饱和潜水系统试验气体估算方法

朱传美， 樊 斌， 陈 超

(中船黄埔文冲船舶有限公司， 广东 广州510715)

0 引 言

为确保潜水员生命安全，在饱和潜水系统安装后须分别进行气体泄漏试验和功能试验以检测系统的可靠性，在此过程中需用到大量氦气、氮气、氧气等气体。其中，氦气是一种昂贵的不可再生气体，我国可开发的氦气气源很少，只能供应少量的科研项目使用，其他氦气都需从国外进口，价格较高，且试验用气体因氦气混合了其他气体，分离氦气需要专业厂家和专业设备操作，分离成本非常高，船厂潜水系统试验用气在试验结束后氦气往往基本不再回收利用。对于船厂来说，试验用氦气的购买是必须考虑的建造成本之一。

1 试验要求及试验项目

根据船级社规范[1-3]和厂家的试验程序[4-7]，在潜水系统调试期间，主要有下列几项试验需用到大量氦气：气体泄漏试验和环境控制系统、自动饱和系统、气体回收系统的功能性试验等。

以某船24人双潜水钟300 m饱和潜水系统为例,具体分析潜水系统试验用气的估算。

常压下的气体体积计算公式为

Q=Qe·P

(1)

式中：Q为1个标准大气压下的气体体积， m3；Qe为存放气体设备的容积， m3；P为气体存放设备的工作压力，bar (1 bar=0.1 MPa)。

2 气体泄漏试验

2.1 试验要求

根据DNV-OS-E-402 J303[1]要求：最大允许工作压力下进行气体储存、居住生活压力舱、过渡舱、潜水钟和生命支持等装置的气体泄漏试验，试验在温度不变的前提下， 在24 h内压降不超过1%即为合格(气体温度变化与压力变化有对应关系，此处不作赘述)。试验气体要求含10%的氦气，气体泄漏试验最少需要保持压力6 h。

结合DNV规范要求和气体成本，船厂选择使用10%氦气+90%氮气组成的混合气体作为泄漏试验气体。

在气体泄漏试验中，主要有下列项目需要检验：

(1) 潜水钟、居住生活压力舱和过渡舱泄漏试验。

(2) 潜水系统储气瓶泄漏试验。

(3) 气体管路泄漏试验。

根据厂家设备资料[8-9]和饱和潜水系统气体原理图[10]，需要充气进行泄漏试验的潜水设备容积如表1和表2所示。

表1 饱和潜水设备容积

表2 气体储存装置

2.2 试验所用气体估算

(1) 潜水钟、居住生活压力舱和过渡舱泄漏试验气体估算

根据设备厂家提供的饱和潜水系统气体泄漏试验程序[4]，选择试验程序中单次试验所需气体最多的试验设备(过渡舱+逃生通道+救生艇对接筒体+救生艇)来计算试验气体用量，如图1所示。

图1 饱和潜水系统气体泄漏试验

根据表1和图1，单次泄漏试验设备总容积计算公式为

Qt=2Qe1+2Qe2+2Qe3+2Qe4

(2)

式中：Qt为单次泄漏试验设备总容积， m3；Qe1为过渡舱容积， m3；Qe2为逃生通道容积， m3；Qe3为救生艇容积， m3；Qe4为救生艇对接筒体容积， m3。

根据表1的设备容积，计算总容积Qt=2×38.0 m3+2×5.7 m3+2×16.0 m3+2×0.8 m3=121.0 m3。

根据DNV船级社规定的气体泄漏试验的气体混合比例及式(1)可知，在标准大气压下所需氦气及氮气的计算式为

Qh= 10%Qt·P·(1+K)

(3)

Qn= 90%Qt·P·(1+K)

(4)

式中：Qh为标准大气压下氦气容积， N·m3；Qn为标准大气压下氮气容积, N·m3；K为试验气体余量及耗损因数，可以根据公司自身状况考虑因数大小。

根据表1的工作压力和式(2)，考虑10%的气体余量和15%的气体耗损，在标准大气压下：所需氦气用量Qh=10% ×121.0 m3×32 bar×1.25=484 N·m3;所需氮气用量Qn= 90%×121.0 m3×32 bar×1.25=4 356 N·m3。

(2) 潜水系统储气瓶泄漏试验气体估算

由于气体泄漏试验用到的气体成分和混合比例相同，为节约成本，可将上述试验气体回收至储气瓶储存起来用于储气瓶的气体泄漏试验。气体泄漏试验回收气体所需储气瓶个数计算式为

N1=(Qh+Qn)·(1-K)/Q

(5)

式中：N1为储气瓶个数。

根据表2的储气瓶容积和工作压力，单个储气瓶可储存最大标准气体Q=2.9 m3×200 bar =580 N·m3。

根据式(5)可计算出所需储气瓶数量N1= (484 N·m3+4 356 N·m3)×(1-0.25)/580 N·m3≈7瓶。

由于储气瓶的工作压力为200 bar，在没有专用的高压大功率充气工装时，一般利用潜水系统配置的2台专用高压气体压缩机(工作压力为200 bar)和气体增压泵(最大工作压力为300 bar)进行气瓶充气。根据实践，使用高压气体压缩机和气体增压泵充满1个储气瓶(压力达200 bar)约需4～6 h，如果检验工具足够(需不间断检测气体是否泄漏最少6 h)，最多可使用3个储气瓶同时进行气体泄漏试验，因此，用于潜水钟、居住生活压力舱和过渡舱气体泄漏试验的混合气体足够完成储气瓶的气体泄漏试验，不需再多考虑气体估算。

(3) 气体管路泄漏试验

由于气体管路泄漏试验气体与上述泄漏试验气体相同，且气体管路泄漏试验所需气体量较小，因此在进行气体估算时可不考虑气体管路泄漏试验用气量。

3 系统功能试验

根据船级社规范和厂家试验程序要求，在单个设备安装调试后，需模拟实际最大工作水深时所用的氦氧混合气体进行环境控制系统功能试验、自动饱和系统功能试验和回收系统功能试验，所用试验气体为98%氦气+2%氧气的氦氧混合气体[5-7]。

潜水系统功能试验所需氦氧混合气体容积计算式为

Qf= (Q5+Q6+Q7)·F

(6)

式中：Qf为标准大气压下功能试验所需氦氧混合气体容积, N·m3；Q5为环境控制系统功能试验所需氦氧混合气体容积, N·m3；Q6为自动饱和系统功能试验所需氦氧混合气体容积, N·m3；Q7为气体回收系统功能试验所需氦氧混合气体容积, N·m3；F为同步因数，为加快试验周期，可以选择功能试验同时进行或部分同时进行或单独进行，根据试验经验，同步因数取值为0.8。

3.1 环境控制系统功能试验气体估算

环境控制系统功能试验为模拟300 m水深的潜水员的工作环境，试验最坏情况下环境控制设备对潜水员居住生活压力舱内的温度、湿度、二氧化碳去除等环境控制功能。单次试验涉及1个居住生活压力舱、2个环境控制单元及加热器、制冷器和系统管路。

根据表1的居住生活压力舱设备容积和工作压力，参照式(1)，可计算出在标准大气压下单个居住生活压力舱所需氦氧混合气量Qo= 38.0 m3×32 bar=1 216 N·m3；单个储气瓶所能容纳标准气量Q=2.9 m3×200 bar=580 N·m3；单个居住生活压力舱试验气体所需储气瓶数量N2=1 216 N·m3/580 N·m3≈3瓶。

根据饱和潜水气体系统原理图，试验时储气瓶中的混合气体残留压力为60 bar，单个储气瓶残留气体容量Qc= 2.9 m3×60 bar=174 N·m3。

根据上述计算结果，考虑5%的管路气体余量和15%的气体耗损，环境控制系统功能试验所需氦氧混合气体容积Q5=(1 216 N·m3+3×174 N·m3)×(1+5%+15%)≈2 086 N·m3。

3.2 自动饱和系统功能试验气体估算

自动饱和系统功能试验为模拟饱和系统如居住生活压力舱、过渡舱、逃生通道、救生艇及其他饱和系统相关设备在300 m工作水深下的各项功能测试。该项功能试验气体计算过程和用气量与环境控制系统功能试验相同，即自动饱和系统功能试验所需气体用量Q6为2 086 N·m3。

3.3 气体回收系统功能试验

气体回收系统功能试验为模拟300 m工作水深下气体回收系统各设备功能运行试验，根据试验程序要求，试验前需对气体回收装置充气。根据表2的气体回收装置储气瓶容积和工作压力，参照式(1)，可知其充气量QI= 0.5 m3×250 bar=125 N·m3。

考虑到15%的气体耗损，气体回收系统功能试验所需气体Q7= 125 N·m3×1.15≈144 N·m3。

3.4 潜水系统功能试验用气总量

根据式(6)和上述各功能试验所需气体计算结果，潜水系统功能试验所需氦氧混合气体总容积Qf=(Q5+Q6+Q7)·F=(2 086 N·m3+2 086 N·m3+144 N·m3)×0.8≈3 453 N·m3，其中氦气容积Qh=0.98×3 453 N·m3≈3 384 N·m3。

另外，在进行饱和潜水系统海上试验时，同样需用98%氦气+2%氧气的氦氧混合气体模拟额定水深下的潜水钟下放试验和潜水钟内通信系统试验[1]，但用气量不会超过上述最大单一系统功能试验气体用量，因此，海上试验时可再次利用上述功能试验气体，不需额外再增购海上试验气体。

4 其他试验气体

饱和潜水气体试验除了第2节和第3节提及的不同比例及成分的混合气体外，试验中还需用到其他气体。

4.1 纯净氮气

用途：(1)气体管路清洁试验后的干燥试验；(2)居住生活压力舱消防灭火试验；(3)潜水钟气体回收试验。

根据厂家试验程序要求，约需氮气总量为 5 000 N·m3。

4.2 纯净氧气

用途：(1)气体回收系统功能试验；(2)饱和系统功能试验；(3)潜水钟充气板、救生艇充气板功能试验。

根据厂家试验程序要求，约需氧气总量为30 N·m3。

4.3 校验气体

(1) 纯净氦气(非回收氦气)。

(2) 氦气、氧气、二氧化碳混合气体(含氧量10%～30%，含二氧化碳100～5 000 mg/L)。

(3) 参考气体：纯净氮气。

(4) 一氧化碳校准气体：含20.9%氧气，含5 mg/L 的一氧化碳的氮气。

根据厂家试验程序要求，上述校准气体每种需准备至少各1个10 L和50 L、最大工作压力为200 bar 的储气瓶。

5 结 论

根据试验要求和计算结果，潜水系统气体泄漏试验所需氦气约484 N·m3，所需氮气约4 356 N·m3，功能试验所需氦气约3 384 N·m3，其他用氮气约5 000 N·m3。整个饱和潜水系统试验需要购买氦气量约3 868 N·m3，氮气及其他气体约 10 000 N·m3。估算结果表明,潜水系统试验阶段所需氦气等试验气体用量巨大、成本较高。针对饱和潜水支持船，通过实船验证，介绍饱和潜水系统气体试验项目并给出试验气体计算方法，可作为潜水支持船的成本评估或试验气体准备的参考。