深水模拟高压舱调研

1 上海交通大学压力舱技术调研1.1项目概述上海交通大学建造的深海高压环境试验装置主要用于水下结构强度和稳定性试验设备。

包括两项装置：①2000米深海环境模拟装置，1980年建成。

主要性能及尺度：直径为 2.1米，工作压力为20M P a，可供各种水下机电设备在2000米深海环境中进行结构强度及疲劳强度、密封及高压条件下带压操作运动试验。

并可以实时地观察压力容器内的实验情况，主要由：液压加压泵及管路系统、球体、控制台、球体内摄像及监视系统、试验过程和结果记录系统、观察窗、水下照明等分系统组成。

主要性能指标：直径为 2.1米的耐压球体；系统最高工作压力：20M P a。

接口形式：球体上开设观察窗及电液接口，平时备用电液接口用堵头封住。

2000米深海环境模拟器球体摄像监测系统观察窗2000米深海环境模拟装置及摄像监测系统②4000米深水高压环境试验筒，由船舶总公司批准建造。

1979年开工，1982年建成。

主要性能及尺度：筒体内径为1米，工作压力为40M P a，可供各种壳体进行结构强度及疲劳强度、密封及高压条件下带压操作运动试验。

主要由：200M P a高压水泵及管路系统、圆柱筒体及带液压接头的端盖、控制台、电动葫芦吊装等分系统组成。

接口形式：柱体端盖开有电液接口，平时备用电液接口用堵头封住。

40M P a深水高压试验筒200M P a高压水泵40M P a深水高压试验筒控制台4000米深水高压试验筒2.1.2国外典型高压舱设备①日本J A M S T E C深水模拟高压舱。

日本J A M S T E C（J a p a n M a r i n e S c i e n c e&Te c h n o l o g y C e n t e r）的深水模拟高压舱最高工作压力为147M P a（模拟15000米水深压力），可用于水下机电设备、壳体、各类材料结构强度及疲劳强度、密封及高压条件下带压操作运动试验。

系统组成：高压泵及管路系统、圆柱筒体及带电液接口的端盖、筒内测试用支架、控制台、吊装系统。

主要性能指标：压力筒直径为 1.4米；压力筒深 3.0米；壁厚460m m；压力筒内容积5m3；重量161吨；电机功率：75k W；系统最高工作压力：147M P a；试验时压降速率：0.39~3.9M P a/m i n；试验加压时流量：13L /m i n；接口形式：柱体端盖开有电液接口，J A M S T E C高压舱平时备用电液接口用堵头封住。

日本J A M S T E C15000米深水模拟高压舱原理图②挪威O s l o F M C采油树制造工厂深水模拟高压舱挪威O s l o F M C采油树制造工厂的深水模拟高压舱是专用于水下采油树S C M模块的外压测试试验平台，测试内容包括：S C M模块静水环境下压力、密封测试；S C M模块静水环境下压力循环测试；S C M模块的带压控制功能操作测试。

由加压水泵及管路系统、分体式圆柱筒体、S C M控制用加压油泵及管路系统、筒体上测试S C M 带压控制功能用电液接口、筒内测试用支架、控制台、吊装等分系统组成。

系统压力等级：5000p s i；压力筒直径为0.8m；压力筒深0.8m接口形式：筒体上开有电液接口，平时备用电液接口用堵头封住。

.挪威O s l o F M C采油树制造厂S C M外压测试用高压舱③S w R I公司深海压力模拟测试舱S w R I公司在模拟深海压力环境方面提供多种多样的服务，可进行静压、循环和破坏测试。

高压舱从内径90i n，深20f t，到内径16i n，30000p s i。

S W R I高压舱实验室内径 2.3米，径深6米的深海环境测试舱测试内容包括：原型设备、耐压软管、水下仪表、电缆、接头、油田生产设备及安全设备等。

④巴西C E N P S中心高压舱该实验室的高压舱，是一个巨大的圆柱型容器，用于模拟设备所处的海底环境。

长6米，直径2米，足够测试大多数设备在最大300巴（4400p s i）压力下的工作状况，操作温度3℃到60℃。

高压舱内部结构图阀门测试高压舱壁厚11-17c m，外部涂覆有隔热材；有快关系统主要开口，该过程仅持续15分钟，原来的高压舱完成同样的工作需要数小时；内设有导轨，用于运送待测海下设备至高压舱内，通过舱壁上的接口进行控制和监控。

两台电脑同时控制高压舱进行工作，有一台作为备用，以防止其中一台出现问题，第三台电脑用于监控接受测试的设备；三台摄像机，其中一台用于拍摄三维图像，使我们能够看见测试中的每一个细节。

2.2中船重工某研究所中船重工研究所有一个专门的高压舱车间，对实体或模型进行压力测试，压力测试的对象主要是军工方面，如潜艇压力舱的模型。

目前有6个压力筒，压力等级从7M P a到90M P a不等，关键接口使用水密接插件。

该研究所计划在青岛建造卧式8m直径，长30m，20M P a高压舱及一个压力90M P a，直径3m，高 4.5m（耗资5000万）的高压舱；该研究所已为中油海泰所（隶属中石油）建造两个高压舱，参数分别为30M P a，直径 1.5m和15M P a，直径 1.8m。

该所高压舱舱体制造主要合作单位为上海锅炉厂和一重等压力容器制造企业。

通过交流，该所技术人员提示，在高压舱加工过程中对材料、制造工艺、焊接及热处理等方面的质量控制非常重要，需要有丰富经验的技术人员到联合单位进行现场指导把关，跟踪检验，解决制造过程中遇到的问题，需要按照既定设计高标准完成才能保证高压舱使用的安全性和可靠性。

该所研制的高压舱目前并无温度控制装置或保温措施，高压舱测试时周边只是设置遮拦等常规的防护措施。

40M P a压力舱90M P a压力舱2.4深水模拟高压舱测试需求分析水下生产设施深水环境模拟压力测试的关键在于对水下生产系统设备、操作情况和应用的深刻理解与研究。

通过对高压舱技术现状的调研，结合上海交通大学对F M C、Ve t c o g r a y等国际石油设备供应商位于新加坡、英国B r i s t o l和A b e r d e e n以及挪威的水下生产系统和采油树制造工厂的研究结果，归纳出水下生产设施深水环境模拟压力测试需求。

主要包括：z水下阀门静水压力外壳/带压操作测试；z水下控制模块静水压力/带压控制功能测试；z水下机械手带压操作测试；z水下分离器外压试验；z B O P密封性能外压试验；z采油树部件密封性能外压试验；z压力及其他传感器外压试验；z穿舱件、水密接插件（电）、脐带终端外压试验；z保温材料外压试验；z浮力材料外压试验z其它常规小尺寸部件水下外压试验。

2.5高压舱考察结论针对调研的几项内容，结合调研的大学、科研所的实际装备，对高压舱的参数及形式总结如下：所在单位压力/M P a直径/m长度/m形式备注上海交通大学20 2.1--球形上海交通大学401圆筒形日本J A M S T E C147 1.43圆筒形挪威O s l oF M C34.50.80.8圆筒形巴西C E N P S3026圆筒形卧式中船重工7 3.28.5圆筒形中船重工25 3.28.5圆筒形中船重工60 1.6 2.9圆筒形中船重工90 1.5 2.9圆筒形中船重工20830圆筒形卧式，计划中中船重工903 4.5圆筒形计划中，造价约5000万高压舱配套相关基本设施如下：加压水泵及管路系统；筒体或端盖上测试用电液接口；筒内测试用支架；控制台；吊装系统。

高压舱主体材料采用20M n M o N b整体锻造。

高压舱舱体热处理根据大小采用整体热处理或局部热处理方式。

压力容器设计标准有G B150-1998《钢制压力容器》，J B4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》。

G B150适用于设计压力不大于35M p a的高压容器，J B4732适用于设计压力不大于100M p a的高压容器。

由于高压舱是高压容器，且材料的厚度比较厚，在建造过程中开孔、焊接、检验、密封、变形控制等都是关键技术，建议全程跟踪，可以积累高压容器制造的经验。

中船重工研究所高压舱的升压和降压有人工和自动两套方式，对自动升压和稳压时间要求不高的试验一般采用人工操作，即通过压力表和人工计时手动开启/关闭加压泵，而自动升压和稳压系统时间的长短则根据具体试验要求通过程序设定进行。

电信号线和液压管线穿舱可采用水密接插件实现，目前高压舱制造中穿舱件部分国产（沈阳自动化研究所研制了压力等级达到10M P a的接插件），对于压力特别大如：90M P a的穿舱件需国外进口。

排水系统没有特殊的设计要求，通常由上部加压泵注水，试验完成后由下部分阶段排水。

高压舱中的在线监控摄像头是每个高压舱中必备的，实现起来没有任何技术难度。

海工需要的自动焊接机械手目前没有科研所制造过，不过作为一个高压舱的附件，外部控制程序编好后，内部的安装设计原理应该和在线监控摄像头是一样的。

目前国内高压舱还没有舱内温度、盐度控制装置，部分国外研究所和企业的高压舱有温度控制装置，如日本J A M S T E C，巴西C E N P S公司等。

上海交通大学和中船重工研究所只做过一些调研工作，温度可采用内部加热层电加热方式，外部采用保温等形式。

舱口开启方式采用吊装的形式实现。

对于舱口快速开启的功能，立式可采用液压翻起方式，卧式可采用轨道滑行方式，实现快速开启相对较困难，需要设计上严密计算，并根据具体试验确定相应的试验步骤。

中船重工研究所高压舱采用立式半安装于地下形式，测试车间没有其他特殊的安全保障措施，其技术负责人介绍，只要设计和制造阶段严格把关，保证压力舱质量，试验过程较安全。

在进行压力破坏性试验时，如果试件体积较大，在高压失稳瞬间冲击较大，可采用在试件内充水排出部分空气的方法减小冲击。

然而，对于海工的安全要求而言，课题组认为必须要考虑高压舱测试车间的安全布置，譬如：舱体深埋地下，试验区与监控区之间设置保护墙等。

1.主要功能水下阀门静水压力外壳测试；水下阀门带压操作测试；水下控制模块静水压力测试；水下控制模块带压功能试验；水下机械手带压操作测试；其它常规小尺寸部件水下外压试验。

2.保压时间（1）阀门静水压力测试节流阀门驱动器静水压力外壳测试为了验证每一个节流阀门驱动器油缸和活塞的结构性能，需要进行节流阀门驱动器静水压力外壳测试，具体步骤为：1）将节流阀门驱动器油缸放入压力筒内，加压至其额定工作压力的 1.5倍，保压15分钟，记录试验结果，任何可见的泄漏是不被接受的；2）卸压至0p s i ；3）重复上述试验至少三次，若产品有额外的性能验证要求，则至少重复上述试验200次； 4）卸压至0p s i ，试验结束。

表1 节流阀驱动器静水压力外壳本体静水压力测试记录表（2）水下控制模块S C M 带压测试 S C M 带罩测试节流阀们驱动器外壳静水压力试验压力压力维持时间签名/日期 备注（p s i ）（m i n ）测试 工程师客户 质量检测测试报告1 152 153 15M A N I F O LS D A测试S C M的整体性能。