万吨、石膏2 4 4 2 万吨、钾8 2 5 万吨、溴6 7 万吨，以及碘、铀、金、银等等， 由此可见海洋资源的价值。 据科学勘察和推算，海底石油约有1 3 5 0 亿吨，占世界可开采石油储量的4 5 。 目前，世界上公认，举世闻名的波斯湾，是世界上海底石油储量最丰富的地区之 一。而我国的南海、东海、南黄海和渤海湾，都先后发现了油田。海底有大量 的金属结核矿，其中锰2 0 0 0 亿吨，镍1 6 4 亿吨，铜8 8 亿吨，钴5 8 亿吨，相当 于陆地上储量的4 0 1 0 0 0 倍。 由于海水运动产生海洋动力资源，主要有潮汐能、波浪能、海流能及海水因 温差和盐差而引起的温差能与盐差能等。估计全球海水温差能的可利用功率达 1 0 0 1 0 8 千瓦，潮汐能、波浪能、河流能及海水盐差能等可再生功率在1 0 1 0 8 千瓦左右。 海水不但可以通过其热能和机械能等给我们电能，从海水中还可提取出像汽 1 浙江大学硕士学位论文 油、柴油那样的燃料铀和重水。铀在海水中的储量十分可观，达4 5 亿吨左 右，相当于陆地总贮量的4 5 0 0 倍，按燃烧发生的热量计算，至少可供全世界使 用l 万年【2 】。 我国海岸线长达1 8 万公里，居世界第四。按照国际法和( ( 联合国海洋法公 约的有关规定，我国主张的管辖海域面积可达3 0 0 万平方公里，接近陆地领土 面积的三分之一。其中与领土有同等法律地位的领海面积为3 8 万平方公里，大 陆架面积居世界第五位。 我国拥有丰富的海洋资源。油气资源沉积盆地约7 0 万平方公里，石油资源 量估计为2 4 0 亿吨左右，天然气资源量估计为1 4 万亿立方米，还有大量的天然 气水合物资源，即最有希望在本世纪成为油气替代能源的“可燃冰”。我国管辖 海域内有海洋渔场2 8 0 万平方公里，2 0 米以内浅海面积2 4 亿亩，海水可养殖面 积2 6 0 万公顷；已经养殖的面积7 1 万公顷。浅海滩涂可养殖面积2 4 2 万公顷， 已经养殖的面积5 5 万公顷。我国已经在国际海底区域获得7 5 万平方公里多金 属结核矿区，多金属结核储量5 亿多吨【3 1 。 而占地球表面积4 9 的国际海底区域还蕴藏着极为丰富的多金属结核、热 液硫化物、海洋生物、钴结壳、天然气水合物以及粘土矿物等资源，这些资源具 有重大的经济价值。除此以外，在6 0 0 0 m 深处的大洋底部仍有生命存在，这种 极端条件下的生命也备受到生物学家重视。 随着现代科学技术的高速发展，各种新兴技术不断涌现，为海洋的开发提供 了新的强有力的技术支持，大规模开发海洋已经成为可能，我们现在已经进入了 开发和利用海洋的时代【4 1 。 然而海洋具有十分苛刻的环境条件，这给海洋的研究与开发带来了极大的困 难。所以，无论是对海洋的科学考察，还是对海底矿产资源的开采，都需要有现 代化的水下作业技术作为支撑。因此，研制和开发各种水下作业设备具有极其重 要的意义【5 1 。 1 1 1 深海保真采样设备的发展现状 海洋学界越来越重视能够长时间保持样品温度和压力的深海采样技术，目前 比较常用的保真采样器主要有针对浮游生物的保真采样器以及针对海底沉积物 2 浙江大学硕上学位论文 的保真采样器。 图1 1 所示为美国夏威夷大学开发的采样器。该采样器被设计成采集热液并 能够维持其原位温度值直到样品被转移到甲板上的生物反应器中。所有的电子线 路和水管都连接到一个乘员3 人的深潜器上。采样器的基本结构是一个放在圆柱 体状的压力腔中的容积为3 0 0 m l 的双端缸。热量是由一个柔性的附有硅树脂的器 件提供并且由一个电阻温度测量器件( r t d ) 来监控。采样过程是由深潜器上的 机械手放置一个“通气管”来完成。“通气管”中的一个球阀在承受外压时迅速 关闭压紧来阻止在下潜过程中海水的流入以及上浮过程中样品的流出。压力腔的 出口也是由球阀来密封。每个球阀都是由机械手触发。采样时，“通气管”放在 热液口处，然后机械手打开球阀，泵抽取热液约2 分钟。在这个过程中测量样品 的温度，当温度稳定在热液出口温度时泵停止。加热的温度设置为样品的温度并 且由处理控制器监视。“通气管”内压的维持通过关闭球阀来实现【6 j 。 图1 1 美国夏威夷大学采样器示意图 浙江大学流体与传动国家重点实验室参与国家8 6 3 项目一一“深海近底层生 物幼体高保真直视取样技术”而研制的深海近底层多网分段分层生物幼体保压 采样器是一套保压直视采样系统1 7 l 。该采样器可以利用科考船上的同轴缆将其吊 放到深海，在近海底区域进行水平分段拖曳取样，或在水柱的不同层次分别进行 垂直拖曳取样( 垂直拖曳) ，并且在保压条件下将采样器所获取的生物幼体回收 至海面，该采样器通过安装在保压筒两端的由电液驱动的球阀来控制保压筒的开 闭，并依靠包括球阀在内的密封结构来实现保压筒内的样品保持采样原位点的压 力，如图1 2 所示为该采样器在科学考察船上的准备状态。 3 浙江大学壤学位论文 目1 2 深海近底层多圈分段分层生物幼体保压采样器 p c s 是一种液压驱动的，自由下落并由铜缆回收的保压武取芯筒它具有多 种采样工作方式，既可以单独使用，也可以利用现有的中空钻杆进行沉积物取样。 它由以下六部分组成： 1 可分离的取样管： 2 可保持厚位压力的球阀密封组件： 3 固定球阀和把取样筒拉进取样嚣的莉作筒组件； 4 把扭矩传递到p c s 的切削菅靴处的锁机构； 5 保持取样倚中压力的蓄能器； 6 允许液气分析的管路组件 p c s 样品直径4 32 m m ，长9 9 0 r a m ；取样器长l7 m ，外径9 52 5 r a m ；可保持 最大压力为6 9 m p a 。其缺点是样品直径较小且不能在取样结束后，无压降地把 样品取出来供后续实验室分析 p c s 的缺点是： 1 取芯率 | 二较低，没有解决保温问题； 2 ，不能在取样结束后，无压降地把样品取出来供后续实验室分析”。 浙江大学硕士学位论文 采样前采样后 图1 3p c s 保压采样器 1 1 2 深海保真采样器密封结构概述 密封就是为了在机械部件或者工艺系统元件之间形成无渗漏的连接而采用 的各种装置或者系统，其功能在于阻止泄漏。深海保真采样器中使用的密封结构 最根本的目的也是阻止泄漏，即在海水的输送系统中，切断其流动通道，堵塞或 者隔离通道，并组织海水的外泄。无论是保护控制系统的电气设备、连接线缆以 及接插件不受外界海水的影响，还是维持采样保真系统中所获样品的采样点原位 压力不变，都需要有先进可靠的密封机构。可以这么说，密封结构是深海保真采 样设备中的主要部件，整个采样器的可靠性就取决于密封结构的工作能力。同时 由于海水介质不断的冲刷，压力、温度和振动的变化，直接对密封结构进行作用， 如果密封结构的工作性能比较差，那么将会带来密封失效，轻则造成采样器丧失 采样点原位压力，保压失败，重则造成采样器的严重损坏。 根据密封结合面的状态可以将其分为静密封和动密封。相对静止部位的密封 可称为“静密封”，被密封的两个表面间不存在相对运动，密封的作用是将两个 空间分离开来，保证两个空间中的物质不发生交流。动密封则是指原有的密封结 s 浙江人学硕士学位论文 构一旦失效或者设备、管道出现孔洞、流体截止正处于外泄的情况下，采取特殊 手段所实现的一种密封途径。如注剂式带压密封技术、带压粘接密封技术、带压 焊接密封技术等1 9 1 。 对于深海保真采样设备来讲，其主要有两类密封结构。第一类是用来保护控 制系统，电路元器件等不受海水压力影响而能够正常工作的密封结构，这类结构 应用在采样器设备保压筒上，主要由密封端盖和密封圈组成，如图1 4 所示。这 类结构一旦安装完成，就在深海保真采样器工作的过程中不再动作，所以这类密 封结构在采样器使用过程中基本稳定，因而不是本文研究的内容 图1 4 保压筒密封端盖和密封圈 第二类是用来实现深海保真采样器采样功能的密封结构，这类结构主要安装 在采样器样品保压筒上，根据采样原理的不同主要由球阀、盖板阀等各类阀门和 与之相应的密封圈组成，如图1 5 所示。这类结构在保真采样器的使用过程中要 频繁开关，因此其密封性能将会受到残酷的深海高压环境的极大考验，而这类密 封结构的研究，使用也决定着深海保真采样器的采样保压功能的成败，因此是本 6 浙讧大 硕学位论盘 文的重点研究内容 图1 5 保真采样保压筒密封结构 1 2 课题研究的目的和意义 本课题综合来源于多个国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) ，随着深海采 样器研究的进一步深入，如何高质量地获取采样样品成为海洋科学研究的一个瓶 颈，研究人员更是希望能够获得更加接近取样原位状态的深海采样样品。但是， 由于取样作业条件的不确定性，如取样器的不同样品所处深海海洋环境不同等 导致许多样品信息的准确性和标准化。因此，如果能够做到对样品的保真取样( 主 要是整个取样回收过程中压力无突变) 的话，上述问题就迎刃而解了，这样对于 海洋科学来讲就意味着巨大的进步 缘上所述，对于蜾海保真采样设备密封结构的研究至少在以下三个方面存在 着重要的意义： 1 、深入研究了应用在深海保真采样器上的两种密封结构一一深海高压球闶 和深海高压盖板阎，这对深海保真采样器的发展及其功能完善，特别是对于采样 幂保持所获得样品的原位压力有着重要的意义 浙江大学硕士学位论文 2 、试验研究了高压环境下保压简体密封结构和其组成的密封保压系统的各 项性能，为深海保真采样器的设计提供理论上的有力支持。 3 、仿真分析和试验研究了丁腈橡胶( n b r ) 、氟橡胶( f p m ) 和硅橡胶( m v q ) 三种橡胶材料在深海高压环境下的压缩特性，为在深海高压环境下使用的o 型 橡胶密封圈的选型使用提供了重要的参考资料。 1 3 课题的主要研究内容 根据上述研究目标，本课题将主要围绕以下三个方面展开针对性的研究与试 验：深海高压环境下使用的球阀密封技术的研究；深海高压环境下使用的盖板阀 的密封技术研究和三种橡胶材料的0 型圈在高压环境下的压缩特性分析；压力 补偿技术的研究，包括保压简体的体积变化研究与试验以及蓄能器压力补偿能力 研究。 l 、深海高压球阀密封技术研究 球阀是一种常见的用来切断或者接通管道中流动液体的阀门。深海保真采样 器上应用的球阀在结构上有着不同于普通陆上大气常压下应用的球阀。 本文研究了深海高压球阀的密封技术。重点包括球阀的整体结构、密封力、 球体与阀座问的比压、球体直径和球阀阀杆启闭的力矩，并分析了液压传动机构。 最后对深海高压球阀性能做了试验研究。 2 、深海高压盖板阀密封技术研究 盖板阀相对于球阀无论是在结构上还是驱动方式上都比较简单，但是在深海 高压环境中应用的盖板阀面临着和深海高压球阀所不同的问题，同时也存在着和 在陆地上使用的盖板阀所不存在的问题。 本文研究了盖板阀的密封原理。对o 型橡胶密封圈受深海高压环境影响而出 现的体积压缩特性做出了a n s y s 有限元仿真分析和压缩试验研究。并针对深海 高压下使用的盖板阀的密封结构作了优化设计。 3 、深海保真采样设备压力补偿技术研究 深海保真采样设备的密封结构毋庸置疑非常重要，但是由于深海高压环境的 影响，保压筒筒体在高压的影响下将产生变形，从而无论密封机构的性能多么优 秀，还是会造成保压筒内的压力变化，进而影响采样品的原位压力，所以深海保 8 浙江大学硕：i ：学位论文 真采样设备的压力补偿装置也是非常必要的。 本文对高压条件下保压筒体的变形做出了理论分析和试验研究，并对压力补 偿器一一蓄能器的补偿能力做了分析。 1 4 本章小结 本章主要围绕深海保真采样设备及其密封结构的发展研究现状进行了介绍。 首先介绍了课题的背景一一海洋环境，海洋中蕴藏着丰富的资源，是一个等 待开发的宝藏。但是海洋环境的复杂就要求海洋科学考察设备的发展，而深海保 真采样设备就是其中的重要组成部分。应用在深海保真采样设备上的密封结构也 就是重中之重，这也就是本文所要研究的内容。 其次介绍了课题研究的目的和意义。 最后介绍了课题的主要研究内容一一深海高压球阀密封技术、深海高压盖板 阀密封技术以及压力补偿技术。 9 浙江大学硕士学位论文 2 深海高压球阎密封技术研究 2 1 球阀的原理与结构 2 1 1 球阀的作用原理 以球体为关闭件的阀门，称为球阀【10 1 。 球阀主要由阀体、阀座、球体、阎杆、驱动装置( 如手柄) 组成。图2 1 所 示为手动球阀结构图。 区 _ _ -阮 么7 嗲7 ；7 夕毙鼎z 墨 激 夕 万一淞鹾缆、巴影，7 力 垆镶场磁 图2 1 手动球阀示意图 球阀的主要功能是切断或者接通管道中的流体通道，即球阀通常为闭路阀。 因此，球阀的作用原理非常简单：借助驱动装置在阀杆上端施加一定的转矩并传 递给球体，使它旋转9 0 。( 特殊球阀结构例外) ，球体的通孔则与阀体通道中心 线重合或者垂直，球阀便完成了全开或者全关的动作。 如果是三通或者四通球阀，它们切换流体通道的功能同样是借助球体转动 9 0 。来实现的。 球体的支撑方式决定着球阀的结构，从而影响球阀的性能和用途。球阀设计 时，通常是根据使用要求、通径大小、流体压力及工作温度等条件来确定球体的 支撑方式，然后选择合适的密封结构。按球体的支撑方式，球阀可分为浮动球球 1 0 浙江大学硕士学位论文 阀和固定球球阀两大类。在下一小节中将会对二者进行简述。 2 1 2 浮动球球阀 球体的支撑方式不同，将引起球阀结构的重大变化，从而影响性能和用途。 浮动球球阀的主要特点是球体无支撑轴，球体系籍阀门进、出口两端的阀座予以 支撑。如图2 2 所示。 图2 2 浮动球球阀示意图 浮动球球阀的球体被两阀座夹持其中而成“浮动”状态。球体通过阀杆借助 于驱动装置可以自由地在两阀座之间旋转。当球体的流道孔与阀门通道孔对准 时，球阀呈开启状态，流体畅通，阀门的流体阻力最小；当球体转动9 0 。时， 球体的流道孔与阀门通道孔垂直，球阀呈关闭状态，球体在流体压力的作用下， 被推向阀门出口端( 阀后) 阀座，使之压紧并保证密封。 浮动球球阀的主要优点是结构简单、制造方便、成本低廉、工作可靠。 2 1 3 固定球球阀 球体与上、下阀杆连成一体，或者制成整体连轴式球，即将球体与上、下阀 杆锻( 焊) 成一体装在轴承上，球体可沿与阀门通道相垂直的轴线自由转动，但 不能沿通道线移动。因此，固定球球阀工作时，阀前流体压力在球体上所产生的 作用力全部传递给轴承，不会使球体向阀后阀座移动，因而阀座不会承受过大的 浙江人学硕士学位论文 压力，所以固定球球阀的转矩小，阀座变形小，密封性能稳定，使用寿命长，适 用于高压、大通径的场合。如图2 3 所示。 图2 3 固定球球阀示意图 固定球球阀的密封关键在于正确选用弹性密封阀座的结构形式，合理设计阀 座的各部分尺寸，巧妙地借助于流体压力或者弹簧作用力来达到密封的要求。 2 1 4 球阎的特点 球阀是2 0 世纪5 0 年代问世的一种阀门。经过半个世纪的发展，现在已经成 为一种主要的阀类，主要应用在航天、石油化工、长输管线、轻工食品、建筑等 行业。近年来，随着海洋科学技术的研究与发展，球阀的应用也越来越受到重视。 这是因为，球阀与其他阀类相比，具有许多突出的优点，受到科学技术人员的欢 迎。球阀的主要特点如下： l 、流体阻力小。球阀一般有缩径和不缩径通道两种结构，但是无论哪种结 构，球阀的流阻系数都比较小。可以说，在所有阀门中，全流量型球阀即不缩径 球阀的流阻是最小的。 2 、开关迅速、方便，容易实现远程自动化控制。由于球阀在一般情况下只 需球体旋转9 0 。就完成了全开或者全闭动作，很容易实现快速启闭；同时由于 开闭动作简单，也很容易实现远程控制和自动化控制。 3 、密封性能好。一般来说，绝大多数球阀的阀座都是用聚四氟乙烯等弹性 材料制造，金属与非金属材料组成的密封副的密封性也容易保证，并且对密封面 1 2 浙江大学硕士学位论文 的加工精度与表面粗糙度要求也不是很高，在球阀的使用过程中，密封力也随着 介质压力的增加而增大。 4 、寿命长。 5 、可靠性高。由于球体与阀座一对密封副不会发生擦伤、急剧磨损等故障， 因此球阀的可靠性比较高。 6 、自洁性好。阀体内通道平整光滑，这一特点更适合于输送粘性流体、浆 液以及固体颗粒。 2 2 深海高压球阀的密封 2 2 1 深海高压球阀整体结构 本文中所研究的深海高压球阀已经在深海近底层多网生物幼体保压取样器 上应用，该球阀的优良性能保证了生物幼体样品的成活率。 该保真采样器的工作环境可以深达6 0 0 0 米的水下，众所周知，水深每增加 1 0 米，就增加一个大气压，即0 1 m p a 。那么采样器上的球阀的工作压力即约为 6 0 m p a ，这属于高压球阀的范畴，根据2 1 节所介绍的浮动球球阀和固定球球阀 的适用范围，本课题选取固定球球阀结构。 由于深海高压环境以及保真采样器对系统密封有着比较高的要求，所以本课 题选取球前后双面密封的结构。 图2 4 所示为深海高压球阀的结构图。整个球阀主要由电液驱动机构、阀杆、 浮动支座、球体、球面密封件和阀体六部分组成。 阀杆和球体固定在一起，同时二者又固定在阀体上，这样就使得球体在承受 压力时不产生移动。而对于球前后双面密封的结构，在阀前阀座由于浮动支座外 径d l 大于阀座平均直径d m ，则靠流体压力作用在浮动支座外径d i 环面与阀座平 均直径d m 之间的环面上的力和预紧力使阀前阀座达到密封；在阀后阀座由于浮 动支座外径d 2 小于阀座平均直径d m ，阀前阀座不能保证密封，流体进入阀体中 腔内，靠作用在阀后阀座平均直径d m 与浮动支座外径d 2 之间环面上的力，使阀 后阀座保持密封。又因为进1 2 1 端流体压力大于体腔内流体压力大于出1 ：3 端流体压 力，逐步压降的结果，就使得密封副两侧的压力差逐步减小，这样来说，球前后 1 3 浙江大学硕士学位论文 双面密封球阀就更容易保证密封。 图2 4 深海高压电液驱动球阀结构图 1 电液驱动机构2 阀杆3 浮动支座4 球体5 球面密封件6 阀体 2 2 2 球阀的密封力 作用在阀座密封面上的，沿着流体流动方向上的合力被称为密封力。密封力 的大小直接影响着球阀的可靠性、密封性和使用寿命。密封力是流体压力作用在 阀座上的合力，具体来讲，是阀座上的作用力、预紧力以及阀座滑动摩擦力的合 力： q = q o + g q ( 2 - 1 ) 其中，q o 为流体压力在阀座密封面上引起的作用力( n ) ； 1 4 浙江大学硕士学位论文 q l 为预紧力( n ) ； q 为阀座滑动的摩擦力( n ) 。 1 、流体压力在阀座密封面上的作用力q o ( n ) e o = 一q ( 2 - 2 ) 其中，为流体静压力作用在阀座密封面上的力； q 为流体静压力作用在密封面余隙上的力。 由于本课题所设计的固定球球阀密封形式为球前后双面密封，那么对于阀前 阀座密封： = 4 p ( a ? 一研) ( 2 3 ) 其中，儡为阀前浮动支座外径( m m ) ，此处取7 6 ； b 为浮动支座的内径，与阎座密封圈内径近似相等( n l i i l ) ，取4 0 ； p 为流体压力( m p a ) ，此处取最大工作压力6 0 。 q = ；弓( 谚一研) ( 2 4 ) 其中，弓为余隙中的平均压力，如果余隙中的压力呈线性分布，那么可以近 似地取e = j 1p ，i ! o 3 0 ； d 2 为阀座的外径( i i l n l ) ，此处取6 0 。 将弓= 三2 p 带入式( 2 4 ) 可得： 9 一z 萏p ( d ；一研) ( 2 - 5 ) 将式( 2 - 3 ) 和式( 2 - 5 ) 带入式( 2 - 2 ) 得到阀前阀座密封面作用力： q o2 署p ( 彳一研) 一詈p ( 谚一研) ( 2 6 ) = 7 4 r x 6 0 ( 7 6 2 4 0 2 ) 一- 7 虿 6 0 ( 6 0 2 4 0 2 ) = 1 4 9 5 8 9 6 n 对于阀后阀座密封： 纰= 署尸( 谚一以) ( 2 - 7 ) 浙江大学硕士学位论文 其中，a 2 为阀后浮动支座内径( m i l l ) ，此处取4 5 。 o j 同样按式( 2 - 5 ) 计算。 将式( 2 - 3 ) 和式( 2 - 7 ) 带入式( 2 - 2 ) 得到阀后阎座密封面作用力： q o2 三尸( 明一彰) 一三p ( 谚一研) ( 2 8 ) = n 4 x 6 0 ( 6 0 2 4 5 2 ) 一三8 6 0 ( 6 0 2 4 0 2 ) = 2 7 0 8 2 5 n 2 、预紧力g ( n ) 对于固定球球阀来讲，预紧力是靠弹性元件作用力来达到的，其作用是保证 深海高压球阀使用时的密封性。本课题中是由一组四个弹簧来提供的。 弹性元件须产生的预紧力按下式计算： 蜴= 知( 谚一研) ( 2 - 9 ) 其中，q 。为预紧所必需的最小的比压，g 卅= 0 1 p ，并确保2 m p a ，此 处取g 。= 6 m p a ； 带入式( 2 - 9 ) 计算得： g = 三6 ( 6 0 2 - 4 0 2 ) = 9 4 2 0 n ( 2 - l o ) 3 、阀座滑动的摩擦力q 2 ( n ) 对于固定球球阀来讲，当q 2 0 0 5 时，为了简化起见，在保证足够实用 精度的条件下，q 可以不考虑。 综合以上三点分别将各式带入式( 2 - 1 ) 可以计算得到， 阀前阀座密封： q g + q l = 1 4 9 5 8 9 6 + 9 4 2 0 = 1 5 9 0 0 9 6 n ( 2 - 11 ) 阀后阎座密封： q p o + q = 2 7 0 8 2 5 + 9 4 2 0 = 3 6 5 0 2 5 n ( 2 - 1 2 ) 1 6 浙江大学硕士学位论文 2 2 3 球体与阀座间的比压 1 、必需比压 密封面单位面积上所必需的最小压力称为必需比压，以q b ( m p a ) 表示。 由于流体压力( 进出口压力差) 或者附加的外力的作用，在球体和阀座之间 产生压紧力，那么阀座的密封圈便产生塑性的变形，以补偿球体的不圆度公差和 表面的微观不平度，使密封面上的间隙减小，从而阻止流体的通过，以达到密封 的目的。 必需比压在球阀设计中是最基本的参数之一，它对球阀的性能及结构尺寸有 着直接的影响。必需比压的大小与很多因素有关，主要取决于加工质量、尺寸、 温度和工作压力。 必需比压一般由实验来确定，在设计中往往采用经验公式： 9 6 叫等) ( 2 - 其中，m 为与流体性质有关的系数，对于本课题中球阀使用的环境，m = l ； a ，c 为与密封材料有关的系数，见表2 1 ，此处取a = o 4 ，c - - o 6 ； p 为流体的工作压力( m p a ) ，此处取6 0 ； b 为密封面在垂直于流体流动方向上的投影宽度，b - - t c o s 巾( m i l l ) ，此处取 5 5 5 ，t 为密封面宽度。 表2 1a 、c 系数表 则根据式( 2 1 3 ) 计算可得： 旷m 与笋，= 1 5 4 5 舰 1 7 ( 2 1 4 ) 浙江大学硕士学位论文 2 、许用比压及选择 许用比压表示的是密封面单