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摘要：结合深潜设备在海里上浮下潜的工作环境需要，介绍了深海自平衡结构的研究过程，重点解决了自平衡、密封、防腐问题，并进行了环境模拟试验，结论是满足6000米水深的使用需求。
关键词：自平衡 深海 密封 橡胶
随着国家海洋强国战略的提出和海洋技术的迅速发展，海洋的勘探及开发工作也逐渐从浅海走向深海，因此压力自平衡结构就成为水下液压系统、各种电子元器件及电源提供可靠安装空间的重要限制因素，所以对此结构的研究就变得日益迫切和至关重要。本文是以国家科技委关于深海领域的课题计划而进行的研制项目为例，介绍了该项目的结构组成部分，研究了壳体部分的自平衡、密封、防腐及材料的选用等关键核心技术问题。
1 主要指标
a）满足6000米水深（包括上浮下潜）压力要求；
b）保证壳体满足压力要求的前提下，使其壳体内部的电源承受60MPa的压力；
c）使用过程中不爆破、不泄露。
2 自平衡原理研究
目前，深海自平衡结构主要采用补偿型，是利用补偿装置进行压力补偿，其优点是有效载荷大，壳体厚度仅是常压结构壁厚的十分之一左右，但需要内部的器件承压。由于本课题要求壳体内部的电源承压，所以该补偿装置是由柔性皮囊和液压油组成。
当壳体进行下潜时，柔性皮囊受到外界海水压力后，率先于金属壳体向内凹陷，对于绝缘油形成挤压，绝缘油体积被压缩，因而产生内压。由于绝缘油的压缩模量较大，较小的压缩量就能迅速使绝缘油产生与外界压力相等的内压，因而壳体两侧压力就瞬时达到动态平衡，避免了壳体形变和破坏。当壳体继续往下潜时，皮囊则继续向内凹陷，直至内外压力达到一个新的动态平衡为止。当壳体上浮时，外压减小，内压逐步释放，使皮囊向外复位。当壳体上浮至水面后，皮囊又恢复到常压状态。
也就是说，当壳体进行下潜时，随着海水深度增加，压力也随之变大，通过柔性皮囊的弹性变形及内部可压缩油液来实现壳体内外的压力相等，进而使壳体自动适应外部海水的压力变化，确保内部电源始终承受相应压力。
3总体结构设计
壳体结构主要由壳体、柔性皮囊、O型圈、电连接器、注油堵、端盖、固定架及201#甲基硅油等组成。
3.1 结构设计
3.1.1壳体设计
3.1.1.1 壳体材料选择
由于深海环境恶劣，海水腐蚀性很强，因此壳体材料选用必须具有优良抗腐蚀性能，常用材料有316L不锈钢和TC4钛合金。由于TC4钛合金具有轻质高强的特点，表面易产生坚固的钝态氧化膜，无磁性，具有较好的机械性能，故首选钛合金作为深海自平衡结构材料。
3.1.1.2 壳体结构设计
基于圆柱体径向耐压性高、轴向水下迎流阻力小、易于加工制作等优点，同时壳体的内外压力平衡，因此将壳体设计为薄壁圆柱形。
根据内部部件的安装空间需求，本设计中自平衡壳体的内部尺寸分别为：150mm(长)×200（直径）。
皮囊法兰同样采用TC4钛合金材料，考虑到壳体放置、便于注油、电连接器的连接及加工性，壳体底部法兰与壳体设计成一体，注油口与电连接器安装口设计在壳体的侧面，并在同一轴线上。
由于壳体具有自平衡的能力，基本不承受外压，因此，壳体只需满足加工、装配等的要求即可。
3.1.2 密封结构设计
水密是所有水下设备需要解决的关键问题之一，可靠的水密性能是水下设备安全的保障。O形密封圈是密封中最广泛采用的密封件，具有体积小、成本低、结构简单、装卸方便、寿命长、密封性好等优点。
由于该壳体上的密封结构属于静密封，并且内、外压力平衡，所以采用端面轴向密封。在皮囊法兰上加工出一矩形凹槽，凹槽深度比O形圈截面直径小，凹槽宽度比O形圈直径要大，具体尺寸按照公式计算。而与此安装位置相同的壳体则加工为一平面，然后把O形圈放到凹槽处，再把上盖安装。装入后密封圈在预压力的作用下产生弹性变形，对接触面产生一定的初始接触压力，即使没有介质压力，O形密封圈靠自身的弹性力作用也可实现密封，起到主体的密封作用。
3.1.2.1 密封圈的材料
根据产品使用工况，密封圈用橡胶材料必须承受在高压高湿环境下，满足耐海水、耐油、低透气性、耐老化及耐磨等特性，起到长期密封承压能力，综合其性能考虑，选用氢化丁腈橡胶，其邵氏硬度为70。
3.1.2.2密封圈的设计及外观尺寸的确定
根据GB/T3452.1-2005标准，皮囊上密封圈按照选用218×5.3G GB3452.1密封圈尺寸设计，其内径公差为±1.2，截面直径公差为±0.13。对于密封圈的外观要求按照GB/T3452.2-2005标准执行。
3.1.2.3密封圈沟槽的设计及尺寸确定
根据GB/T3452.3-2005标准，选用轴向密封沟槽尺寸，沟槽宽度为7.3，沟槽深度为4.24，沟槽底圆角半径为0.5，沟槽棱圆角半径为0.2，其各尺寸公差同样按照GB/T3452.3-2005标准选取。
3.1.3 液压油的选取
根据实际使用工况，要求液压油具有良好的氧化稳定性和绝缘性，因此本压力平衡结构中采用201#甲基硅油作为压缩介质，来实现结构的压力平衡。201#甲基硅油具有以下几项优点：
a)良好的氧化稳定性；
b)良好的润滑性；
c)无腐蚀性、对密封件等无溶解及其他有害影响；
d)具有消泡性；
e)不导电性和抗燃性等。
3.1.4柔性皮囊设计
根据产品的使用工况，要求耐海水、耐油、耐老化等，综合其性能考虑，选用与O型密封圈同样的材料，氢化丁腈橡胶，邵氏硬度为70。
3.1.4.1 柔性皮囊规格
由工作原理可以看出，起关键性作用的是能发生弹性变形的柔性皮囊。该皮囊规格大小的确定是此压力平衡结构中最为重要的问题，皮囊设计的太大将直接导致整个壳体体积过大，造成资源的浪费；皮囊太小，则其本身的容积变化量将达不到需要补偿的体积要求，进而会造成壳体因超过其弹性变形极限而造成壳体的损坏。由于实现压力平衡需要补偿的油液体积与壳体所处的环境温度降低量、所受压力增量、海水压力、腔体材料弹性模量及材料泊松比相关，因此，对液压油的体积变化和密封壳体的体积变化进行分析和计算，进而求出所需要的补偿油液体积。
由于海水温度一般随深度的增加而降低，在深度1000m处的水温约为4℃～5℃，2000m处的水温约为2℃～3℃，深于3000m处为1℃～2℃，3000m下的深层海水经常保持低温状态，在此将大于3000m 处水温默认为0℃。一般认为标准大气压下，温度为25℃，压力为0.1MPa,由此得出：壳体所需要的最小补偿体积为3.84×105mm3。为了保证安全，在进行壳体设计时，皮囊的内部容积必须大于补偿体积。根据结构体积为1.57×106mm3，远大于补偿体积，所以满足要求。
3.2壳体试验
为模拟压强相当于6000米压力环境下能够正常工作和密封完好的壳体，我们进行了试验验证工作，见图1。
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图1 壳体在压力罐60MPa下试验图
3.3结论
通过对壳体进行高压下试验，壳体外观良好，并且无泄漏，满足规定的技术指标要求，产品合格。
4 总结
通过对深海自平衡结构的研究，解决了自平衡、密封、防腐等问题，并通过对使用环境的模拟进行
了相关压力试验，验证了该结构能够满足6000米水深的使用需求，使其不再是深海探测的重要限制因
素，为后续万米以上的深海研究奠定良好的技术基础。
参考文献：
【1】钢制压力容器。
【2】O型密封圈应注意的问题。
【3】深海耐压仪器舱的设计。