張海龍,鐘國(guó)睿,朱志偉
(中國(guó)科學(xué)院 深??茖W(xué)與工程研究所,海南 三亞 572000)
近年來(lái),國(guó)家在深海裝備研制方面取得了一系列突破。在研制深海裝備過(guò)程中,開展靜水壓力試驗(yàn)尤為重要,其中深海裝備室內(nèi)靜水壓力試驗(yàn)對(duì)裝備的研發(fā)和海上試驗(yàn)有重要的支撐作用,沒有經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的設(shè)備通常無(wú)法在深海環(huán)境中應(yīng)用。開展科學(xué)的、規(guī)范化的室內(nèi)靜水壓力試驗(yàn),通過(guò)規(guī)范化檢驗(yàn)檢測(cè)方法獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)結(jié)果,對(duì)于我國(guó)深海裝備的研發(fā)和質(zhì)量管理而言具有重要意義[1]。
深海裝備室內(nèi)靜水壓力試驗(yàn)是指利用深海環(huán)境模擬裝置(壓力筒)模擬海洋深水的壓力環(huán)境,對(duì)海洋設(shè)備進(jìn)行耐壓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)、水密性檢測(cè)和抗疲勞性檢驗(yàn),對(duì)機(jī)械手、浸水電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行高壓下的功能測(cè)試。壓力筒是靜水壓力試驗(yàn)的核心裝置,在開展深海裝備靜水壓力試驗(yàn)時(shí),不僅要考慮壓力筒的容積和工作壓力等參數(shù),而且應(yīng)根據(jù)不同需求,考慮壓力筒是否具有可視、可聽、溫度控制、循環(huán)試驗(yàn)、極限卸壓和數(shù)據(jù)采集等功能,以及系統(tǒng)加卸壓速率、水密連接器數(shù)量和壓力精度等參數(shù)是否滿足要求,這是壓力筒研制人員和試驗(yàn)人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)深海裝備靜水壓力試驗(yàn)采用的典型壓力筒見表1[2-4]。中國(guó)科學(xué)院深??茖W(xué)與工程研究所(以下簡(jiǎn)稱“中科院深海所”)采用基于預(yù)應(yīng)力的鋼絲纏繞技術(shù)研制了180MPa大型深海超高壓環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置,該壓力筒可為全海深載人潛水器載人球艙提供壓力測(cè)試條件,克服了傳統(tǒng)的一體式壓力筒在研制大直徑、超高壓試驗(yàn)裝置時(shí)應(yīng)力集中的問(wèn)題,其容積和工作壓力的技術(shù)組合指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,具有系統(tǒng)安全性高、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。
表1 國(guó)內(nèi)深海裝備靜水壓力試驗(yàn)采用的典型壓力筒
深海裝備的靜水壓力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是深海裝備設(shè)計(jì)和試驗(yàn)人員在選擇合適的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)等級(jí)時(shí)用到的規(guī)范性文件。目前采用的海洋設(shè)備室內(nèi)壓力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[5-6]主要有:《海洋儀器環(huán)境試驗(yàn)方法總則》(GB/ T 32065.1—2015);《水文儀器基本環(huán)境試驗(yàn)條件及方法》(GB/ T 9359—2016);《海洋儀器基本環(huán)境試驗(yàn)方法-水靜壓力試驗(yàn)》(HY 016.15—1992);《海洋儀器基本環(huán)境試驗(yàn)方法-水靜壓力試驗(yàn)導(dǎo)則》(HY 021.11—1992);《水下工程產(chǎn)品耐壓及密封性能試驗(yàn)規(guī)程》(Q/702J1211—2009)等。
另外,一些海洋儀器標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀器設(shè)備靜水壓力試驗(yàn)等環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的方法做出了規(guī)定,例如:《海洋實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)系統(tǒng)》(HY/T 092—2015)規(guī)定了潛標(biāo)系統(tǒng)設(shè)備的靜水壓力試驗(yàn)方法;《溫度鹽度深度綜合測(cè)量系統(tǒng)》(HY/T 036—1994)規(guī)定了深海裝備中廣泛應(yīng)用的STD和CTD的靜水壓力試驗(yàn)方法。隨著海洋技術(shù)的不斷發(fā)展,尤其是深海技術(shù)裝備的不斷發(fā)展,海洋設(shè)備靜水壓力試驗(yàn)方法已不能滿足海洋設(shè)備的發(fā)展需求,試驗(yàn)過(guò)程中存在著諸多問(wèn)題,例如試驗(yàn)壓力系數(shù)、試驗(yàn)壓力下持續(xù)時(shí)間等參數(shù)如何確定和國(guó)外進(jìn)口設(shè)備是否需進(jìn)行靜水壓力試驗(yàn)等,迫切需要對(duì)深海技術(shù)裝備靜水壓力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。
深海裝備靜水壓力試驗(yàn)的等級(jí)由試驗(yàn)壓力和試驗(yàn)達(dá)到規(guī)定壓力值之后的持續(xù)時(shí)間確定,而確定試驗(yàn)壓力值是試驗(yàn)中最主要的一項(xiàng)內(nèi)容,主要有2種方法:
1) 根據(jù)設(shè)備應(yīng)用于某海域的最大深度確定設(shè)備的試驗(yàn)壓力,這是為了保證設(shè)備在海上應(yīng)用過(guò)程中不慎掉到海底時(shí)其耐壓性能不受破壞,而這對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造提出了很高的要求;
2) 根據(jù)設(shè)備的額定工作深度(額定工作壓力的1.5倍)確定設(shè)備的試驗(yàn)壓力。
HY016.15—1992規(guī)定試驗(yàn)壓力不得小于工作壓力的 1.25倍,《超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TSGR0002—2005)規(guī)定超高壓容器的試驗(yàn)壓力Pt的計(jì)算式為
式(1)中:P為超高壓容器的設(shè)計(jì)壓力,MPa;η為耐壓試驗(yàn)壓力系數(shù),可取1.10~1.25;為設(shè)計(jì)溫度下材料的屈服強(qiáng)度的下限值,MPa;RP0.2為試驗(yàn)溫度下材料的屈服強(qiáng)度的下限值,MPa。
事實(shí)上,上述確定壓力試驗(yàn)值的方法都有其局限性。在對(duì)設(shè)備進(jìn)行靜水壓力試驗(yàn)時(shí),壓力試驗(yàn)值的確定一般都與設(shè)計(jì)方法所選的失效準(zhǔn)則和許用應(yīng)力安全系數(shù)有關(guān),而許用應(yīng)力安全系數(shù)的確定涉及各國(guó)的技術(shù)政策,難以僅從技術(shù)層面進(jìn)行比較。對(duì)于深海技術(shù)裝備應(yīng)用較多的鈦合金、合金鋼、結(jié)構(gòu)陶瓷、碳纖維、固體浮力材料和玻璃材料等耐壓制品而言,試驗(yàn)壓力值應(yīng)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)規(guī)范并結(jié)合加工質(zhì)量確定。目前,針對(duì)深海裝備采用的鈦合金和合金鋼等耐壓結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)人員普遍參考《壓力容器》(GB150—2011)和ASMEⅧ-1、ASME Ⅷ-2等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),GB150—2011規(guī)定外壓容器水靜壓力試驗(yàn)壓力Pt按式(2)確定,同時(shí)在開展壓力試驗(yàn)之前按式(3)對(duì)各受壓元件的應(yīng)力水平進(jìn)行校核,并滿足式(4)的要求[7]。
式(2)~式(4)中:P為外壓容器的設(shè)計(jì)壓力,MPa;Tσ為殼體元件最大總體薄膜應(yīng)力,MPa;Di為圓筒或球殼的內(nèi)直徑,mm;εδ為圓筒或球殼的有效厚度,mm;φ為焊接接頭系數(shù);ReL為試驗(yàn)溫度下材料的屈服強(qiáng)度的下限值,MPa。
ASME Ⅷ-1和ASME Ⅷ-2設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定試驗(yàn)壓力值的計(jì)算式為
式(5)中:P為外壓容器的設(shè)計(jì)壓力,MPa;(σ)/(σ)t為建造容器材料屈服強(qiáng)度的比值的最小值。
通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析可知,對(duì)于采用鈦合金和合金鋼研制的耐壓結(jié)構(gòu)而言,靜水壓力試驗(yàn)壓力系數(shù)取值1.25是合適的。當(dāng)然,一些深海裝備靜水壓力試驗(yàn)壓力值的選取應(yīng)符合相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,例如海洋潛標(biāo)系統(tǒng)通信浮標(biāo)、溫鹽深測(cè)量?jī)x等設(shè)備的靜水壓力試驗(yàn)應(yīng)滿足HY/T 092—2015對(duì)試驗(yàn)壓力系數(shù)不小于1.5的規(guī)定。對(duì)于全海深裝備靜水壓力試驗(yàn)而言,由于設(shè)計(jì)壓力較高,試驗(yàn)壓力值的選取應(yīng)更為謹(jǐn)慎。通過(guò)對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和近幾年開展的超高壓力下的深海裝備靜水壓力試驗(yàn)進(jìn)行分析可知,在設(shè)計(jì)制造質(zhì)量可控的前提下,試驗(yàn)壓力系數(shù)可適當(dāng)減小,靜水壓力試驗(yàn)壓力值的計(jì)算式可表示為
采用式(6)計(jì)算靜水壓力試驗(yàn)壓力值既能保證達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?,又有利于保證試驗(yàn)和設(shè)備的安全。
HY 016.15—1992規(guī)定試驗(yàn)在試驗(yàn)壓力下持續(xù)時(shí)間不得少于0.5h(優(yōu)選0.5h、2h和24h),GB/ T 9359—2016規(guī)定試驗(yàn)在試驗(yàn)壓力下持續(xù)的時(shí)間不得少于0.5h(優(yōu)選0.5h、1h、2h和8h),HY/T 092—2015規(guī)定試驗(yàn)在試驗(yàn)壓力下持續(xù)的時(shí)間為10min。一般情況下,對(duì)于深海裝備而言,試驗(yàn)在試驗(yàn)壓力下的持續(xù)時(shí)間往往是根據(jù)密封的要求確定的。對(duì)于深海超高壓力下的靜水壓力試驗(yàn)而言,試驗(yàn)在試驗(yàn)壓力下的持續(xù)時(shí)間建議選取0.5h,這時(shí)設(shè)備若有泄漏,0.5h的泄漏量已較為明顯;對(duì)于采用碳纖維材料和陶瓷材料研制的耐壓結(jié)構(gòu)而言,可適當(dāng)增加試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間。
在開展靜水壓力試驗(yàn)過(guò)程中,在選擇加壓泄壓速率時(shí),首先要考慮設(shè)備在海洋應(yīng)用中下潛上浮的真實(shí)狀態(tài),其次要考慮壓力筒試驗(yàn)裝置的壓力控制性能。在一些深海裝備靜水壓力試驗(yàn)中,加壓泄壓速率的選擇要考慮設(shè)備的適合性,快速的壓力升降是對(duì)海洋裝備在高壓環(huán)境下的動(dòng)態(tài)耐壓性能的一項(xiàng)嚴(yán)苛考核[8],會(huì)減少固體浮力材料制品的使用壽命。對(duì)于耐壓結(jié)構(gòu)而言,快速泄壓會(huì)導(dǎo)致發(fā)生泄漏的設(shè)備來(lái)不及釋放壓力,存在著安全隱患,在實(shí)際試驗(yàn)中應(yīng)延長(zhǎng)試驗(yàn)設(shè)備出筒操作時(shí)間。
在加壓泄壓期間應(yīng)設(shè)置加壓泄壓臺(tái)階,HY 016.15—1992規(guī)定加壓臺(tái)階應(yīng)不少于3級(jí),泄壓級(jí)數(shù)與加壓級(jí)數(shù)相同,ASME Ⅷ-1和ASME Ⅷ-2設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定在增大試驗(yàn)壓力時(shí)應(yīng)使每次的壓力增量不超過(guò)試驗(yàn)壓力的20%,參考我國(guó)“蛟龍”號(hào)和“深海勇士”號(hào)載人深潛器的下潛上浮速度,試驗(yàn)加壓泄壓速率宜選擇0.6~2.0MPa/min,同時(shí)加壓級(jí)數(shù)不得少于3級(jí),泄壓級(jí)數(shù)與加壓級(jí)數(shù)相同。
針對(duì)φ500鈦合金球殼(見圖1)進(jìn)行1.1倍工作壓力下的靜水壓力耐壓試驗(yàn),獲得關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗(yàn)在中科院深海所200MPa壓力筒內(nèi)進(jìn)行,采用日本產(chǎn)KFG-5-120應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量,采用SUBCONN16芯水密連接器進(jìn)行信號(hào)傳輸,采用UCAM-60B數(shù)字式靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集,并將其傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)框圖見圖2。
圖1 球殼試件
圖2 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)框圖
典型試驗(yàn)流程如下:
1) 試驗(yàn)開始之前對(duì)鈦合金球殼的尺寸進(jìn)行測(cè)量,在其典型位置粘貼應(yīng)變片并測(cè)量、記錄應(yīng)變片的電阻值和絕緣值。在向鈦合金球殼內(nèi)部灌注淡水至球殼容積的90%之后對(duì)其進(jìn)行稱重測(cè)量、記錄。
2) 試驗(yàn)采用自動(dòng)加壓方式進(jìn)行,試驗(yàn)加載曲線見圖3。試驗(yàn)開始之前進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn),加載到工作壓力115MPa,加壓速率為1MPa/min;當(dāng)壓力升至115MPa時(shí),保壓1h之后泄壓。
圖3 鈦合金球殼靜水壓力耐壓試驗(yàn)加載曲線
3) 開展 1.1倍工作壓力耐壓考核試驗(yàn)。按Pt=1.1P選擇耐壓試驗(yàn)壓力,確定試驗(yàn)壓力為126.5MPa。加卸壓速率保持在1MPa/min附近,設(shè)定5個(gè)加壓臺(tái)階進(jìn)行階梯升壓,每個(gè)階段穩(wěn)壓3min之后進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量,當(dāng)壓力升至126.5MPa時(shí),保壓10min并進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量之后卸壓。
4) 試驗(yàn)結(jié)束之后對(duì)鈦合金球進(jìn)行外觀檢測(cè)、尺寸測(cè)量和稱重測(cè)量。
對(duì)國(guó)產(chǎn)全海深水下推進(jìn)器進(jìn)行1.1倍工作壓力耐壓試驗(yàn),驗(yàn)證整機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。試驗(yàn)在中科院深海所200MPa壓力筒內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)開始之前對(duì)推進(jìn)器系統(tǒng)進(jìn)行充油和外觀檢查、緊固件安裝確認(rèn)及推進(jìn)器電性能檢測(cè)。試驗(yàn)采用自動(dòng)加壓方式進(jìn)行,推進(jìn)器的工作壓力為 110MPa,按Pt=1.1P選擇耐壓試驗(yàn)壓力,確定試驗(yàn)壓力為121MPa。加壓和泄壓速率為0.6MPa/min,階梯升壓至121MPa,保壓1h,采用與加壓相同的階梯泄壓。推進(jìn)器1.1倍工作壓力耐壓試驗(yàn)加載曲線見圖4。試驗(yàn)結(jié)束之后進(jìn)行設(shè)備外觀檢測(cè)和絕緣電組測(cè)試,若絕緣電阻小于 8MΩ,則認(rèn)為漏水;打開推進(jìn)器注油孔倒出推進(jìn)器內(nèi)部的潤(rùn)滑油,用試水膏測(cè)試潤(rùn)滑油內(nèi)是否含水,若試水膏變色,則認(rèn)為漏水。
對(duì)中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的ARV進(jìn)行整機(jī)耐壓試驗(yàn)(見圖5),驗(yàn)證整機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電控系統(tǒng)和光纖通信系統(tǒng)的安全性和可靠性。試驗(yàn)在中科院深海所 200MPa壓力筒內(nèi)進(jìn)行。系統(tǒng)通過(guò) SUBCONN16芯水密連接器和光纖穿壁件進(jìn)行信號(hào)傳輸,通過(guò)向壓力筒和水箱內(nèi)加冰塊控制環(huán)境溫度在8℃左右。
圖4 推進(jìn)器1.1倍工作壓力耐壓試驗(yàn)加載曲線
圖5 ARV耐壓試驗(yàn)
試驗(yàn)開始之前對(duì) ARV進(jìn)行整機(jī)電性能和機(jī)械性能檢測(cè)、系統(tǒng)充油及光纖穿壁件耐壓測(cè)試。試驗(yàn)采用自動(dòng)加壓方式進(jìn)行。耐壓壓力為系統(tǒng)工作壓力115MPa,加壓速率為1MPa/min,階梯升壓至115MPa之后,保壓1h,采用與加壓相同的階梯泄壓。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)ARV電機(jī)電流、角速度及電池電壓、光纖通信功率進(jìn)行測(cè)量和記錄。試驗(yàn)結(jié)束之后對(duì)ARV整機(jī)進(jìn)行外觀檢查和系統(tǒng)電性能、機(jī)械性能檢測(cè)。
在一些深海裝備靜水壓力試驗(yàn)中,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高壓試驗(yàn)之后,檢測(cè)設(shè)備耐壓殼體內(nèi)部有微量水珠,通過(guò)多次試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),這種現(xiàn)象往往是由于O形密封圈安裝質(zhì)量不好和低壓升壓過(guò)程中升壓速度過(guò)快引發(fā)低壓滲水導(dǎo)致的。對(duì)此,應(yīng)重視試驗(yàn)之前對(duì)O形密封圈的裝配;同時(shí),為避免O型圈在旋入過(guò)程中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)或擠入問(wèn)題,要在O形圈裝入溝槽之后均勻涂潤(rùn)滑油脂[9]。
對(duì)于從國(guó)外采購(gòu)的設(shè)備,是否需要在實(shí)際應(yīng)用之前對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)靜水壓力試驗(yàn)和如何選取試驗(yàn)壓力值存在著爭(zhēng)議。實(shí)際上,設(shè)備在室內(nèi)靜水壓力試驗(yàn)和海上試驗(yàn)過(guò)程中多次發(fā)生國(guó)外設(shè)備耐壓測(cè)試考核不合格的現(xiàn)象(見圖6)。因此,對(duì)于國(guó)外采購(gòu)的設(shè)備而言,在進(jìn)行海試之前有必要對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)靜水壓力耐壓試驗(yàn),耐壓試驗(yàn)壓力宜選擇設(shè)備工作壓力,保壓時(shí)間宜根據(jù)設(shè)備在水下停留的時(shí)間確定。
圖6 壓潰后的國(guó)外設(shè)備
不同的載人潛水器,對(duì)其搭載的常規(guī)作業(yè)工具和設(shè)備的靜水壓力試驗(yàn)規(guī)定各有不同。
1) 美國(guó) WHOI研究所對(duì)“阿爾文”號(hào)載人潛水器上的作業(yè)工具和設(shè)備的靜水壓力耐壓試驗(yàn)要求為:設(shè)備進(jìn)行10次打壓循環(huán),每個(gè)循環(huán)約0.5h,最后1個(gè)循環(huán)保壓1h,這是一種經(jīng)驗(yàn)方式。
2) 我國(guó)“蛟龍”號(hào)對(duì)搭載的常規(guī)作業(yè)工具和設(shè)備的室內(nèi)耐壓試驗(yàn)要求為:
(1) 根據(jù)設(shè)備工作情況,選擇進(jìn)行設(shè)備的耐壓循環(huán)試驗(yàn)或長(zhǎng)時(shí)間保壓試驗(yàn)。耐壓循環(huán)試驗(yàn)要求設(shè)備進(jìn)行10次耐壓循環(huán),在前9次壓力循環(huán)時(shí)的最大試驗(yàn)壓力處保壓5min,在第10次壓力循環(huán)時(shí)的最大試驗(yàn)壓力處保壓2h;長(zhǎng)時(shí)間保壓試驗(yàn)要求設(shè)備在最大試驗(yàn)壓力處保壓6~8h。
(2) 最大試驗(yàn)壓力按潛水器最大作業(yè)深度的1.25倍計(jì)算。
3) “深海勇士”號(hào)對(duì)搭載的常規(guī)作業(yè)工具和設(shè)備的室內(nèi)耐壓試驗(yàn)要求為:
(1) 設(shè)備需進(jìn)行10次打壓循環(huán)。在前9次壓力循環(huán)時(shí)的最大壓力處保壓10min,在第10次壓力循環(huán)時(shí)的最大壓力處保壓1h。
(2) 設(shè)備或作業(yè)工具在下潛作業(yè)時(shí),若作業(yè)深度小于4000m,其最大耐壓試驗(yàn)壓力按潛水器最大作業(yè)深度的1.5倍計(jì)算;若作業(yè)深度在4000~4500m,其最大耐壓試驗(yàn)壓力按潛水器最大作業(yè)深度的1.25倍計(jì)算。
由此可知,有關(guān)載人潛水器常規(guī)作業(yè)工具和設(shè)備的室內(nèi)靜水壓力試驗(yàn)規(guī)定比較嚴(yán)格,針對(duì)不同的深海裝備,室內(nèi)靜水壓力試驗(yàn)方法應(yīng)在考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性等因素的基礎(chǔ)上確定。
深海裝備在海上試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生設(shè)備漏水或滲水、信號(hào)失靈等故障,必須加強(qiáng)基本環(huán)境試驗(yàn)工作,開展科學(xué)、規(guī)范化的室內(nèi)靜水壓力試驗(yàn),對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究,推進(jìn)相關(guān)深海裝備靜水壓力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定,為深海裝備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供支撐。