近10年國產(chǎn)海洋裝備制造業(yè)愈加繁榮，各類涉海儀器種類繁多。為了保障海試和現(xiàn)場應(yīng)用的有序開展，降低海上故障出現(xiàn)的風(fēng)險，水壓試驗被作為此類裝備的必備測試項目。目前，國內(nèi)涉及水壓試驗的標(biāo)準(zhǔn)互相重疊，側(cè)重范圍也不盡相同?；趲椭脩艉蜏y試單位更好的選用試驗標(biāo)準(zhǔn)的緣由，我提出了一些個人想法，歡迎大家共同討論、完善。
引言
水壓試驗是海洋儀器在研發(fā)過程中常用的一種環(huán)境適應(yīng)性測試手段。它是以水為介質(zhì)對儀器施加規(guī)定的壓力，在實驗室內(nèi)模擬水下受壓情況，激發(fā)儀器的潛在故障，發(fā)現(xiàn)設(shè)計、制造過程中的不合格材料、元器件，以及不適宜的工藝缺陷等早期故障，從而提高儀器對深水耐壓環(huán)境的適應(yīng)性，降低外場應(yīng)用失敗的風(fēng)險。
近年來，隨著我國海洋事業(yè)的迅速發(fā)展，各類水下儀器呈現(xiàn)出井噴式的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。用戶也越來越重視水壓試驗的作用，并將其作為儀器驗收的一個必要環(huán)節(jié)。為此，各生產(chǎn)廠商分別依據(jù)（GB/T 32065.15-2019《海洋儀器環(huán)境試驗方法 第15部分：水壓試驗》、GB/T 2423.38-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 試驗R：水試驗方法和導(dǎo)則》、GB/T 9359-2016《水文儀器基本環(huán)境試驗條件及方法》、GJB 23.2-1984《聲納換能器靜水壓力試驗》）4類通用試驗標(biāo)準(zhǔn)開展了各式各樣的測試。但就水壓試驗的適用范圍、試驗壓力和過程控制要求等問題，各標(biāo)準(zhǔn)的論述都不一致，而用戶對水壓試驗有關(guān)問題的認(rèn)識也不一致。為此，有必要對我國4類通用水壓試驗標(biāo)準(zhǔn)做一比較，以幫助用戶正確理解和使用各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
水壓試驗的發(fā)展情況
1、標(biāo)準(zhǔn)演變過程
水壓試驗起源于熱力鍋爐的出廠內(nèi)壓測試和石化高壓反應(yīng)釜的出廠密閉性測試。此類測試以水為介質(zhì)，可以提供高達(dá)上百兆帕的均勻壓力，能夠模擬深海壓力情況，在上世紀(jì)80年代此方法被逐步引入水下航行器的結(jié)構(gòu)測試領(lǐng)域。早期環(huán)境適應(yīng)性試驗中涉及水壓試驗的標(biāo)準(zhǔn)主要是GB/T 32065.15、GB/T 2423.38、GB/T 9359和GJB 23.2這四類，其起源均可追溯至上世紀(jì)80年代。此后，由于各標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用發(fā)展情況不同，分別經(jīng)歷了多次內(nèi)容修訂和更改，這4個標(biāo)準(zhǔn)的具體發(fā)展歷程如圖1所示。
圖1 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程圖
通過對比可知，GJB 23.2自實施起未再進(jìn)行后續(xù)修訂一直沿用至今，GB/T 2423.38一直與IEC 60068-2-18保持同步采標(biāo)狀態(tài)，GB/T 9359和GB/T 32065.15根據(jù)我國水文儀器和海洋儀器的發(fā)展情況一直保持著修訂和完善狀態(tài)。
2、各標(biāo)準(zhǔn)適用范圍
由于我國自研水下儀器種類繁多，但批量較小，造成早期海洋儀器研發(fā)沒有集中的牽頭行業(yè)。長久以來，國內(nèi)各涉海高校、研究所、中船重工相關(guān)公司、水利部下屬企業(yè)等均有開展此類業(yè)務(wù)。這就造成測試引用的4類水壓標(biāo)準(zhǔn)適用范圍不盡一致，具體內(nèi)容見表1。
表1 水壓試驗標(biāo)準(zhǔn)適用范圍對比表
從表1可看出，目前國內(nèi)主要水壓試驗標(biāo)準(zhǔn)的目的基本類似。試驗大多是檢驗儀器主耐壓殼體、承壓元器件能否支撐預(yù)期的設(shè)計壓力，驗證密封工藝是否合理，同時還可檢驗在高壓環(huán)境下儀器的實時工作情況。
水壓試驗的類型
1.試驗方式的分類
水壓試驗常見的分類有兩種，即恒定壓力的靜態(tài)試驗和交變壓力的動態(tài)試驗。
恒定壓力試驗是指測試期間只有一個“升壓-保壓-降壓”過程。試驗主要是為了檢測儀器選材是否合格，殼體壁厚設(shè)計是否合理，密封部位及連接部位是否有效等，還可以對定型產(chǎn)品進(jìn)行周期性的復(fù)檢。
交變壓力試驗是指測試期間周期性的實施多個“升壓-保壓-降壓”過程。試驗通過壓力的周期性變化，檢測多種材料安裝配合工藝是否合理，密封部位及自緊裝置經(jīng)過多次使用是否有效，并且還可通過交變壓力試驗加速檢驗新設(shè)計、定型產(chǎn)品的水下環(huán)境適應(yīng)性。此外，對于實際使用中需要頻繁投入深海并回收的儀器，此類試驗可以有效的模擬其水下壓力變化過程，進(jìn)而全面檢測儀器性能。
2.各標(biāo)準(zhǔn)試驗類型
因4個標(biāo)準(zhǔn)分別適用不同的儀器，為便于使用者開展試驗和控制研發(fā)成本，各標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用時可結(jié)合測試儀器工作環(huán)境的風(fēng)險等級，針對各自領(lǐng)域推薦了適宜的試驗類型。具體情況見表2所示。
表2標(biāo)準(zhǔn)試驗類型對比表
通過內(nèi)容分析可知，GB/T 2423.38和GB/T 9359在試驗時將被測儀器作為一個整體考慮，忽略承壓部件由于不同材質(zhì)之間相互作用引起的故障。GJB 23.2和GB/T 32065.15在試驗時重點考慮了新型水下儀器由不同材質(zhì)組成，各自因變形量不同引起的故障隱患。同時由于GJB 23.2涉及的換能器和GB/T 32065.15涉及的回收式海洋儀器在實際使用中會遇到頻繁發(fā)生的深度變化情況，交變壓力會進(jìn)一步激發(fā)這類問題，達(dá)到故障復(fù)現(xiàn)的效果。
水壓試驗的壓力值
1、試驗壓力值的演變過程
水壓試驗中測試儀器選取試驗壓力等級的三個核心要素是工作壓力、試驗壓力和設(shè)計壓力。這些參數(shù)最早是借鑒壓力容器領(lǐng)域的測試模式得來。在GB 150《壓力容器》和《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中曾出現(xiàn)過相對于工作壓力值1.12倍、1.25倍和1.5倍的試驗壓力值。測試儀器能經(jīng)受的試驗壓力越高，安全系數(shù)就越大，相應(yīng)設(shè)計成本也越高，整體質(zhì)量也越重。由于水下儀器往往對總重量有明確的要求和限制，因此設(shè)計時不能單一加大安全余量而無節(jié)制的提高試驗壓力。此時需要結(jié)合其實際工作深度選取適宜的試驗壓力值，既保證儀器的安全性，又控制耐壓殼體的質(zhì)量。
02
各標(biāo)準(zhǔn)試驗壓力值
本文提及的試驗標(biāo)準(zhǔn)給出三種試驗壓力確定方式：一種是直接給定試驗壓力值，一種是結(jié)合工作深度選取近似試驗壓力值，最后一種是按儀器的工作深度推薦安全倍數(shù)確定試驗壓力值。各標(biāo)準(zhǔn)的具體試驗壓力選取情況見表3。
表3 試驗壓力分析說明表
通過內(nèi)容對比可知，GB/T 2423.38和GB/T 9359使用時參考儀器的實際工作深度，選取高于其深度的試驗條件開展測試，前者適用于深度小于1000m的儀器，后者適用于深度小于200m的儀器。GJB 23.2使用時按儀器種類直接選取給出的固定測試值即可，適用于深度小于450m的儀器。GB/T 32065使用時參照儀器的實際工作深度，選取1.25倍系數(shù)作為最高試驗壓力，適用于全海深11000m使用的儀器。標(biāo)準(zhǔn)之間相比，GB/T 32065.15兼顧恒定壓力和交變壓力，同時試驗壓力值可相對靈活選取，適用自由度最大。
水壓試驗的過程和時間
1. GJB 23.2-1984主要過程
該標(biāo)準(zhǔn)選用交變壓力試驗方式，將被測儀器劃分為水面艦艇用儀器、潛艇用儀器和變深聲納儀器三類，試驗流程圖見圖2。各類儀器的具體試驗過程如下：
1）水面艦艇儀器：①升壓至0.5MPa，保持2h；②降壓至0，保持2h；①+②為一個試驗循環(huán)，總計實施2次循環(huán)。
2）潛艇儀器：①浸水0MPa，保持1h；②升壓至3MPa，保持1h；③降壓至0；①+②+③為一個試驗循環(huán)，總計實施4次循環(huán)；④最后再升壓至3.6MPa，保持1h；⑤升壓至4.5MPa，保持0.25h；⑥降壓至0。
3）變深聲納：參考潛艇儀器過程，試驗壓力為工作壓力的1.5倍。
試驗期間，潛艇用設(shè)備在升壓過程中每1MPa需保持5min，用于減緩壓力沖擊，其余兩類儀器無需分階段停機(jī)。標(biāo)準(zhǔn)對升降壓速率無控制要求，由用戶自行掌握。
圖2 GJB 23.2-1984試驗過程示意圖
2. GB/T 2423.38-2008主要過程
該標(biāo)準(zhǔn)選用恒定壓力試驗方式，試驗流程圖見圖3。具體試驗過程如下：
①升壓至試驗壓力值p，恒壓保持t（可選2h、24h、168h）；②降壓至0；①+②為一個完整的試驗過程。
試驗期間對升降壓速率無控制要求，由用戶自行掌握。升壓過程中無需分階段停機(jī)保持。
圖3 GB/T2423.38-2008試驗流程示意圖
3. GB/T 9359-2016主要過程
該標(biāo)準(zhǔn)選用恒定壓力試驗方式，試驗流程圖見圖4。具體試驗過程如下：
①升壓至25% p（試驗壓力值），恒壓保持t（可選30min、1h、2h、8h）；②升壓至50% p，保持t；③升壓至75% p，保持t；④升壓至100%p，保持t；⑤降壓至0；①+②+③+④+⑤為一個完整的試驗過程。
試驗期間升降壓速率要求≤0.05MPa/min，用于模擬儀器下放回收速度，避免快速壓力變化。
圖4 GB/T 9359-2016試驗過程示意圖
4. GB/T 32065.15-2019主要過程
該標(biāo)準(zhǔn)兼顧恒定壓力試驗和交變壓力試驗方式，用戶根據(jù)儀器結(jié)構(gòu)和材料選取適宜的方法，試驗流程圖見圖5。各類儀器的具體試驗過程如下：
1）恒定壓力：①升壓至試驗壓力值p，恒壓保持T（可選1h、2h、4h、8h）；②降壓至0；①+②為一個完整的試驗過程。
2）交變壓力：①升壓至高壓階段試驗壓力值p，恒壓保持T（可選0.5h、1h、2h、4h）；②降壓至低壓階段試驗壓力值（可選0、10%p、20%p、50%p），恒壓保持t（可選5min、15min、30min）；①+②為一個試驗循環(huán)，總計實施3次或6次或9次循環(huán)。
試驗期間升壓速率要求≤2MPa/min，降壓速率要求≤20MPa/min，用于避免形成瞬時壓力沖擊，引起不同材料之間發(fā)生變形不同步的故障。
圖5 GB/T 32065.15-2019試驗過程示意圖
水壓試驗的輔助參數(shù)
1、試驗介質(zhì)
水壓試驗以壓力為首要作用應(yīng)力，雖然真實使用環(huán)境中海水占據(jù)絕大多數(shù)情況，但考慮海水易對試驗設(shè)備和耐壓管路造成腐蝕，試驗成本較高且存在安全隱患，故選取淡水或清潔的自來水即可滿足試驗要求。
2、介質(zhì)溫度
試驗時，一般將水溫控制在5℃~35℃之間，同時要求被測儀器與試驗介質(zhì)的溫差小于5℃。這樣可以避免低溫引起的材料脆性形變，進(jìn)而干擾試驗結(jié)果。同時，按照GB 150-2011和《容規(guī)》1999版的建議，試驗時耐壓容器和環(huán)境溫度一般推薦高于15℃，這樣可以減少鋼制耐壓試驗艙發(fā)生脆性破壞的風(fēng)險，提高水壓試驗的安全性。
3、壓力表
試驗中使用壓力表的量程一般以試驗最大壓力的1.5倍為宜，這樣可使壓力值實時處于壓力表的最佳量程之內(nèi)，減小試驗過程中由于壓力擾動引起的干擾。因此，建議針對不同的試驗情況，合理更換不同量程的壓力表。
為保證試驗的精度和有效性，GB/T32065.15推薦試驗中選用的壓力表準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于1級。如條件允許可選取精度更高且?guī)ё枘峁δ艿膲毫Ρ碜鳛樵囼炏到y(tǒng)的壓力監(jiān)控或控制標(biāo)準(zhǔn)器。日常試驗時，建議10MPa以下的試驗可選用0.4級精度，10MPa以上的試驗可選用1級精度。此外，為減少壓力表波動度引起的試驗誤差，還可將壓力試驗分成三個不同的試驗等級，并在各等級之中分別設(shè)立波動度要求，即0.1MPa~1MPa小于0.05MPa，1MPa~10MPa小于0.1MPa，10MPa以上小于1MPa。如此可進(jìn)一步保障水壓試驗在不同階段的精度，避免單一精度要求的不適用性。
不同水壓標(biāo)準(zhǔn)適用中注意事項
本文提及的4項標(biāo)準(zhǔn)是我國開展水壓試驗的主要測試依據(jù)。使用者在依據(jù)其編制試驗大綱，開展儀器測試時應(yīng)注意以下幾個問題：
1）由于水壓試驗的一個重要作用是用于儀器驗收，試驗單位在選取試驗標(biāo)準(zhǔn)時首先要明確用戶的驗收需求。首選的試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需與用戶研發(fā)合同中的要求保持一致，如此開展的驗證試驗方可符合驗收要求。
2）試驗的時機(jī)推薦在儀器耐壓殼體和承壓部件完成精加工后便開展首次耐壓測試。此時的目的是進(jìn)行理論強(qiáng)度與材料加工一致性驗證，以及進(jìn)行密封工藝的考察。當(dāng)此環(huán)節(jié)無隱患后，再開展整機(jī)帶壓性能測試，驗證帶壓條件下的電性能和機(jī)械性能是否達(dá)到預(yù)期要求。
3）試驗壓力可依據(jù)實際工作深度給予一定的安全余量，不必每次試驗都選取儀器的極限耐壓值開展測試?？紤]金屬材料的疲勞性，建議首次摸底測試之后，不再進(jìn)行極限值測試。
4）水壓試驗期間，存在被測試儀器發(fā)生結(jié)構(gòu)失衡，瞬間壓垮產(chǎn)生瞬時壓力沖擊的情況。建議試驗方采取相應(yīng)的預(yù)防措施，可通過減少被測試儀器的內(nèi)空間或加裝防沖擊部件減緩此類情況對測試耐壓艙的損傷。
5）由于環(huán)境適應(yīng)性試驗結(jié)束后不給出合格性判據(jù)，推薦測試方和用戶在試驗前詳細(xì)商定試驗期間的測試內(nèi)容，以便細(xì)化試驗結(jié)果描述，增強(qiáng)試驗報告的說明性。
結(jié)束語
由于不同水壓試驗標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍不同，在測試過程中的具體要求也存在差別，我們在挑選試驗標(biāo)準(zhǔn)前需全面了解儀器驗收的具體要求。本文通過對GJB 23.2、GB/T 2423.38、GB/T 9359和GB/T 32065.15四項標(biāo)準(zhǔn)開展內(nèi)容分析與對比，給出了各標(biāo)準(zhǔn)的具體實施流程和使用注意事項，為客戶開展水壓試驗提供支持，指導(dǎo)相關(guān)生產(chǎn)、檢驗單位和用戶開展儀器的研發(fā)檢驗和驗收工作。
引用本文：
孔維軒，劉寧，林煦淏，于建清.國內(nèi)通用水壓試驗標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容對比分析[J].環(huán)境技術(shù),2023,41(07):153-158.
作者：孔維軒，劉寧，林煦淏，于建清
單位：1.國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計量中心，2.海洋計量檢測技術(shù)創(chuàng)新中心
簡介：孔維軒，高級工程師，主要從事海洋儀器可靠性檢測技術(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究工作。
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