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1、高压仓模拟器研究现状高压模拟仓国内外研究概况深海环境仿真系统和模拟器的研发涉及到很多方面的研究，包括动力系统、管道接头、材料腐蚀、高压密封、深海生物和物理环境等。国内外的学习者在这些方面已做了大量的深入研究。液压动力装置是深海作业设备的“心脏”，预测它在深海工作时的动态性能是至关重要的，而模拟深海环境实验又存在诸如成本高，周期长，难以实现低温模拟等缺点，因此曹学鹏1等人提出了一种新型的基于线性变参数的理论方法（LVP），对液压动力装置的动态性能进行建模仿真，得出了与实验测试一样的结果，对深海液压泵的设计和工作性能分析有较大的参考价值。中国海洋大学24对深海立管涡激振动和管内孤立波作用的动力特性
2、和动力响应进行了研究，提出了更加符合工程实际的适用于深水立管涡激振动响应预测的非线性时域分析模型，用数值方法计算分析了立管的动力特性，研究了海洋内波与表面波和顶部浮式结构共同作用时海洋立管的动力响应。天津大学58、浙江大学9对对海底管道的屈曲失效和压溃破坏作了研究，得出不同缺陷影响下管道屈曲规律和管道压溃载荷与管道径厚比、凹坑缺陷、初始椭圆度缺陷等的关系。哈尔滨工程1013大学对海底管道的铺设、连接、对准、维修等作业设备进行了设计研究，为对海底管道施工作业的工具系统的设计提供了理论依据。Yu等人14用有限元建模的方法分析了深海立管管道胶接接头处的强度，研究了在外部压力、内部压力、拉力、扭矩和弯
3、矩作用下，接口周围的奇异应力场，发现在深海环境中承受外部压力、内部压力和拉力的立管比承受弯矩和扭矩的立管更容易破坏。此外，上海交通大学15、中南大学1617等单位也展开深海立管和海底管道方面的研究工作。刘智勇、万红霞18等在实验室模拟条件下，采用失重法及电化学等方法并结合腐蚀形貌显微观察，研究了X65焊接接头在浅表海水和深海(1000m)环境中的短期腐蚀行为及其机理。发现X65钢焊接接头在浅表海水环境下的腐蚀速率大于深海环境下的腐蚀速率，浅表海水环境以点蚀为主，深海环境只在熔合线附近腐蚀相对较快，焊缝区腐蚀不明显；在模拟浅表海水和深海环境下，热影响区(HAZ)的腐蚀电位均低于焊缝和母材区，导致
4、焊缝区域存在电偶效应，加速了HAZ的腐蚀，形成较厚的腐蚀产物膜。中国海洋大学1920制备了银/氯化银固体参比电极并用该电机进行电化学实验，研究了Q235碳钢和316L不锈钢在15MPa 海水压力下的腐蚀行为；还模拟深海环境X70钢阴极保护过程及其氢脆敏感性研究。北京化工大学21自主搭建了焊接过程多信息同步采集系统，对高压环境下的脉冲MIG焊接电弧及熔滴过渡行为进行了深入研究，对外加纵向磁场作用下的TIG及MIG焊接过程进行了理论及实验分析，论证了外加纵向磁场对于改善高压环境焊接过程的可行性。中船重工与哈尔滨工程大学22采用自行设计的深海环境模拟装置模拟2021m(20MPa)和3000m(30
5、MPa)水深，进行了深海环境下环氧树脂吸水机理研究。意大利海洋科学学院国家研究委员会的Pierluigi Traverso和Elisa Canepa23总结了关于金属和合金在深海中腐蚀的研究，得出了海水中氧气浓度、海水的低温以及微生物群落是金属和合金的腐蚀主要影响因素，阴极保护和环氧树脂涂层能有效减缓腐蚀。中北大学24对动密封系统进行了有限元分析，为动密封结构的设计、优化、寿命预测、可靠性分析提供了理论支持。为动密封结构及新型密封材料的产品研发，提供了重要的参考价值。浙江大学的周博等人25推导出密封圈了轴向压缩率的计算公式，应用试验台架对氟橡胶、硅橡胶、丁腈橡胶三种密封材料进行了轴向压缩试验，
6、得出密封材料在高压环境下存在自身压缩性，在设计高压环境下的密封结构时应在常规设计的预压缩率基础上增大材料自身的压缩率。浙江大学2628设计了深海极端环境模拟装置及其监测和控制系统，并对模拟装置的策略进行了研究，该系统能够实现深海极端环境参量高精度模拟，可以为深海极端环境科学研究提供很好的平台。中国舰船研究院29围绕深海耐压圆柱壳结构型式与稳定性开展研究，在保证耐压结构安全可靠的前提下,进行耐压结构参数优化设计，对于减轻耐压圆柱壳结构自重,提高耐压壳结构设计质量和设计合理性具有重要意义。哈尔滨锅炉厂有限责任公司30对深海高压试验罐制造技术进行了研究，为类似产品的制造积累了宝贵的经验。中国船舶科学
7、研究中心31、华中科技大学32、西南交通大学33等单位也对深海载人潜水器、水下作业机械手、深海环境模拟器等深海设备进行了研究。海底采矿作业集中体现了人类与深海环境的交流，要保证作业过程的质量和安全必须要对深海环境十分的了解，中南大学3438对深海采矿做了大量的基础研究，对采矿系统、采矿作业车、采矿钻头等进行了设计、仿真和动力学分析，为深海环境虚拟现实仿真系统的的研发提供的宝贵的经验和参考。基于以上的理论研究，国内外很多单位已经开发出了各种用于深海实验的高压舱和模拟舱产品。1)国外(结构尺寸及性能参数见表2)?美国西南研究院(SwRI?)39，如图1美国西南研究院(SwRI?)在模拟深海压力环境
8、方面提供多种多样的服务，可进行静压、循环和破坏测试。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。图1 SwRI?的高压测试舱?美国MBARI40，如图2美国MBARI的研究人员开发的深海海底原位检测站(Environmental Sample Processor, ESP)用于搜集深海海水样品并检测海水中不同物种的遗传物质，因为深海的压力非常大，他们设计了一个耐高压舱用于保护精密仪器。?日本JAMSTEC41，如图3日本JAMSTEC的深水模拟高压舱最高工作压力为147MPa(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
9、、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。图2 深海海底原位检测站图3 JAMSTEC深水模拟高压舱?加拿大SHAWCOR公司42，如图4加拿大SHAWCOR公司的模拟维修舱（Simulated Service Vessel, SSV）可模拟深海维修绝缘管、软管和海底设施表面特有涂层的环境。图4 SHAWCOR模拟舱?巴西CENPS中心41，如图5巴西CENPS中心的高压舱，是一个巨大的圆柱型容器，用于模拟设备所处的海底环境。高压舱壁厚11-17cm，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，
10、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，能够看见测试中的每一个细节。图5 高压舱内部结构?挪威OsloFMC采油树制造工厂41，如图6挪威OsloFMC采油树制造工厂的深水模拟高压舱是专用于水下采油树SCM 模块的外压测试试验平台，测试内容包括：SCM模块静水环境下压力、密封测试；SCM模块静水环境下压力循环测试；SCM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
11、筒体、SCM控制用加压油泵及管路系统、筒体上测试SCM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。图6 SCM外压测试用高压舱?特隆赫姆西门子压力测试实验室，如图7位于挪威特隆赫姆的西门子压力测试实验室研发了一个高压舱，用于在3000m的深海检测电网组件（如开关）等的性能，可以在测试元件过程中浸油、加热或冷却。图7 西门子高压舱?英国KW DESIGNED SOLUTIONS公司43，如图8英国KW DESIGNED SOLUTIONS LTD可提供一系列用于室内模拟测试的高压舱，其最高压力可达20MPa。图8 KW DESIGNED SOLUTIONS公司销售的高压试验
12、舱2)国内(结构尺寸及性能参数见表2)?上海海事大学44，如图9上海海事大学自主设计、委托德国加工制造了深海极端环境模拟器设备可模拟10000米深海高温（90450oC）高压（35100MPa）极端环境，研究在深海高温高压和微生物条件下的材料腐蚀及失效过程，并自动记录和实时观测。?上海交通大学41，如图10上海交通大学设计建造了2021米深海环境模拟装置和4000米深水高压环境试验筒，主要用于水下结构强度和稳定性试验设备。图9上海海事大学设计的模拟器a) 2021米b) 4000米图10 上海交大的模拟装置?天津大学深海压力舱45，如图11天津大学自主研制了深水石油专用构件的全尺寸试验装置深海
13、压力舱。该装置总长11.5m，直径1.6m，承压能力43MPa(相当于4300m水深压力)，内部充水，可容纳11等比例管道模型进行试验，能对管道试件施加轴向力等多种载荷，内部安装深海摄像机，可进行试验全程视频监控与记录。图11 天津大学深海压力舱?中船重工研究所41，如图12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7MPa到90MPa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，20MPa高压舱及一个压力90MPa，直径3m，高4.5m （耗资5000万）的高压舱
14、；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30MPa，直径1.5m和15MPa，直径1.8m。a) 40MPa压力舱b) 90MPa压力舱图12中船重工的高压舱?中国石油集团工程技术研究院46，如图13中国石油集团工程技术研究院研制了一套采用了卧式锻造结构的深水高压舱，采用自动加载技术，最大能够模拟3000m水深的压力环境，配有各种应力应变测试系统、水下照明和摄像系统，可以进行深海探测仪器、取样设备以及作业装置等海工结构物在高压条件下的水密性检验、承压强度检验、疲劳实验等。图13 中石油研制的深水高压舱?济南赛思特47，如图14济南赛思特开发了一种深海水压试验机能模拟深海
15、10000m的压力环境，广泛应用于深海畸变试验的管道和容器底部数据保护，潜水器深海试验，船用高压疲劳试验数据采集设备等。图14 济南赛思特开发的深海水压试验机武汉海王机电工程技术公司48，如图15武汉海王机电工程技术公司销售的深海环境模拟测试装置能精确模拟深海压力变化情况，压力控制精度高；开盖简便、安全、可靠，具有齿啮式、快开式两种开盖方式；压力控制曲线可自行设定；可配备阶梯式或交变式压力控制系统；模块化设计、使用维护方便；视频监控与压力曲线同步显示。图15 深海环境模拟测试装置表2 部分单位/个人做的相关仿真内容表2 国内外部分高压舱的参数武汉海王机电工程技术公司参考文献1CAO Xue-peng, YE Min, DENG Bin, ZHANG Cui-hong and YU Zu-ying. LVP Modelingand Dynamic Characteristics Prediction of A Hydraulic Power Unit in Deep-SeaJ. China Ocean Engineering, 2021, 27(1):17-32.2王媛. 海洋立管涡激振动抑振装置的CFX数值模拟研究D. 青岛:中国海洋大学,2
