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海底蘊藏著極其豐富的石油天然氣資源，并且陸地和淺海地區的油氣資源正在逐漸減少，甚至枯竭，然而對于能源的需求量卻在不斷上升，油氣資源的開發重點也轉向深海。國內3大石油公司均開始了海洋深水油氣勘探開發裝備的研究工作，計劃研制具有我國自主知識產權的海洋石油裝備。海洋石油水下裝備具有高投入、高技術和高風險等特點，長期以來被國外發達國家所壟斷，這嚴重制約了我國海洋油氣的勘探開發。高壓模擬試驗艙能為海洋石油裝備提供高壓條件下的水密性檢驗、承壓強度檢驗和疲勞檢測，為海洋水下生產裝備關鍵零部件的深水測試提供硬件條件。目前，中國石油集團海洋工程重點實驗室研制并裝備了能夠模擬1500和3000m水深的深水高壓艙各1套，用于海洋石油開發設備的結構承壓檢測，保障海洋石油開發的安全。但是，當前的深海勘探裝備作業水深一般為6000m，高壓艙在工作時要密封高達60MPa的海水壓力。為此，設計了一種承壓60MPa的高壓艙，并對其進行有限元分析和焊接結構分析，以期為深海高壓艙的設計提供參考。
依據JB4732《鋼制壓力容器—分析設計標準》對高壓艙進行方案設計，包括封頭、圓筒體、艙體接頭、端蓋、擋環塊結構以及開孔補強、密封和焊接結構設計。圖為高壓艙結構示意圖。方案設計中，采用16塊擋環塊嵌入艙體接頭凹槽將端蓋壓緊，采用高壓密封。設計高壓艙內壓p=60MPa，內徑D=3500mm。由16塊相同擋環塊組成的擋圈內徑D=3300mm，外徑Dz=4100mm。為保證能夠有效安裝，每塊擋環塊圓心角a應小于22.5°。在安裝時，最后一塊擋環塊的外徑弧長應小于或等于已安裝的巧塊組合成的內徑圓弧缺口長度，列成不等式為：帶入數值可求解a=22.160，為進一步保證可靠安裝，取a=22.100。高壓艙可模擬深海高壓環境對試件進行測試，深海溫度比地面溫度變化小，故設計溫度為200℃鋼材的許用應力值取常溫下標準抗拉強度，下限值的1/2.6與常溫下屈服強度S的1/1.5中較小值。焊接采用100%無損探傷，取焊縫系數1.00。
設計封頭為標準橢圓封頭，艙體為圓筒體，選用材料均為低合金鋼35CrMo，許用應力377MPa。圓筒體壁厚計算式為：K為橢圓形狀系數，標準橢圓封頭K=1。由計算得303mm，由計算得291mm。厚度附加量C包括2部分，厚度負偏差C，和腐蝕裕量Cz，根據高壓艙工況取C=C+Cz=4mm。取封頭厚度和圓筒體厚度均為307mm。端蓋與擋環塊的材料選用37SiMnCrNiMoV，許用應力739MPa。依據彈性力學圓板軸對稱問題進行分析，在端蓋內取一微元進行分析，受力為：向正應力、徑向正應力、周向正應力和切應力，并且最大撓度出現在圓板中心，彎矩最大絕對值則出現在邊界上。在圓板中心處建立方程可求出3個主應力，并根據第三強度理論進行強度校核，最終求解得端蓋厚度h=511mm。同樣的方法可計算擋環塊厚度h=323mm。基于VB程序語言對ANSYS有限元分析軟件進行二次開發，依據高壓艙的結構特點編寫了高壓艙分析軟件。利用該軟件可以通過簡單的參數設計界面對高壓艙的各個結構進行參數化建模和有限元分析。
利用高壓艙分析軟件輸入設計參數，便可調用ANSYS進行后臺批量處理，并生成應力云圖作為分析設計依據。采用第三強度理論作為強度評判依據，在ANSYS軟件中選擇stress intensity應力分析對封頭、圓筒體、端蓋、擋環塊、端蓋、艙體接頭、開孔及焊接結構進行有限元分析和優化設計。首先對圓筒體強度進行分析。將第1節計算的壁厚等參數作為基礎，輸入參數如下：施加內壓60MPa，內徑3500mm，高度3500mm，厚度307mm，彈性模量206GPa，泊松比0.3，密度7850kg/m3。計算結果顯示，圓筒體內壁的最大應力值為434MPa，超過了35CrMo。鋼的許用應力377MPa；對壁厚進行修正，在壁厚為370mm時，圓筒體內壁最大應力值為376MPa。
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