孔維軒，劉寧，林煦淏，于建清

（1.國家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津 300112；2.海洋計(jì)量檢測技術(shù)創(chuàng)新中心，天津 300112）

引言

水壓試驗(yàn)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(duì)儀器施加規(guī)定的壓力，在實(shí)驗(yàn)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(jì)、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(duì)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(xiǎn)。

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(yàn)的作用，并將其作為儀器驗(yàn)收的一個(gè)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(yàn)方法 第15 部分：水壓試驗(yàn)》[1]、GB/T 2423.38-2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn) 試驗(yàn)R：水試驗(yàn)方法和導(dǎo)則》[2]、GB/T 9359-2016《水文儀器基本環(huán)境試驗(yàn)條件及方法》[3]、GJB 23.2-1984《聲納換能器靜水壓力試驗(yàn)》[4]）4 類通用試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)開展了各式各樣的測試。但就水壓試驗(yàn)的適用范圍、試驗(yàn)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(duì)水壓試驗(yàn)有關(guān)問題的認(rèn)識(shí)也不一致。為此，有必要對(duì)我國4 類通用水壓試驗(yàn)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)。

1 水壓試驗(yàn)的發(fā)展情況

1.1 標(biāo)準(zhǔn)演變過程

水壓試驗(yàn)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[5]。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(yàn)中涉及水壓試驗(yàn)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(gè)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(duì)比可知，GJB 23.2 自實(shí)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)。

1.2 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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)適用范圍對(duì)比表

從表1 可看出，目前國內(nèi)主要水壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的目的基本類似。試驗(yàn)大多是檢驗(yàn)儀器主耐壓殼體、承壓元器件能否支撐預(yù)期的設(shè)計(jì)壓力，驗(yàn)證密封工藝是否合理，同時(shí)還可檢驗(yàn)在高壓環(huán)境下儀器的實(shí)時(shí)工作情況。

2 水壓試驗(yàn)的類型

2.1 試驗(yàn)方式的分類

水壓試驗(yàn)常見的分類有兩種，即恒定壓力的靜態(tài)試驗(yàn)和交變壓力的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)[6]。

恒定壓力試驗(yàn)[5]是指測試期間只有一個(gè)“升壓-保壓-降壓”過程。試驗(yàn)主要是為了檢測儀器選材是否合格，殼體壁厚設(shè)計(jì)是否合理，密封部位及連接部位是否有效等，還可以對(duì)定型產(chǎn)品進(jìn)行周期性的復(fù)檢。

交變壓力試驗(yàn)[5]是指測試期間周期性的實(shí)施多個(gè)“升壓-保壓-降壓”過程。試驗(yàn)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(yàn)加速檢驗(yàn)新設(shè)計(jì)、定型產(chǎn)品的水下環(huán)境適應(yīng)性。此外，對(duì)于實(shí)際使用中需要頻繁投入深海并回收的儀器，此類試驗(yàn)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。

2.2 各標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)類型

因4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分別適用不同的儀器，為便于使用者開展試驗(yàn)和控制研發(fā)成本，各標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用時(shí)可結(jié)合測試儀器工作環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，針對(duì)各自領(lǐng)域推薦了適宜的試驗(yàn)類型。具體情況見表2 所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)類型對(duì)比表

通過內(nèi)容分析可知，GB/T 2423.38 和GB/T 9359 在試驗(yàn)時(shí)將被測儀器作為一個(gè)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(yàn)時(shí)重點(diǎn)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(shí)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(shí)際使用中會(huì)遇到頻繁發(fā)生的深度變化情況，交變壓力會(huì)進(jìn)一步激發(fā)這類問題，達(dá)到故障復(fù)現(xiàn)的效果。

3 水壓試驗(yàn)的壓力值

3.1 試驗(yàn)壓力值的演變過程

水壓試驗(yàn)中測試儀器選取試驗(yàn)壓力等級(jí)的三個(gè)核心要素是工作壓力、試驗(yàn)壓力和設(shè)計(jì)壓力[7]。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(duì)于工作壓力值1.12 倍、1.25 倍和1.5 倍的試驗(yàn)壓力值[8]。測試儀器能經(jīng)受的試驗(yàn)壓力越高，安全系數(shù)就越大，相應(yīng)設(shè)計(jì)成本也越高，整體質(zhì)量也越重。由于水下儀器往往對(duì)總重量有明確的要求和限制，因此設(shè)計(jì)時(shí)不能單一加大安全余量而無節(jié)制的提高試驗(yàn)壓力。此時(shí)需要結(jié)合其實(shí)際工作深度選取適宜的試驗(yàn)壓力值，既保證儀器的安全性，又控制耐壓殼體的質(zhì)量。

3.2 各標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)壓力值

本文提及的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)給出三種試驗(yàn)壓力確定方式：一種是直接給定試驗(yàn)壓力值，一種是結(jié)合工作深度選取近似試驗(yàn)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(yàn)壓力值。各標(biāo)準(zhǔn)的具體試驗(yàn)壓力選取情況見表3。

表3 試驗(yàn)壓力分析說明表

通過內(nèi)容對(duì)比可知，GB/T 2423.38 和GB/T 9359使用時(shí)參考儀器的實(shí)際工作深度，選取高于其深度的試驗(yàn)條件開展測試，前者適用于深度小于1 000 m 的儀器，后者適用于深度小于200 m 的儀器。GJB 23.2使用時(shí)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450 m 的儀器。GB/T 32065 使用時(shí)參照儀器的實(shí)際工作深度，選取1.25 倍系數(shù)作為最高試驗(yàn)壓力，適用于全海深11 000 m 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(shí)試驗(yàn)壓力值可相對(duì)靈活選取，適用自由度最大。

4 水壓試驗(yàn)的過程和時(shí)間

4.1 GJB 23.2-1984 主要過程

該標(biāo)準(zhǔn)選用交變壓力試驗(yàn)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(yàn)流程圖見圖2。各類儀器的具體試驗(yàn)過程如下：

圖2 GJB 23.2-1984 試驗(yàn)過程示意圖

1）水面艦艇儀器：①升壓至0.5 MPa，保持2 h；②降壓至0，保持2 h；①+②為一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)，總計(jì)實(shí)施2 次循環(huán)。

2）潛艇儀器：①浸水0 MPa，保持1 h；②升壓至3 MPa，保持1 h；③降壓至0；①+②+③為一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)，總計(jì)實(shí)施4 次循環(huán)；④最后再升壓至3.6 MPa，保持1 h；⑤升壓至4.5 MPa，保持0.25 h；⑥降壓至0。

3）變深聲納：參考潛艇儀器過程，試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.5 倍。

試驗(yàn)期間，潛艇用設(shè)備在升壓過程中每1 MPa 需保持5 min，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(duì)升降壓速率無控制要求，由用戶自行掌握。

4.2 GB/T 2423.38-2008 主要過程

該標(biāo)準(zhǔn)選用恒定壓力試驗(yàn)方式，試驗(yàn)流程圖見圖3。具體試驗(yàn)過程如下：

圖3 GB/T 2423.38-2008 試驗(yàn)流程示意圖

①升壓至試驗(yàn)壓力值p，恒壓保持t（可選2 h、24 h、168 h）；②降壓至0；①+②為一個(gè)完整的試驗(yàn)過程。

試驗(yàn)期間對(duì)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。

4.3 GB/T 9359-2016 主要過程

該標(biāo)準(zhǔn)選用恒定壓力試驗(yàn)方式，試驗(yàn)流程圖見圖4。具體試驗(yàn)過程如下：

圖4 GB/T9359-2016 試驗(yàn)過程示意圖

①升壓至25 % p（試驗(yàn)壓力值），恒壓保持t（可選30 min、1 h、2 h、8 h）；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(gè)完整的試驗(yàn)過程。

試驗(yàn)期間升降壓速率要求≤0.05 MPa/min，用于模擬儀器下放回收速度，避免快速壓力變化。

4.4 GB/T 32065.15-2019 主要過程

該標(biāo)準(zhǔn)兼顧恒定壓力試驗(yàn)和交變壓力試驗(yàn)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(yàn)流程圖見圖5。各類儀器的具體試驗(yàn)過程如下：

圖5 GB/T 32065.15-2019 試驗(yàn)過程示意圖

1）恒定壓力：①升壓至試驗(yàn)壓力值p，恒壓保持T（可選1 h、2 h、4 h、8 h）；②降壓至0；①+②為一個(gè)完整的試驗(yàn)過程。

2）交變壓力：①升壓至高壓階段試驗(yàn)壓力值p，恒壓保持T（可選0.5 h、1 h、2 h、4 h）；②降壓至低壓階段試驗(yàn)壓力值（可選0、10 %p、20 %p、50 %p），恒壓保持t（可選5 min、15 min、30 min）；①+②為一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)，總計(jì)實(shí)施3 次或6 次或9 次循環(huán)。

試驗(yàn)期間升壓速率要求≤2 MPa/min，降壓速率要求≤20 MPa/min，用于避免形成瞬時(shí)壓力沖擊，引起不同材料之間發(fā)生變形不同步的故障。

5 水壓試驗(yàn)的輔助參數(shù)

5.1 試驗(yàn)介質(zhì)

水壓試驗(yàn)以壓力為首要作用應(yīng)力，雖然真實(shí)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(duì)試驗(yàn)設(shè)備和耐壓管路造成腐蝕，試驗(yàn)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(yàn)要求。

5.2 介質(zhì)溫度

試驗(yàn)時(shí)，一般將水溫控制在（5～35）℃之間，同時(shí)要求被測儀器與試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果。同時(shí)，按照GB 150-2011和《容規(guī)》1999 版的建議，試驗(yàn)時(shí)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(yàn)艙發(fā)生脆性破壞的風(fēng)險(xiǎn)，提高水壓試驗(yàn)的安全性[9]。

5.3 壓力表

試驗(yàn)中使用壓力表的量程一般以試驗(yàn)最大壓力的1.5 倍為宜，這樣可使壓力值實(shí)時(shí)處于壓力表的最佳量程之內(nèi)，減小試驗(yàn)過程中由于壓力擾動(dòng)引起的干擾。因此，建議針對(duì)不同的試驗(yàn)情況，合理更換不同量程的壓力表。

為保證試驗(yàn)的精度和有效性，GB/T 32065.15 推薦試驗(yàn)中選用的壓力表準(zhǔn)確度應(yīng)優(yōu)于1 級(jí)。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?yàn)系統(tǒng)的壓力監(jiān)控或控制標(biāo)準(zhǔn)器。日常試驗(yàn)時(shí)，建議10 MPa 以下的試驗(yàn)可選用0.4級(jí)精度，10 MPa以上的試驗(yàn)可選用1級(jí)精度。此外，為減少壓力表波動(dòng)度引起的試驗(yàn)誤差，還可將壓力試驗(yàn)分成三個(gè)不同的試驗(yàn)等級(jí)，并在各等級(jí)之中分別設(shè)立波動(dòng)度要求，即（0.1～1）MPa 小于0.05 MPa，（1～10）MPa 小于0.1 MPa，10 MPa 以上小于1 MPa。如此可進(jìn)一步保障水壓試驗(yàn)在不同階段的精度，避免單一精度要求的不適用性。

6 不同水壓標(biāo)準(zhǔn)使用中注意事項(xiàng)

本文提及的4 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)是我國開展水壓試驗(yàn)的主要測試依據(jù)。使用者在依據(jù)其編制試驗(yàn)大綱，開展儀器測試時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

1）由于水壓試驗(yàn)的一個(gè)重要作用是用于儀器驗(yàn)收，試驗(yàn)單位在選取試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)首先要明確用戶的驗(yàn)收需求。首選的試驗(yàn)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(yàn)證試驗(yàn)方可符合驗(yàn)收要求。

2）試驗(yàn)的時(shí)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[10]。此時(shí)的目的是進(jìn)行理論強(qiáng)度與材料加工一致性驗(yàn)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(yàn)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(yàn)壓力可依據(jù)實(shí)際工作深度給予一定的安全余量，不必每次試驗(yàn)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(yàn)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(shí)壓力沖擊的情況。建議試驗(yàn)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(duì)測試耐壓艙的損傷。

5）由于環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)束后不給出合格性判據(jù)，推薦測試方和用戶在試驗(yàn)前詳細(xì)商定試驗(yàn)期間的測試內(nèi)容，以便細(xì)化試驗(yàn)結(jié)果描述，增強(qiáng)試驗(yàn)報(bào)告的說明性。

7 結(jié)束語

由于不同水壓試驗(yàn)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?cè)谔暨x試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)前需全面了解儀器驗(yàn)收的具體要求。本文通過對(duì)GJB 23.2、GB/T 2423.38、GB/T 9359 和GB/T 32065.15 四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)開展內(nèi)容分析與對(duì)比，給出了各標(biāo)準(zhǔn)的具體實(shí)施流程和使用注意事項(xiàng)，為客戶開展水壓試驗(yàn)提供支持，指導(dǎo)相關(guān)生產(chǎn)、檢驗(yàn)單位和用戶開展儀器的研發(fā)檢驗(yàn)和驗(yàn)收工作。