国内通用水压试验标准内容对比分析

孔维轩，刘宁，林煦淏，于建清

（1.国家海洋标准计量中心，天津 300112；2.海洋计量检测技术创新中心，天津 300112）

引言

水压试验是海洋仪器在研发过程中常用的一种环境适应性测试手段。它是以水为介质对仪器施加规定的压力，在实验室内模拟水下受压情况，激发仪器的潜在故障，发现设计、制造过程中的不合格材料、元器件，以及不适宜的工艺缺陷等早期故障，从而提高仪器对深水耐压环境的适应性，降低外场应用失败的风险。

近年来，随着我国海洋事业的迅速发展，各类水下仪器呈现出井喷式的发展状态。用户也越来越重视水压试验的作用，并将其作为仪器验收的一个必要环节。为此，各生产厂商分别依据（GB/T 32065.15-2019《海洋仪器环境试验方法 第15 部分：水压试验》[1]、GB/T 2423.38-2008《电工电子产品环境试验 试验R：水试验方法和导则》[2]、GB/T 9359-2016《水文仪器基本环境试验条件及方法》[3]、GJB 23.2-1984《声纳换能器静水压力试验》[4]）4 类通用试验标准开展了各式各样的测试。但就水压试验的适用范围、试验压力和过程控制要求等问题，各标准的论述都不一致，而用户对水压试验有关问题的认识也不一致。为此，有必要对我国4 类通用水压试验标准做一比较，以帮助用户正确理解和使用各相关标准。

1 水压试验的发展情况

1.1 标准演变过程

水压试验起源于热力锅炉的出厂内压测试和石化高压反应釜的出厂密闭性测试[5]。此类测试以水为介质，可以提供高达上百兆帕的均匀压力，能够模拟深海压力情况，在上世纪80年代此方法被逐步引入水下航行器的结构测试领域。早期环境适应性试验中涉及水压试验的标准主要是GB/T 32065.15、GB/T 2423.38、GB/T 9359 和GJB 23.2这四类，其起源均可追溯至上世纪80年代。此后，由于各标准的应用发展情况不同，分别经历了多次内容修订和更改，这4 个标准的具体发展历程如图1 所示。

图1 标准发展历程图

通过对比可知，GJB 23.2 自实施起未再进行后续修订一直沿用至今，GB/T 2423.38 一直与IEC 60068-2-18保持同步采标状态，GB/T 9359 和GB/T 32065.15 根据我国水文仪器和海洋仪器的发展情况一直保持着修订和完善状态。

1.2 各标准适用范围

由于我国自研水下仪器种类繁多，但批量较小，造成早期海洋仪器研发没有集中的牵头行业。长久以来，国内各涉海高校、研究所、中船重工相关公司、水利部下属企业等均有开展此类业务。这就造成测试引用的4类水压标准适用范围不尽一致，具体内容见表1。

表1 水压试验标准适用范围对比表

从表1 可看出，目前国内主要水压试验标准的目的基本类似。试验大多是检验仪器主耐压壳体、承压元器件能否支撑预期的设计压力，验证密封工艺是否合理，同时还可检验在高压环境下仪器的实时工作情况。

2 水压试验的类型

2.1 试验方式的分类

水压试验常见的分类有两种，即恒定压力的静态试验和交变压力的动态试验[6]。

恒定压力试验[5]是指测试期间只有一个“升压-保压-降压”过程。试验主要是为了检测仪器选材是否合格，壳体壁厚设计是否合理，密封部位及连接部位是否有效等，还可以对定型产品进行周期性的复检。

交变压力试验[5]是指测试期间周期性的实施多个“升压-保压-降压”过程。试验通过压力的周期性变化，检测多种材料安装配合工艺是否合理，密封部位及自紧装置经过多次使用是否有效，并且还可通过交变压力试验加速检验新设计、定型产品的水下环境适应性。此外，对于实际使用中需要频繁投入深海并回收的仪器，此类试验可以有效的模拟其水下压力变化过程，进而全面检测仪器性能。

2.2 各标准试验类型

因4 个标准分别适用不同的仪器，为便于使用者开展试验和控制研发成本，各标准在应用时可结合测试仪器工作环境的风险等级，针对各自领域推荐了适宜的试验类型。具体情况见表2 所示。

表2 标准试验类型对比表

通过内容分析可知，GB/T 2423.38 和GB/T 9359 在试验时将被测仪器作为一个整体考虑，忽略承压部件由于不同材质之间相互作用引起的故障。GJB 23.2 和GB/T 32065.15 在试验时重点考虑了新型水下仪器由不同材质组成，各自因变形量不同引起的故障隐患。同时由于GJB 23.2 涉及的换能器和GB/T 32065.15 涉及的回收式海洋仪器在实际使用中会遇到频繁发生的深度变化情况，交变压力会进一步激发这类问题，达到故障复现的效果。

3 水压试验的压力值

3.1 试验压力值的演变过程

水压试验中测试仪器选取试验压力等级的三个核心要素是工作压力、试验压力和设计压力[7]。这些参数最早是借鉴压力容器领域的测试模式得来。在GB 150《压力容器》和《压力容器安全技术监察规程》中曾出现过相对于工作压力值1.12 倍、1.25 倍和1.5 倍的试验压力值[8]。测试仪器能经受的试验压力越高，安全系数就越大，相应设计成本也越高，整体质量也越重。由于水下仪器往往对总重量有明确的要求和限制，因此设计时不能单一加大安全余量而无节制的提高试验压力。此时需要结合其实际工作深度选取适宜的试验压力值，既保证仪器的安全性，又控制耐压壳体的质量。

3.2 各标准试验压力值

本文提及的试验标准给出三种试验压力确定方式：一种是直接给定试验压力值，一种是结合工作深度选取近似试验压力值，最后一种是按仪器的工作深度推荐安全倍数确定试验压力值。各标准的具体试验压力选取情况见表3。

表3 试验压力分析说明表

通过内容对比可知，GB/T 2423.38 和GB/T 9359使用时参考仪器的实际工作深度，选取高于其深度的试验条件开展测试，前者适用于深度小于1 000 m 的仪器，后者适用于深度小于200 m 的仪器。GJB 23.2使用时按仪器种类直接选取给出的固定测试值即可，适用于深度小于450 m 的仪器。GB/T 32065 使用时参照仪器的实际工作深度，选取1.25 倍系数作为最高试验压力，适用于全海深11 000 m 使用的仪器。标准之间相比，GB/T 32065.15 兼顾恒定压力和交变压力，同时试验压力值可相对灵活选取，适用自由度最大。

4 水压试验的过程和时间

4.1 GJB 23.2-1984 主要过程

该标准选用交变压力试验方式，将被测仪器划分为水面舰艇用仪器、潜艇用仪器和变深声纳仪器三类，试验流程图见图2。各类仪器的具体试验过程如下：

图2 GJB 23.2-1984 试验过程示意图

1）水面舰艇仪器：①升压至0.5 MPa，保持2 h；②降压至0，保持2 h；①+②为一个试验循环，总计实施2 次循环。

2）潜艇仪器：①浸水0 MPa，保持1 h；②升压至3 MPa，保持1 h；③降压至0；①+②+③为一个试验循环，总计实施4 次循环；④最后再升压至3.6 MPa，保持1 h；⑤升压至4.5 MPa，保持0.25 h；⑥降压至0。

3）变深声纳：参考潜艇仪器过程，试验压力为工作压力的1.5 倍。

试验期间，潜艇用设备在升压过程中每1 MPa 需保持5 min，用于减缓压力冲击，其余两类仪器无需分阶段停机。标准对升降压速率无控制要求，由用户自行掌握。

4.2 GB/T 2423.38-2008 主要过程

该标准选用恒定压力试验方式，试验流程图见图3。具体试验过程如下：

图3 GB/T 2423.38-2008 试验流程示意图

①升压至试验压力值p，恒压保持t（可选2 h、24 h、168 h）；②降压至0；①+②为一个完整的试验过程。

试验期间对升降压速率无控制要求，由用户自行掌握。升压过程中无需分阶段停机保持。

4.3 GB/T 9359-2016 主要过程

该标准选用恒定压力试验方式，试验流程图见图4。具体试验过程如下：

图4 GB/T9359-2016 试验过程示意图

①升压至25 % p（试验压力值），恒压保持t（可选30 min、1 h、2 h、8 h）；②升压至50 % p，保持t；③升压至75 % p，保持t；④升压至100 %p，保持t；⑤降压至0；①+②+③+④+⑤为一个完整的试验过程。

试验期间升降压速率要求≤0.05 MPa/min，用于模拟仪器下放回收速度，避免快速压力变化。

4.4 GB/T 32065.15-2019 主要过程

该标准兼顾恒定压力试验和交变压力试验方式，用户根据仪器结构和材料选取适宜的方法，试验流程图见图5。各类仪器的具体试验过程如下：

图5 GB/T 32065.15-2019 试验过程示意图

1）恒定压力：①升压至试验压力值p，恒压保持T（可选1 h、2 h、4 h、8 h）；②降压至0；①+②为一个完整的试验过程。

2）交变压力：①升压至高压阶段试验压力值p，恒压保持T（可选0.5 h、1 h、2 h、4 h）；②降压至低压阶段试验压力值（可选0、10 %p、20 %p、50 %p），恒压保持t（可选5 min、15 min、30 min）；①+②为一个试验循环，总计实施3 次或6 次或9 次循环。

试验期间升压速率要求≤2 MPa/min，降压速率要求≤20 MPa/min，用于避免形成瞬时压力冲击，引起不同材料之间发生变形不同步的故障。

5 水压试验的辅助参数

5.1 试验介质

水压试验以压力为首要作用应力，虽然真实使用环境中海水占据绝大多数情况，但考虑海水易对试验设备和耐压管路造成腐蚀，试验成本较高且存在安全隐患，故选取淡水或清洁的自来水即可满足试验要求。

5.2 介质温度

试验时，一般将水温控制在（5～35）℃之间，同时要求被测仪器与试验介质的温差小于5 ℃。这样可以避免低温引起的材料脆性形变，进而干扰试验结果。同时，按照GB 150-2011和《容规》1999 版的建议，试验时耐压容器和环境温度一般推荐高于15 ℃，这样可以减少钢制耐压试验舱发生脆性破坏的风险，提高水压试验的安全性[9]。

5.3 压力表

试验中使用压力表的量程一般以试验最大压力的1.5 倍为宜，这样可使压力值实时处于压力表的最佳量程之内，减小试验过程中由于压力扰动引起的干扰。因此，建议针对不同的试验情况，合理更换不同量程的压力表。

为保证试验的精度和有效性，GB/T 32065.15 推荐试验中选用的压力表准确度应优于1 级。如条件允许可选取精度更高且带阻尼功能的压力表作为试验系统的压力监控或控制标准器。日常试验时，建议10 MPa 以下的试验可选用0.4级精度，10 MPa以上的试验可选用1级精度。此外，为减少压力表波动度引起的试验误差，还可将压力试验分成三个不同的试验等级，并在各等级之中分别设立波动度要求，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。如此可进一步保障水压试验在不同阶段的精度，避免单一精度要求的不适用性。

6 不同水压标准使用中注意事项

本文提及的4 项标准是我国开展水压试验的主要测试依据。使用者在依据其编制试验大纲，开展仪器测试时应注意以下几个问题：

1）由于水压试验的一个重要作用是用于仪器验收，试验单位在选取试验标准时首先要明确用户的验收需求。首选的试验依据标准需与用户研发合同中的要求保持一致，如此开展的验证试验方可符合验收要求。

2）试验的时机推荐在仪器耐压壳体和承压部件完成精加工后便开展首次耐压测试[10]。此时的目的是进行理论强度与材料加工一致性验证，以及进行密封工艺的考察。当此环节无隐患后，再开展整机带压性能测试，验证带压条件下的电性能和机械性能是否达到预期要求。

3）试验压力可依据实际工作深度给予一定的安全余量，不必每次试验都选取仪器的极限耐压值开展测试。考虑金属材料的疲劳性，建议首次摸底测试之后，不再进行极限值测试。

4）水压试验期间，存在被测试仪器发生结构失衡，瞬间压垮产生瞬时压力冲击的情况。建议试验方采取相应的预防措施，可通过减少被测试仪器的内空间或加装防冲击部件减缓此类情况对测试耐压舱的损伤。

5）由于环境适应性试验结束后不给出合格性判据，推荐测试方和用户在试验前详细商定试验期间的测试内容，以便细化试验结果描述，增强试验报告的说明性。

7 结束语

由于不同水压试验标准的适用范围不同，在测试过程中的具体要求也存在差别，我们在挑选试验标准前需全面了解仪器验收的具体要求。本文通过对GJB 23.2、GB/T 2423.38、GB/T 9359 和GB/T 32065.15 四项标准开展内容分析与对比，给出了各标准的具体实施流程和使用注意事项，为客户开展水压试验提供支持，指导相关生产、检验单位和用户开展仪器的研发检验和验收工作。