深海热液采样阀PEEK阀芯疲劳寿命研究

    热液喷口大多分布在海洋中活动板块边界及板块内火山活跃的地区.自1979年首次发现热液以来,针对热液活动的科学调查研究已经成为海洋学、地质学、地球化学、矿床学和海洋生物学等多学科共同面临的使命[1-2].热液具有高温、高压、腐蚀性的特点,对取样设备的设计和使用提出了严峻的挑战[3].热液采样器是采集并储存深海热液样品的机电装置,为了做到不污染热液样品且保持样品的原位压力,其核心部件采样阀的设计极为重要.实验室设计的热液采样阀[4-5],阀体、阀套选用TC4;阀芯选用聚醚醚酮树脂(polyetheretherketone, PEEK)[6],该材料是一种性能优越的工程塑料,正常使用温度为260℃,短期使用温度可达300℃以上,并具有高强度和良好的抗冲击特性、耐腐蚀性,可以满足设计使用要求.采样阀采用TC4-PEEK配合实现压力的密封,最高工作压力要求达到70 MPa.在如此高的压力下,PEEK阀芯多次使用之后容易出现疲劳失效,造成采样阀不能正常工作,热液采样器取样失败.因此,在每次下海使用前,都需要拆出PEEK阀芯,以确认其好.这样做存在2个问题:1)采样阀结构复杂,拆装过程比较繁琐,且需要按照一定的顺序进行,在船上实际操作时容易出错;2)拆出来的阀芯只能从外观上判断是否断裂,而无法知道表面完好的阀芯的内部是否完好、还能使用几次等.

    本文通过理论分析和试验模拟,对PEEK阀芯在峰值为70 MPa的脉动工作压力下的疲劳寿命进行研究,获得包括疲劳寿命在内的相关数据,进而得到采样阀在工作条件下的疲劳寿命,在此基础上大大提高热液采样器在有限下潜机会中获得热液样品的成功率,为阀芯的设计改进提供建议.

    1　采样阀结构及工作方式

    采样阀的结构如图1所示,PEEK阀芯倒角面与阀套1相配合实现对内外压力的密封.采样阀有2种工作方式:1)采样时,端口1作为热液样品流入口,端口2作为流出口连接样品腔;2)采样器上船后,当样品被无降压(p0为大气压)取出时,端口2作为被采集样品的流入口,端口1作为流出口连接其他后处理设备.在其余时间,采样阀处于如图1所示的关闭状态.当采样阀工作在方式1时,PEEK阀芯始终是压力平衡,应力状态良好;当采样阀工作在方式2时,与阀套1相配合的阀芯部分在样品70MPa峰值压力下,图1中最薄弱的位置———沟槽1倒圆附近处于最大拉应力状态,很容易发生失效[5].本文针对危险部位———沟槽1对PEEK阀芯进行疲劳寿命研究.

    2　阀芯疲劳寿命的理论估算

    采用疲劳分析的理论估算方法可以有效降低疲劳分析对大量试验(特别是有关结构形状、尺寸、载荷的统计试验)的依赖性,减少分析处理方法中的经验性成分.