孔維軒，劉寧，林煦淏，于建清

（1.國家海洋標準計量中心，天津 300112；2.海洋計量檢測技術(shù)創(chuàng)新中心，天津 300112）

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)展狀態(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》[1]、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》[2]、GB/T 9359-2016《水文儀器基本環(huán)境試驗條件及方法》[3]、GJB 23.2-1984《聲納換能器靜水壓力試驗》[4]）4 類通用試驗標準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，各標準的論述都不一致，而用戶對水壓試驗有關(guān)問題的認識也不一致。為此，有必要對我國4 類通用水壓試驗標準做一比較，以幫助用戶正確理解和使用各相關(guān)標準。

1 水壓試驗的發(fā)展情況

1.1 標準演變過程

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[5]。此類測試以水為介質(zhì)，可以提供高達上百兆帕的均勻壓力，能夠模擬深海壓力情況，在上世紀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準主要是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80年代。此后，由于各標準的應(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 個標準的具體發(fā)展歷程如圖1 所示。

圖1 標準發(fā)展歷程圖

通過對比可知，GJB 23.2 自實施起未再進行后續(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 各標準適用范圍

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類水壓標準適用范圍不盡一致，具體內(nèi)容見表1。

表1 水壓試驗標準適用范圍對比表

從表1 可看出，目前國內(nèi)主要水壓試驗標準的目的基本類似。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。

2 水壓試驗的類型

2.1 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[6]。

恒定壓力試驗[5]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)品進行周期性的復(fù)檢。

交變壓力試驗[5]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，進而全面檢測儀器性能。

2.2 各標準試驗類型

因4 個標準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，各標準在應(yīng)用時可結(jié)合測試儀器工作環(huán)境的風險等級，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 標準試驗類型對比表

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，交變壓力會進一步激發(fā)這類問題，達到故障復(fù)現(xiàn)的效果。

3 水壓試驗的壓力值

3.1 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[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)過相對于工作壓力值1.12 倍、1.25 倍和1.5 倍的試驗壓力值[8]。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。

3.2 各標準試驗壓力值

本文提及的試驗標準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。各標準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11 000 m 使用的儀器。標準之間相比，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。

4 水壓試驗的過程和時間

4.1 GJB 23.2-1984 主要過程

該標準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：

圖2 GJB 23.2-1984 試驗過程示意圖

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為一個試驗循環(huán)，總計實施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為一個試驗循環(huán)，總計實施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。標準對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

該標準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：

圖3 GB/T 2423.38-2008 試驗流程示意圖

①升壓至試驗壓力值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保持。

4.3 GB/T 9359-2016 主要過程

該標準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：

圖4 GB/T9359-2016 試驗過程示意圖

①升壓至25 % p（試驗壓力值），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為一個完整的試驗過程。

試驗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

該標準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：

圖5 GB/T 32065.15-2019 試驗過程示意圖

1）恒定壓力：①升壓至試驗壓力值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0.5 h、1 h、2 h、4 h）；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5 min、15 min、30 min）；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≤2 MPa/min，降壓速率要求≤20 MPa/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。

5 水壓試驗的輔助參數(shù)

5.1 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。

5.2 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)生脆性破壞的風險，提高水壓試驗的安全性[9]。

5.3 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/T 32065.15 推薦試驗中選用的壓力表準確度應(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)控或控制標準器。日常試驗時，建議10 MPa 以下的試驗可選用0.4級精度，10 MPa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（0.1～1）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。

6 不同水壓標準使用中注意事項

本文提及的4 項標準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準時首先要明確用戶的驗收需求。首選的試驗依據(jù)標準需與用戶研發(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]。此時的目的是進行理論強度與材料加工一致性驗證，以及進行密封工藝的考察。當此環(huán)節(jié)無隱患后，再開展整機帶壓性能測試，驗證帶壓條件下的電性能和機械性能是否達到預(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商定試驗期間的測試內(nèi)容，以便細化試驗結(jié)果描述，增強試驗報告的說明性。

7 結(jié)束語

由于不同水壓試驗標準的適用范圍不同，在測試過程中的具體要求也存在差別，我們在挑選試驗標準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 四項標準開展內(nèi)容分析與對比，給出了各標準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。