張 強(qiáng)，劉 寧，孔維軒，龐永超

(國(guó)家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津 300112)

海洋用耐壓殼體設(shè)備水下變形及滲漏檢測(cè)方法探討

張 強(qiáng)，劉 寧，孔維軒，龐永超

(國(guó)家海洋標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心，天津 300112)

本文針對(duì)殼體類(lèi)試驗(yàn)樣品在水靜壓力試驗(yàn)下的滲漏及變形等問(wèn)題展開(kāi)研究，提出2種能夠準(zhǔn)確判定殼體類(lèi)樣品在水靜壓力試驗(yàn)中何時(shí)何等壓力條件下發(fā)生變形或滲漏的方法。通過(guò)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：通過(guò)特殊研制的水聽(tīng)裝置能夠判斷殼體樣品發(fā)生滲漏或變形的時(shí)間以及壓力；試驗(yàn)實(shí)時(shí)壓力與液位曲線存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)壓力與液位曲線的關(guān)系能夠判斷樣品發(fā)生滲漏或變形的時(shí)間以及壓力。

水靜壓力；耐壓殼體

0 引 言

近年來(lái)，深海儀器設(shè)備被廣泛應(yīng)用于海洋科考與資源探測(cè)[1–5]。深海儀器設(shè)備的造價(jià)是海洋表面水文勘測(cè)儀器設(shè)備造價(jià)的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，其增加的造價(jià)主要集中在深海儀器的殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、殼體選材、機(jī)械加工等方面。由于深海儀器設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為兼顧殼體耐壓強(qiáng)度和減輕自身重量，所以構(gòu)成殼體的材料多為金屬和非金屬的復(fù)合體。同時(shí)，在殼體設(shè)計(jì)過(guò)程中由于設(shè)計(jì)人員理念與側(cè)重點(diǎn)不同，所選用的公式以及安全余量參數(shù)各有區(qū)別，故會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)偏差[6]。因此水靜壓力試驗(yàn)就成為廣大殼體設(shè)計(jì)者公認(rèn)的驗(yàn)證其設(shè)計(jì)合理性的唯一有效方法。但傳統(tǒng)水靜壓力試驗(yàn)亦存在以下問(wèn)題：

傳統(tǒng)水靜壓力試驗(yàn)方法工作流程[7–8]：先將試驗(yàn)樣品放入注滿(mǎn)水的壓力試驗(yàn)艙內(nèi)，待鎖緊壓力密封艙端蓋后開(kāi)啟活塞壓力泵，此時(shí)向壓力試驗(yàn)艙內(nèi)部注水使其達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)定值并保壓至設(shè)計(jì)需要時(shí)間，然后卸壓打開(kāi)密封端蓋并取出試驗(yàn)樣品。此后，在常壓環(huán)境下首先觀測(cè)試驗(yàn)樣品外觀是否良好，然后再打開(kāi)試驗(yàn)樣品自身密封端蓋觀測(cè)其內(nèi)部是否有滲漏。若試驗(yàn)樣品外觀無(wú)變形、內(nèi)部無(wú)滲漏，則滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；若試驗(yàn)樣品外觀出現(xiàn)變形、內(nèi)部出現(xiàn)滲漏，則不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但設(shè)計(jì)人員無(wú)法明確判斷何時(shí)出現(xiàn)故障。

由于傳統(tǒng)水靜壓力試驗(yàn)只能等試驗(yàn)結(jié)束取出試驗(yàn)樣品后，試驗(yàn)與設(shè)計(jì)人員才能對(duì)其進(jìn)行外觀與內(nèi)部的檢測(cè)，故無(wú)法得知試驗(yàn)樣品是在試驗(yàn)過(guò)程中何時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，更無(wú)法準(zhǔn)確得知試驗(yàn)樣品是在何等壓力下出現(xiàn)了問(wèn)題。此外，在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)壓力艙的升降壓速率過(guò)快也會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)樣品出現(xiàn)滲漏。最后，如果試驗(yàn)樣品在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)滲漏并將殼體注滿(mǎn)，但在試驗(yàn)結(jié)束壓力艙的壓力歸零，而殼體內(nèi)部的壓力沒(méi)有歸零時(shí)，這部分殘余壓力還會(huì)在試驗(yàn)或設(shè)計(jì)人員開(kāi)啟試驗(yàn)樣品進(jìn)行后期檢查時(shí)造成人身傷害。由于上述未知參數(shù)較多，殼體設(shè)計(jì)人員要制作大量試驗(yàn)用殼體，通過(guò)數(shù)次或數(shù)十次水靜壓力試驗(yàn)才能設(shè)計(jì)出合格的耐壓殼體，這將耗費(fèi)大量設(shè)計(jì)資金與大量的設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)還存在著安全隱患。

為減少工程技術(shù)人員在耐壓殼體設(shè)計(jì)的成本、縮短研發(fā)周期，提出2項(xiàng)改進(jìn)水靜壓力試驗(yàn)的方法。

1 特殊水聽(tīng)監(jiān)測(cè)裝置測(cè)試判斷

第1項(xiàng)改進(jìn)方法是在傳統(tǒng)水靜壓力試驗(yàn)系統(tǒng)中增加1套特殊水聽(tīng)裝置，用于收集試驗(yàn)樣品在水靜壓力試驗(yàn)過(guò)程中，由于樣品實(shí)時(shí)變形或達(dá)到變形臨界點(diǎn)產(chǎn)生共振以破裂所發(fā)出的音頻信息。該水聽(tīng)器為特殊研制型號(hào)，由壓電陶瓷元件構(gòu)成，外層硫化1層水密橡膠，與電纜整體硫化。音頻信息通過(guò)配套分析軟件進(jìn)行分析，試驗(yàn)中所測(cè)量音頻信號(hào)的頻率值或幅度值一旦出現(xiàn)或超出預(yù)設(shè)值具備聲光報(bào)警并記錄。

在水靜壓力試驗(yàn)中試驗(yàn)人員通過(guò)音頻信息進(jìn)行分析，不僅能確定樣品是在試驗(yàn)何階段發(fā)生故障，還能監(jiān)測(cè)得到故障壓力和對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間；而設(shè)計(jì)人員也可通過(guò)分析音頻信息對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行改進(jìn)。試驗(yàn)裝置改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

樣品在試驗(yàn)過(guò)程中利用簡(jiǎn)單水聽(tīng)器也能測(cè)得故障發(fā)生的時(shí)間和壓力值，但該測(cè)量誤差較大，會(huì)給殼體設(shè)計(jì)人員帶來(lái)不必要的困惑。原因是在水靜壓力試驗(yàn)過(guò)程中樣品會(huì)在壓力作用下出現(xiàn)2種形變情況：一種是可回復(fù)形變（即設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)）的變化，該變形隨著試驗(yàn)的結(jié)束可自身恢復(fù)；另一種是不可回復(fù)形變，此變形會(huì)隨著壓力和試驗(yàn)的變化最終影響樣品出現(xiàn)振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)引起樣品自身共振并持續(xù)時(shí)間足夠時(shí)，最終會(huì)引起結(jié)構(gòu)失衡。若此振動(dòng)的頻率與振幅積累到一定程度時(shí)，即便試驗(yàn)壓力不再增加，樣品經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后也會(huì)出現(xiàn)破裂。因此殼體設(shè)計(jì)人員應(yīng)該從樣品出現(xiàn)危險(xiǎn)頻率域危險(xiǎn)振幅所對(duì)應(yīng)的壓力和時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行耐壓強(qiáng)度加強(qiáng)分析，而不是從樣品出現(xiàn)破裂所對(duì)應(yīng)的壓力與時(shí)間的增加耐壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)壓力與液位曲線對(duì)比監(jiān)測(cè)判斷

在傳統(tǒng)水靜壓力試驗(yàn)（試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2）過(guò)程中，僅對(duì)試驗(yàn)樣品發(fā)生嚴(yán)重變形或破損易于監(jiān)測(cè)時(shí)間，對(duì)微量滲漏、變形是在何時(shí)、何等壓力下發(fā)生，無(wú)法做到實(shí)時(shí)跟蹤。

改造后的試驗(yàn)系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）中增加了1套可調(diào)節(jié)升降壓速率的裝置和精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)用水量的裝置。其中，壓力速率的調(diào)整裝置能夠精確控制升降壓的速率，減少由試驗(yàn)系統(tǒng)升降壓率不適宜所造成的誤差；精密用水量監(jiān)測(cè)裝置，可實(shí)時(shí)監(jiān)控升壓與用水量的關(guān)系，提高試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)樣品由于滲漏引發(fā)的額外供水消耗，從而準(zhǔn)確判斷故障時(shí)間。

通過(guò)試驗(yàn)樣品滲漏與用水量關(guān)系可準(zhǔn)確判斷樣品在水靜壓試驗(yàn)下滲漏和變形的時(shí)間和壓力。

工作原理：在水靜壓力試驗(yàn)過(guò)程中，壓力艙內(nèi)部壓力是通過(guò)高壓壓力活塞泵將常壓狀態(tài)的水注入壓力艙形成的，因此試驗(yàn)壓力艙內(nèi)部的壓力大小與注水量有著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通常狀態(tài)下了解實(shí)時(shí)注水量就可推算出試驗(yàn)壓力艙內(nèi)部的實(shí)時(shí)壓力。

在試驗(yàn)時(shí)，先將精密水位測(cè)量探頭放置在直徑固定的儲(chǔ)水箱中，并將水箱內(nèi)液位變化情況通過(guò)精密水位計(jì)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)連同壓力傳感器、變頻控制器、排簫控制器同時(shí)接入數(shù)據(jù)處理器，由數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行計(jì)算整理，而后顯示出2幅對(duì)應(yīng)的直角坐標(biāo)系的內(nèi)容與關(guān)系圖。它們分別是：縱軸為試驗(yàn)壓力橫軸為試驗(yàn)時(shí)間即坐標(biāo)系1、縱軸為試驗(yàn)壓力橫軸為儲(chǔ)水箱水位即坐標(biāo)系2。

圖4～圖7中，圖（a）均為壓力與時(shí)間關(guān)系坐標(biāo)圖，圖（b）均為液位曲線與時(shí)間關(guān)系坐標(biāo)圖。

由于水靜壓力試驗(yàn)系統(tǒng)中高壓柱塞泵的結(jié)構(gòu)決定著它只能以恒流方式向試驗(yàn)艙體注入水，若在試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)艙體內(nèi)的試驗(yàn)樣品出現(xiàn)滲漏，注入試驗(yàn)艙的液位會(huì)產(chǎn)生額外的用量，在升壓階段從圖4（a）可看到壓力曲線與試驗(yàn)艙體空載壓力曲線OA與實(shí)際壓力曲線OB在M點(diǎn)出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。同時(shí)從圖4（b）可以看到水箱液位曲線與試驗(yàn)艙體空載時(shí)的用水量曲線一致，但會(huì)延伸一部分。該分叉點(diǎn)M對(duì)應(yīng)的是試驗(yàn)樣品滲漏點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)壓力與試驗(yàn)時(shí)間。

在保壓階段如果試驗(yàn)樣品出現(xiàn)滲漏從圖5可看到實(shí)際保壓壓力曲線AD與空載保壓曲線AC在B點(diǎn)出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。同時(shí)從圖5可以看到水箱液位曲線與試驗(yàn)艙體空載時(shí)的水位保持曲線一致。該分叉點(diǎn)B就是試驗(yàn)樣品滲漏點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)壓力與試驗(yàn)時(shí)間。

水靜壓力試驗(yàn)中還要注意下列現(xiàn)象，在水靜壓力試驗(yàn)過(guò)程中，由于試驗(yàn)系統(tǒng)中長(zhǎng)時(shí)間使用的卸壓電磁閥也會(huì)因疲勞出現(xiàn)關(guān)不嚴(yán)的現(xiàn)象，導(dǎo)致升壓慢或者保壓時(shí)壓力下降，使實(shí)驗(yàn)人員誤認(rèn)為是樣品發(fā)生滲漏。該現(xiàn)象要與試驗(yàn)樣品的滲漏加以區(qū)分，具體方法如下：

在升壓階段，從圖6（a）可看到實(shí)際壓力曲線OB與試驗(yàn)艙體空載壓力曲線出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。但從圖6（b）可以看到水箱液位曲線與試驗(yàn)艙體空載時(shí)OA曲線在M點(diǎn)出現(xiàn)分叉，同時(shí)實(shí)際水箱水位線hOND與空載水位線hONF在N點(diǎn)出現(xiàn)分叉。

在保壓階段，從圖7（a）可看到實(shí)際壓力曲線OABD與試驗(yàn)艙體空載壓力曲線OABC在B點(diǎn)出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。從圖7（b）可以看到實(shí)際水箱液位曲線hOEFG與試驗(yàn)艙體空載曲線hOEFH在F點(diǎn)出現(xiàn)分叉同時(shí)實(shí)際水箱液位回升。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)特殊水聽(tīng)裝置分析音頻可以準(zhǔn)確判定殼體樣品的滲漏或者變形時(shí)的壓力與時(shí)間；

2）通過(guò)分析水靜壓力與液位曲線的關(guān)系可以準(zhǔn)確判定殼體樣品的滲漏或者變形時(shí)的壓力與時(shí)間。

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Discussion on underwater deformation and leakage detection method for seismic shell equipment

ZHANGQiang,LIU Ning,KONGWei-xuan,PANG Yong-chao
(National Center of Ocean Standard and Metrology,Tianjin 300112,China)

In this paper,the problems such as leakage and deformation of shell samples underwater pressure test are studied.Two kinds of method can be used to determine the deformation or leakage of shell.The result shows that:Through special water listening equipment can determine the shellsample leakage or deformation of the time and pressure;Test realtime pressure and liquid level curve is a one-to-one relationship,through the pressure and liquid,the relationship between the curves can determine the time and pressure of shellsamples′leakage and deformation.

water pressure；pressure hull

U663

A

1672–7649(2017)12–0044–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.010

2017–04–20；

2017–08–03

張強(qiáng)(1963–)，男，高級(jí)工程師，主要從事海洋儀器環(huán)境工程研究。