海洋用耐壓殼體設備水下變形及滲漏檢測方法探討

張 強，劉 寧，孔維軒，龐永超

(國家海洋標準計量中心，天津 300112)

海洋用耐壓殼體設備水下變形及滲漏檢測方法探討

張 強，劉 寧，孔維軒，龐永超

(國家海洋標準計量中心，天津 300112)

本文針對殼體類試驗樣品在水靜壓力試驗下的滲漏及變形等問題展開研究，提出2種能夠準確判定殼體類樣品在水靜壓力試驗中何時何等壓力條件下發生變形或滲漏的方法。通過試驗得出以下結論：通過特殊研制的水聽裝置能夠判斷殼體樣品發生滲漏或變形的時間以及壓力；試驗實時壓力與液位曲線存在一一對應關系，通過壓力與液位曲線的關系能夠判斷樣品發生滲漏或變形的時間以及壓力。

水靜壓力；耐壓殼體

0 引 言

近年來，深海儀器設備被廣泛應用于海洋科考與資源探測[1–5]。深海儀器設備的造價是海洋表面水文勘測儀器設備造價的數倍甚至數十倍，其增加的造價主要集中在深海儀器的殼體結構設計、殼體選材、機械加工等方面。由于深海儀器設備結構比較復雜，為兼顧殼體耐壓強度和減輕自身重量，所以構成殼體的材料多為金屬和非金屬的復合體。同時，在殼體設計過程中由于設計人員理念與側重點不同，所選用的公式以及安全余量參數各有區別，故會導致設計結果出現偏差[6]。因此水靜壓力試驗就成為廣大殼體設計者公認的驗證其設計合理性的唯一有效方法。但傳統水靜壓力試驗亦存在以下問題：

傳統水靜壓力試驗方法工作流程[7–8]：先將試驗樣品放入注滿水的壓力試驗艙內，待鎖緊壓力密封艙端蓋后開啟活塞壓力泵，此時向壓力試驗艙內部注水使其達到設計預定值并保壓至設計需要時間，然后卸壓打開密封端蓋并取出試驗樣品。此后，在常壓環境下首先觀測試驗樣品外觀是否良好，然后再打開試驗樣品自身密封端蓋觀測其內部是否有滲漏。若試驗樣品外觀無變形、內部無滲漏，則滿足設計要求；若試驗樣品外觀出現變形、內部出現滲漏，則不滿足設計要求，但設計人員無法明確判斷何時出現故障。

由于傳統水靜壓力試驗只能等試驗結束取出試驗樣品后，試驗與設計人員才能對其進行外觀與內部的檢測，故無法得知試驗樣品是在試驗過程中何時出現的問題，更無法準確得知試驗樣品是在何等壓力下出現了問題。此外，在試驗過程中，試驗壓力艙的升降壓速率過快也會導致試驗樣品出現滲漏。最后，如果試驗樣品在試驗過程中出現滲漏并將殼體注滿，但在試驗結束壓力艙的壓力歸零，而殼體內部的壓力沒有歸零時，這部分殘余壓力還會在試驗或設計人員開啟試驗樣品進行后期檢查時造成人身傷害。由于上述未知參數較多，殼體設計人員要制作大量試驗用殼體，通過數次或數十次水靜壓力試驗才能設計出合格的耐壓殼體，這將耗費大量設計資金與大量的設計時間，同時還存在著安全隱患。

為減少工程技術人員在耐壓殼體設計的成本、縮短研發周期，提出2項改進水靜壓力試驗的方法。

1 特殊水聽監測裝置測試判斷

第1項改進方法是在傳統水靜壓力試驗系統中增加1套特殊水聽裝置，用于收集試驗樣品在水靜壓力試驗過程中，由于樣品實時變形或達到變形臨界點產生共振以破裂所發出的音頻信息。該水聽器為特殊研制型號，由壓電陶瓷元件構成，外層硫化1層水密橡膠，與電纜整體硫化。音頻信息通過配套分析軟件進行分析，試驗中所測量音頻信號的頻率值或幅度值一旦出現或超出預設值具備聲光報警并記錄。

在水靜壓力試驗中試驗人員通過音頻信息進行分析，不僅能確定樣品是在試驗何階段發生故障，還能監測得到故障壓力和對應的試驗時間；而設計人員也可通過分析音頻信息對試驗樣品進行改進。試驗裝置改進結構如圖1所示。

樣品在試驗過程中利用簡單水聽器也能測得故障發生的時間和壓力值，但該測量誤差較大，會給殼體設計人員帶來不必要的困惑。原因是在水靜壓力試驗過程中樣品會在壓力作用下出現2種形變情況：一種是可回復形變（即設計允許范圍內）的變化，該變形隨著試驗的結束可自身恢復；另一種是不可回復形變，此變形會隨著壓力和試驗的變化最終影響樣品出現振動，當振動引起樣品自身共振并持續時間足夠時，最終會引起結構失衡。若此振動的頻率與振幅積累到一定程度時，即便試驗壓力不再增加，樣品經過一段時間后也會出現破裂。因此殼體設計人員應該從樣品出現危險頻率域危險振幅所對應的壓力和時間點進行耐壓強度加強分析，而不是從樣品出現破裂所對應的壓力與時間的增加耐壓強度。

2 試驗壓力與液位曲線對比監測判斷

在傳統水靜壓力試驗（試驗裝置見圖2）過程中，僅對試驗樣品發生嚴重變形或破損易于監測時間，對微量滲漏、變形是在何時、何等壓力下發生，無法做到實時跟蹤。

改造后的試驗系統（見圖3）中增加了1套可調節升降壓速率的裝置和精準監測試驗用水量的裝置。其中，壓力速率的調整裝置能夠精確控制升降壓的速率，減少由試驗系統升降壓率不適宜所造成的誤差；精密用水量監測裝置，可實時監控升壓與用水量的關系，提高試驗過程中試驗樣品由于滲漏引發的額外供水消耗，從而準確判斷故障時間。

通過試驗樣品滲漏與用水量關系可準確判斷樣品在水靜壓試驗下滲漏和變形的時間和壓力。

工作原理：在水靜壓力試驗過程中，壓力艙內部壓力是通過高壓壓力活塞泵將常壓狀態的水注入壓力艙形成的，因此試驗壓力艙內部的壓力大小與注水量有著一一對應關系，通常狀態下了解實時注水量就可推算出試驗壓力艙內部的實時壓力。

在試驗時，先將精密水位測量探頭放置在直徑固定的儲水箱中，并將水箱內液位變化情況通過精密水位計轉化成電信號連同壓力傳感器、變頻控制器、排簫控制器同時接入數據處理器，由數據處理器進行計算整理，而后顯示出2幅對應的直角坐標系的內容與關系圖。它們分別是：縱軸為試驗壓力橫軸為試驗時間即坐標系1、縱軸為試驗壓力橫軸為儲水箱水位即坐標系2。

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

由于水靜壓力試驗系統中高壓柱塞泵的結構決定著它只能以恒流方式向試驗艙體注入水，若在試驗過程中試驗艙體內的試驗樣品出現滲漏，注入試驗艙的液位會產生額外的用量，在升壓階段從圖4（a）可看到壓力曲線與試驗艙體空載壓力曲線OA與實際壓力曲線OB在M點出現分叉現象。同時從圖4（b）可以看到水箱液位曲線與試驗艙體空載時的用水量曲線一致，但會延伸一部分。該分叉點M對應的是試驗樣品滲漏點所對應的試驗壓力與試驗時間。

在保壓階段如果試驗樣品出現滲漏從圖5可看到實際保壓壓力曲線AD與空載保壓曲線AC在B點出現分叉現象。同時從圖5可以看到水箱液位曲線與試驗艙體空載時的水位保持曲線一致。該分叉點B就是試驗樣品滲漏點所對應的試驗壓力與試驗時間。

水靜壓力試驗中還要注意下列現象，在水靜壓力試驗過程中，由于試驗系統中長時間使用的卸壓電磁閥也會因疲勞出現關不嚴的現象，導致升壓慢或者保壓時壓力下降，使實驗人員誤認為是樣品發生滲漏。該現象要與試驗樣品的滲漏加以區分，具體方法如下：

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

在保壓階段，從圖7（a）可看到實際壓力曲線OABD與試驗艙體空載壓力曲線OABC在B點出現分叉現象。從圖7（b）可以看到實際水箱液位曲線hOEFG與試驗艙體空載曲線hOEFH在F點出現分叉同時實際水箱液位回升。

3 結 語

1）通過特殊水聽裝置分析音頻可以準確判定殼體樣品的滲漏或者變形時的壓力與時間；

2）通過分析水靜壓力與液位曲線的關系可以準確判定殼體樣品的滲漏或者變形時的壓力與時間。

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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(1963–)，男，高級工程師，主要從事海洋儀器環境工程研究。