舰船科学技术  2017, Vol. 39 Issue (12): 44-47   PDF    
海洋用耐压壳体设备水下变形及渗漏检测方法探讨
张强, 刘宁, 孔维轩, 庞永超     
国家海洋标准计量中心,天津 300112
摘要: 本文针对壳体类试验样品在水静压力试验下的渗漏及变形等问题展开研究,提出2种能够准确判定壳体类样品在水静压力试验中何时何等压力条件下发生变形或渗漏的方法。通过试验得出以下结论:通过特殊研制的水听装置能够判断壳体样品发生渗漏或变形的时间以及压力;试验实时压力与液位曲线存在一一对应关系,通过压力与液位曲线的关系能够判断样品发生渗漏或变形的时间以及压力。
关键词: 水静压力     耐压壳体    
Discussion on underwater deformation and leakage detection method for seismic shell equipment
ZHANG Qiang, LIU Ning, KONG Wei-xuan, PANG Yong-chao     
National Center of Ocean Standard and Metrology, Tianjin 300112, China
Abstract: In this paper, the problems such as leakage and deformation of shell samples under water 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 shell sample leakage or deformation of the time and pressure; Test real-time 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 shell samples′ leakage and deformation.
Key words: water pressure     pressure hull    

0 引 言

近年来,深海仪器设备被广泛应用于海洋科考与资源探测[15]。深海仪器设备的造价是海洋表面水文勘测仪器设备造价的数倍甚至数十倍,其增加的造价主要集中在深海仪器的壳体结构设计、壳体选材、机械加工等方面。由于深海仪器设备结构比较复杂,为兼顾壳体耐压强度和减轻自身重量,所以构成壳体的材料多为金属和非金属的复合体。同时,在壳体设计过程中由于设计人员理念与侧重点不同,所选用的公式以及安全余量参数各有区别,故会导致设计结果出现偏差[6]。因此水静压力试验就成为广大壳体设计者公认的验证其设计合理性的唯一有效方法。但传统水静压力试验亦存在以下问题:

传统水静压力试验方法工作流程[78]:先将试验样品放入注满水的压力试验舱内,待锁紧压力密封舱端盖后开启活塞压力泵,此时向压力试验舱内部注水使其达到设计预定值并保压至设计需要时间,然后卸压打开密封端盖并取出试验样品。此后,在常压环境下首先观测试验样品外观是否良好,然后再打开试验样品自身密封端盖观测其内部是否有渗漏。若试验样品外观无变形、内部无渗漏,则满足设计要求;若试验样品外观出现变形、内部出现渗漏,则不满足设计要求,但设计人员无法明确判断何时出现故障。

由于传统水静压力试验只能等试验结束取出试验样品后,试验与设计人员才能对其进行外观与内部的检测,故无法得知试验样品是在试验过程中何时出现的问题,更无法准确得知试验样品是在何等压力下出现了问题。此外,在试验过程中,试验压力舱的升降压速率过快也会导致试验样品出现渗漏。最后,如果试验样品在试验过程中出现渗漏并将壳体注满,但在试验结束压力舱的压力归零,而壳体内部的压力没有归零时,这部分残余压力还会在试验或设计人员开启试验样品进行后期检查时造成人身伤害。由于上述未知参数较多,壳体设计人员要制作大量试验用壳体,通过数次或数十次水静压力试验才能设计出合格的耐压壳体,这将耗费大量设计资金与大量的设计时间,同时还存在着安全隐患。

为减少工程技术人员在耐压壳体设计的成本、缩短研发周期,提出2项改进水静压力试验的方法。

1 特殊水听监测装置测试判断

第1项改进方法是在传统水静压力试验系统中增加1套特殊水听装置,用于收集试验样品在水静压力试验过程中,由于样品实时变形或达到变形临界点产生共振以破裂所发出的音频信息。该水听器为特殊研制型号,由压电陶瓷元件构成,外层硫化1层水密橡胶,与电缆整体硫化。音频信息通过配套分析软件进行分析,试验中所测量音频信号的频率值或幅度值一旦出现或超出预设值具备声光报警并记录。

在水静压力试验中试验人员通过音频信息进行分析,不仅能确定样品是在试验何阶段发生故障,还能监测得到故障压力和对应的试验时间;而设计人员也可通过分析音频信息对试验样品进行改进。试验装置改进结构如图1所示。

图 1 装载特殊水听设备的水静压力试验系统 Fig. 1 Water pressure test system with special water listening equipment

样品在试验过程中利用简单水听器也能测得故障发生的时间和压力值,但该测量误差较大,会给壳体设计人员带来不必要的困惑。原因是在水静压力试验过程中样品会在压力作用下出现2种形变情况:一种是可回复形变(即设计允许范围内)的变化,该变形随着试验的结束可自身恢复;另一种是不可回复形变,此变形会随着压力和试验的变化最终影响样品出现振动,当振动引起样品自身共振并持续时间足够时,最终会引起结构失衡。若此振动的频率与振幅积累到一定程度时,即便试验压力不再增加,样品经过一段时间后也会出现破裂。因此壳体设计人员应该从样品出现危险频率域危险振幅所对应的压力和时间点进行耐压强度加强分析,而不是从样品出现破裂所对应的压力与时间的增加耐压强度。

2 试验压力与液位曲线对比监测判断

在传统水静压力试验(试验装置见图2)过程中,仅对试验样品发生严重变形或破损易于监测时间,对微量渗漏、变形是在何时、何等压力下发生,无法做到实时跟踪。

改造后的试验系统(见图3)中增加了1套可调节升降压速率的装置和精准监测试验用水量的装置。其中,压力速率的调整装置能够精确控制升降压的速率,减少由试验系统升降压率不适宜所造成的误差;精密用水量监测装置,可实时监控升压与用水量的关系,提高试验过程中试验样品由于渗漏引发的额外供水消耗,从而准确判断故障时间。

图 2 传统水静压力试验装置 Fig. 2 Traditional water pressure test system

图 3 改进后水静压力试验系统 Fig. 3 Improved water pressure test system

通过试验样品渗漏与用水量关系可准确判断样品在水静压试验下渗漏和变形的时间和压力。

工作原理:在水静压力试验过程中,压力舱内部压力是通过高压压力活塞泵将常压状态的水注入压力舱形成的,因此试验压力舱内部的压力大小与注水量有着一一对应关系,通常状态下了解实时注水量就可推算出试验压力舱内部的实时压力。

在试验时,先将精密水位测量探头放置在直径固定的储水箱中,并将水箱内液位变化情况通过精密水位计转化成电信号连同压力传感器、变频控制器、排箫控制器同时接入数据处理器,由数据处理器进行计算整理,而后显示出2幅对应的直角坐标系的内容与关系图。它们分别是:纵轴为试验压力横轴为试验时间即坐标系1、纵轴为试验压力横轴为储水箱水位即坐标系2。

 

图4图7中,图(a)均为压力与时间关系坐标图,图(b)均为液位曲线与时间关系坐标图。

由于水静压力试验系统中高压柱塞泵的结构决定着它只能以恒流方式向试验舱体注入水,若在试验过程中试验舱体内的试验样品出现渗漏,注入试验舱的液位会产生额外的用量,在升压阶段从图4(a)可看到压力曲线与试验舱体空载压力曲线OA与实际压力曲线OBM点出现分叉现象。同时从图4(b)可以看到水箱液位曲线与试验舱体空载时的用水量曲线一致,但会延伸一部分。该分叉点M对应的是试验样品渗漏点所对应的试验压力与试验时间。

图 4 升压阶段壳体渗漏曲线 Fig. 4 The shell leakage curve at stage of pressure rising

在保压阶段如果试验样品出现渗漏从图5可看到实际保压压力曲线AD与空载保压曲线ACB点出现分叉现象。同时从图5可以看到水箱液位曲线与试验舱体空载时的水位保持曲线一致。该分叉点B就是试验样品渗漏点所对应的试验压力与试验时间。

图 5 保压阶段壳体渗漏曲线 Fig. 5 The shell leakage curve at stage of pressure maintenance

水静压力试验中还要注意下列现象,在水静压力试验过程中,由于试验系统中长时间使用的卸压电磁阀也会因疲劳出现关不严的现象,导致升压慢或者保压时压力下降,使实验人员误认为是样品发生渗漏。该现象要与试验样品的渗漏加以区分,具体方法如下:

在升压阶段,从图6(a)可看到实际压力曲线OB与试验舱体空载压力曲线出现分叉现象。但从图6(b)可以看到水箱液位曲线与试验舱体空载时OA曲线在M点出现分叉,同时实际水箱水位线hOND与空载水位线hONFN点出现分叉。

图 6 电磁阀疲劳引起的升压阶段压力下降曲线 Fig. 6 The curve of pressure dropping caused by fatigue of solenoid at stage of pressure rising

在保压阶段,从图7(a)可看到实际压力曲线OABD与试验舱体空载压力曲线OABCB点出现分叉现象。从图7(b)可以看到实际水箱液位曲线hOEFG与试验舱体空载曲线hOEFHF点出现分叉同时实际水箱液位回升。

图 7 电磁阀疲劳引起的保压阶段压力下降曲线 Fig. 7 The curve of pressure dropping caused by fatigue of solenoid at stage of pressure maintenance
3 结 语

1)通过特殊水听装置分析音频可以准确判定壳体样品的渗漏或者变形时的压力与时间;

2)通过分析水静压力与液位曲线的关系可以准确判定壳体样品的渗漏或者变形时的压力与时间。

参考文献
[1] 石新刚, 苏强. 投弃式海洋仪器设备发展现状[J]. 声学与电子工程, 2015 (4): 46–48.
SHI Xingang, SU Qiang. Development Status of Disposable Marine Instrument and Equipment[J]. Acoustics and Electronics Engineering, 2015 (4): 46–48.
[2] 钱洪宝, 徐文, 向长生. 海洋仪器装备研发中的质量控制管理[J]. 海洋开发与管理, 2014 (09): 58–61.
QIAN Hongbao, XU Wen, XIANG Changsheng. Quality Control and Management of Marine Equipment and Equipment[J]. Ocean Development and Management, 2014 (09): 58–61.
[3] 王军成, 刘岩. 发展海洋监测高新技术振兴海洋仪器行业[J]. 山东科学, 2006 (05): 1–6.
WANG Juncheng, LIU Yan. Developing marine monitoring technology promoting marine instrument industry[J]. SHANGDONG SCIENCE, 2006 (05): 1–6. DOI: 10.3969/j.issn.1002-4026.2006.05.002
[4] 钱洪宝, 徐文, 张杰, 等. 对海洋仪器设备规范化海上试验的认识与思考[J]. 海洋通报, 2016 (04): 386–389.
QIAN Hongbao, XU Wen, ZHANG Jie, et al. Overview and further thoughts on the standardized sea trials for marine instruments[J]. MARINE SCIENCE BULLETIN, 2016 (04): 386–389.
[5] 赵峰. 海洋平台及设备可靠性的评价与监测[J]. 石油机械, 2000 (11): 53–55.
ZHAO Feng. Evaluation and Monitoring of Ocean Platform and Equipment Reliability[J]. China Petroleum Machinery, 2000 (11): 53–55. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4578.2000.11.017
[6] 唐怀杰. 压力容器设计技术的研究[J]. 装备制造技术, 2014 (03): 206–208.
TANG Huaijie. Research on Design of Pressure Vessel[J]. Equipment Manufacturing Technology, 2014 (03): 206–208. DOI: 10.3969/j.issn.1672-545X.2014.03.075
[7] 刘宁, 孔维轩, 张强, 刘士栋, 庞永超, 等. 水静压力对水密耐压电缆体积变化的影响[J]. 舰船科学技术, 2016, 38 (S1): 90–92.
LIU Ning, KONG Weixuan, ZHANG Qiang, LIU Shidong, PANG Yongchao, et al. The Influence of Water Pressure on Volume Change Rate of Watertight Cable[J]. Ship Science and Technology, 2016, 38 (S1): 90–92.
[8] HY T 016. 15-1992海洋仪器基本环境试验方法试验Q:水静压力试验[S].
HY T 016. 15-1992 The basic method of environmental test for ocean instruments. Hydrostatic pressure test[S].