大型深海超高压模拟试验装置的研制及应用

深海超高压模拟试验装置是海洋装备与关键技术材料进行压力测试的必要实验系统。传统一体式筒体结构的深海超高压模拟试验装置已经无法满足“全海深”背景下大容积和大压力的测试需求。基于预应力钢丝缠绕技术,研制了一套大型深海超高压模拟试验装置,该套装置筒体内径2.8m,筒深4.0m,最高工作压力180MPa,能够实现筒内环境数据采集及压力比例自动控制。运用该装置圆满完成了我国全海深载人潜水器“奋斗者”号固体浮力材料和载人球壳的压力试验,为2020年11月10日“奋斗者”号在马里亚纳海沟成功下潜10909m奠定了非常重要基础。相对于传统深海超高压模拟试验装置,该装置具有更高的承压性能和安全性能,突破了预应力钢丝缠绕框架式主机结构设计及研制、比例加卸压控制技术、大孔径密封结构设计及在线超高压检测系统设计等关键技术研究,为我国研制大容积、大压力的深海环境模拟技术与装备提供重要参考。

基于SimulationX的挖掘机高压斗杆缸缓冲装置的仿真与试验研究

为研究高压油缸的行程末端缓冲装置的缓冲性能,获得油缸缓冲行程阶段的压力、流量等参数,以一款国产挖掘机高压斗杆缸作为研究对象,将计算机仿真技术应用到实际工程研究中。基于SimulationX仿真软件搭建了挖掘机工作装置液压系统的仿真模型(特别是缓冲模型),开展了液压-机械多体动力学联合仿真;在典型工况下对液压挖掘机斗杆缸的压力、流量等参数进行了试验,通过比对仿真结果,对控掘机液压系统仿真的准确性进行了评价。结果表明,所建立的仿真模型是合理的、科学的,该仿真技术在工程领域更进一步的推广是可行的。

深海高压环境下O形密封圈的密封性能研究

针对深海高压环境下的O形密封圈,建立了有限元模型,仿真分析了O形密封圈在不同硬度、不同工况下的密封性能,探讨了O形密封圈的材料硬度、径向压缩率和外界压力对密封接触压力的影响。研究表明,在径向压缩率为17%~26%的范围内,O形密封圈的材料硬度与截面压缩率相比,材料硬度的增加对初始接触压力的提高的影响更加显著;在静水压力的作用下,O形密封圈具有良好的自紧性能,并且接触压力始终大于外界静水压,其密封安全裕度的大小约为初始接触压力;经分析计算,邵氏硬度90 HA的聚氨酯O形密封圈,在22%的初始安装压缩率的条件下,密封安全裕度约为10 MPa,能满足6 km深海高压密封的要求。为进一步验证有限元分析的正确性,进行了O形密封圈的深海试验,试验结果表明密封可靠,与仿真结果相一致。

封隔器高温高压性能测试装置的研制

为了验证井下封隔器的性能,设计了封隔器高温高压性能测试装置。该装置利用试验台的旋转式门架,能为各个井筒内的封隔器提供上提和下压动作,而加压系统和加热系统可以有效模拟井下的高温高压环境,通过切换回路为各个井筒提供最大100 MPa的压力和最高200℃的温度,压力和温度控制精度分别为±0.5 MPa和±1℃。其测控系统采用上位机和下位机二级主从式控制方案,并且包含手动、半自动和自动3种工作模式。压力试验及密封性能等试验结果表明,该测试装置满足使用要求。

高压大直径深水模拟试验舱自适应密封设计与分析

为解决海洋深水高压模拟试验舱在大直径(2 500 mm)、高压(40 MPa)下的密封问题,基于双筒式结构受内压后内外层变形协调机理,设计了一种新型自适应膨胀式密封装置。根据推导的自适应膨胀式密封的径向补偿间隙理论计算公式,确定了既定密封圈厚度、高压舱舱体与膨胀圈的主体尺寸以及初始径向间隙值,在此基础上开展了高压大直径深水模拟试验舱自封式密封效果数值模拟与密封性能试验检测,结果表明所设计的自适应膨胀式密封装置能满足额定工作压力下高压舱的径向密封与端面密封要求,采用自适应膨胀密封设计的高压大直径深水模拟试验舱能够满足最高52.5 MPa试验压力下的密封要求。

深水高压模拟试验舱的研制与应用

为了模拟钻采装备的深水高压工作环境,并对水下装备的承压性能、密封性能、动作(功能)性能、安全性和可靠性等进行系统性试验与研究,研制了深水高压模拟试验舱。该试验舱采用集成法兰,将水压、液压、电源、信息、监控和测试等集于一体,便于统一管理,集成控制,同时减少高压舱的开口数量,提高可靠性和操作性;可对水下装备同时进行内、外水压试验和功能(动作)试验,可同时进行监控、测试和数据采集等。通过不同产品的深水高压模拟试验,证明了高压舱可模拟0~3 500 m水深的压力环境,能够满足深水环境下石油钻采装备的试验与检测。研制的深水高压模拟试验舱是一种安全可靠的多功能、综合性试验平台,可为水下装备的试验研究提供支持与评价。

深水环境试验技术综述

系统总结了深水环境模拟试验装备的发展历程以及国内外发展状况,介绍了深水环境模拟的2个关键技术——压力和温度环境模拟技术、测试技术与结构状态评估方法。对深水环境模拟试验技术的工程应用进行了归纳和总结,对深水环境模拟试验技术的改进方向和发展趋势进行了展望。

石油井下工具高温高压直井模拟试验装置研制

井下作业工具作为一种可靠性要求极高的入井工具,在设计、制造过程中必须对其进行地面模拟井下工况的性能试验。采用感应加热技术革新常规导热油加热模式,研制一种模拟地层温度压力环境工况的直井井下工具模拟试验装置,实现不同规格油套管和工具的加热、加载、加压、扭转、钻进、循环等井下工作工具试验测试功能。直井模拟试验装置可实现最大1000 kN、120 MPa、15 kN·m的井下工具联合拉压扭模拟钻进试验,试验效果良好,120℃、70 MPa常规试验周期缩短近1/2,温度控制精度为0.3℃,具有加热速度快、试验效率高、安全环保的优点。试验装置投入运行后,整体运行稳定可靠,各项技术指标良好。

国内外深海环境模拟装置的现状与发展趋势研究

深海大洋开发是现代海洋开发和海洋技术发展的前沿和制高点,集中体现了国家的综合实力,也是目前世界大力发展的一个方向。深海环境模拟装置主要是指模拟深海压力环境的压力筒和模拟深海环境的生物培养装置。文章综合了国内外深海环境模拟装置的最新成果,研究了国内外深海环境模拟装置的现状和发展趋势,对了解和认识我国与世界先进水平之间的差距,深入开展我国深海环境模拟装置的发展具有重要意义。

深海高压模拟舱的设计

深海高压模拟舱为深海装备检测而研制,最大工作直径1500 mm,可模拟3500 m深海高压环境,检验水下设备在高压下的强度和密封性能,用于质量检验和产品研发。高压模拟舱按照疲劳容器设计,采用"O型圈径向密封+分瓣式卡箍"结构,能够实现快速启闭。试验表明,文中研制的高压模拟舱密封可靠、操作性能良好,可为其它各类高压模拟舱的设计提供一定的设计依据。

深大沉井基础基底承载力现场试验研究

针对至今尚未解决的深层土体承载能力现场试验确定问题,依托沪通长江大桥主墩深大沉井基础的建设,利用自行研发的深厚土层高压防水自稳型荷载测试装置,开展现场载荷试验,获得了沉井底部土层荷载-沉降曲线。试验结果表明:沉井底部土层极限承载力大于6.5 MPa。在此基础上,借助现有理论分析得出相应地基土体的变形模量为12.69 MPa,地基系数为36.79 MN/m^3。与现行《铁路桥涵地基和基础设计规范》相比较,地基承载力现场实测值比以安全系数2推算得到的规范值大15.3%。该测试装置的研发和试验结果的获得,为深基础基底土体承载力的现场测试提供了可靠的测试方法和设备,对于深基础设计计算理论的完善、相关规范的修订和施工工艺的优化等具有重要意义。

深海超高压环境模拟容器裂纹评定

深海超高压环境模拟容器用于模拟水下压力环境,其容器壁上承受反复载荷,容易产生疲劳裂纹。疲劳裂纹扩展是影响其断裂的主要因素。本文旨在分析半椭圆裂纹在老化的深海超高压环境模拟容器中的扩展行为,评估容器的安全性,因此对材料20MnMoNb钢的裂纹扩展特性进行了试验研究,首先考虑三角形和梯形加载情况,通过比较两组实验结果,考察了其材料对保载时间的敏感性。采用基于统一的裂纹扩展率模型的三维有限元方法进行了疲劳裂纹扩展计算,并通过CT试样的一组数值和实验结果进行了验证,最后建立了不同初始尺寸、展弦比和倾角的裂纹有限元模型,并根据裂纹在容器内壁的容许深度准则,计算了容器的剩余寿命。其分析结果可为深海超高压环境模拟容器可靠性评估提供参考。

高精度深海压力模拟装置的分析

基于深海环境的特殊性,以及在现场进行观察和研究的难度较大,在实验室建立深海模拟系统进行研究工作显得尤为重要。针对现有的高精度深海压力模拟装置,分析了充压至5 MPa后压力缸几何尺寸的变化,根据相关计算公式推导出了在密闭容腔内液体体积改变量与压力变化量之间存在迭代关系,然后通过MATLAB计算软件绘出了大、小活塞进给量与压力变化量的关系曲线图,得出了进给量与压力变化量之间近似呈线性关系,分析出可以通过精度较高的位移传感器来测量压力并且可以获得比标准压力传感器更高的精度,进而得出对于微小的压力波动可以通过位移传感器来精确标定的结论。

模拟深海环境下高强钢焊缝阴极保护研究

目的研究海水中阴极极化电位下高强钢焊缝氢脆断裂的规律,确定合理的阴极保护电位区间。方法通过模拟深海压力环境,采用慢应变速率拉伸试验(SSRT)、电化学测量方法和腐蚀失重试验进行研究,结合电子显微镜对断口形貌进行观察。结果模拟深海4.50 MPa压力环境下,随着阴极保护电位负移,高强钢焊缝保护度逐渐提高,在极化电位为-0.77 V(vs Ag/Ag Cl/海水,下同)时,材料的保护度达到90%。在-0.71^-0.95 V的电位区间内,高强钢焊缝断裂的方式为韧性断裂;在-1.00 V电位下,高强钢焊缝断裂的方式为脆性断裂;在极化电位不超过-0.96 V时,材料的氢脆系数不超过25%。结论高强钢焊缝在深海环境下的合理保护电位区间为-0.77~0.96 V。

深水软管及脐带缆滚筒驱动装置样机设计及试验研究

深水软管及脐带缆滚筒驱动装置是一种应用于软管、脐带缆或其他柔性连续体水下铺设作业的海洋工程装备。通过分析软管或脐带缆铺设的主要作业过程及装备,明确了深水软管及脐带缆滚筒驱动装置的功能要求。设计了深水软管及脐带缆滚筒驱动装置的机械结构及液压驱动控制系统。利用负载模拟绞车和波浪模拟液压缸来分别模拟管缆的重力和铺管敷缆船的运动,搭建了陆地模拟试验系统。进行了初始铺设试验以及恒张力铺设试验,获得了系统的驱动力矩、铺设速度及铺设张力等数据,对样机设计结果及实际性能参数进行了验证。设计及试验结论可为进一步海试提供一定的参考。

深海超高压模拟装置液压加载控制设计与仿真

深海设备的可靠性需要模拟试验装置检验,随着海洋资源的深度开发,对模拟试验装置的可靠性提出了更高的要求,急需为模拟试验装置设计一套精确性与可靠性高的压力加载系统。对此设计了一套全海深背景下大容积、超高压模拟装置的液压加载控制系统,其最大试压能力可达180MPa;通过多系统建模软件AMEsim建立液压控制系统模型并与Simulink建立的控制器模型联合仿真,对设计的液压加载控制系统的可靠性与精度进行模拟。模拟了试验舱压力以2MPa/min速度上升的压力加载过程,采用迭代学习控制算法,控制精度在总体时间的1%秒以内便能达到设计要求,随着时间的增加,压力误差越来越小。验证了所设计的深海超高压模拟装置液压加载控制系统的可靠性与高精确性,为全海深压力试验提供支撑;同时AMEsim与Simulink联合仿真的方法对液压控制系统的设计优化提供了便捷与依据,具有重要的工程意义。

压裂完井工具高温高压性能模拟试验装置

针对常规试验装置不能满足压裂完井工具模拟试验要求的问题,研制了压裂完井工具高温高压性能模拟试验装置。该试验装置设计有可加热、可承高压的模拟井筒,可模拟井下工具的工作环境,对井下工具的性能进行有效检测;其地面加载装置可进行拉、压以及扭转等动作,满足井下工具坐封和解封等要求,可在2口井之间移动,操作台架可倾斜,操作台面可前、后、左、右4个方向调节,方便试验操作;试验井筒与加热系统采用油浴循环加热方式,加热效率高,能耗低。试验结果表明,装置的动作机构可提供500 kN的上提和下压力以及5kN·m的扭矩,满足拉、压、扭试验要求。该装置的研制成功可为真实而有效地评价井下工具的性能提供参考。

深海环境模拟实验装置压力控制系统设计

为了模拟深海高压环境,研制了一套深海环境模拟试验装置,在对深海环境模拟装置控制系统结构原理分析的基础上,提出了一种针对压力的闭环控制策略,采用以Atmega8L单片机为核心的主控电路、以ECN30206为核心的驱动电路、以Max7219为核心的显示电路,设计了稳压控制的定频调宽变速控制系统的硬件电路,并进行了相应的软件编制,实现了控制电路各模块的自由组合,以满足不同场合的需求,又可组成闭环控制系统,不但能够显著提高深海环境模拟装置的压力控制精度,同时还具有节能的效果。

深水表层钻井动态压井装置的研制与应用试验

深水表层钻井不仅面临着浅层流、浅层气等浅层地质灾害风险,而且还要解决地层薄弱带来的窄压力窗口钻井难题。采用动态压井钻井技术精确控制井底压力,是解决这些问题的技术发展方向。通过近5年的技术攻关,成功研制了深水表层钻井动态压井装置,包括快速混浆装置和井下压力温度测量装置,并已在我国南海第1口深水井LW6-1-1井的领眼井中进行成功应用试验。实钻结果表明:所研制的动态压井装备性能稳定,测量数据能够真实反映钻井工况,各项指标均达到或超过国外同类产品水平,实现了深水表层钻井关键技术的突破,对我国南海深水油气田的开发具有长远的意义。

深海压力环境模拟装置水压试验研究

深海压力环境模拟装置是模拟水下作业设备在实际作业时水下的压力环境的实验系统。文章介绍了60 MPa压力环境模拟装置水压试验系统及试验技术,对该装置进行了75 MPa压力下的应力应变测算,试验结果表明,筒体球封头内壁平均应力210.7 MPa,筒体典型中段内壁周向应力273.8 MPa,外壁210.7 MPa,应力水平低于筒体材料的许用应力,说明该装置加工制造质量合格,性能安全可靠。