一种水下设备内外压测试装置及实验方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，具体涉及一种水下设备内外压测试装置及实验方法。

背景技术

开发海洋需要大量水下设备，而国内的水下设备检测实验室处于刚起步阶段，尚未形成规模化和产业化。开展水下设备检测工作，是为适应新形势下产品质量检验工作的需要，对我国发展海洋工程设备、水下生产系统设备及海底矿产资源开发设备的研究与制造，都具有重要的技术支撑作用。深水高压舱是用于水下设备产品质量检测的重要设备，现有深水高压舱主要用于对水下机器人、深海装备等进行耐压结构考核、水密性试验等，无法真正有效模拟水下设备在深海中的工作状态。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服现有水下设备检测设备无法真正有限模拟水下设备在深海中工作状态的缺陷，提供一种能够为水下设备提供液压和气压动力单元，以模拟水下设备在深海中通气压或者液压等工作状态的水下设备内外压测试装置及实验方法。

本水下设备内外压测试装置包括用于检测水下设备的高压舱，用于为所述高压舱提供模拟深海环境条件的液控系统和气密系统，用于控制测试实验条件的控制系统；其中，所述高压舱包括主舱体和分别设置在所述主舱体两端的固定球形端盖和活动球形端盖，所述固定球形端盖焊接在主舱体的一端，所述活动球形端盖拼装在主舱体的另一侧，活动球形端盖与主舱体连接处设有三瓣卡箍；所述主舱体底部设有鞍座；所述固定球形端盖上设有工艺接口、用于连接所述液控系统的泄压/排气系统接口、用于连接所述密系统的注/排水系统接口；所述活动球形端盖下部连接有支撑小车，活动球形端盖下方设有油缸和导轨，所述活动球形端盖焊接在所述支撑小车上部，支撑小车下部滑配在所述导轨上，支撑小车的内侧端与所述油缸的输出轴连接。

为提高主舱体与活动球形端盖之间对接的准确性和水气密封效果，所述主舱体和活动球形端盖的接口处边缘对应开有相匹配的环形凹槽、所述活动球形端盖的环形凹槽上设有O型圈。

为实现主舱体与活动球形端盖对接处的开启和关闭，具体的，所述三瓣卡箍包括上部卡箍、下部卡箍，以及设置在所述上部卡箍上的支撑板、传动块、丝杠、减速电机，设置在下部卡箍上的顶升油缸；所述三瓣卡箍主体部分为由两瓣上部卡箍和一瓣下部卡箍围城的环形卡箍，两所述上部卡箍上端对合，所述下部卡箍两端分别铰接在两所述上部卡箍下端。

为实现两上部卡箍之间的分合动作，进一步的，所述支撑板通过螺栓成对分设在所述上部卡箍上端两侧，所述传动块通过轴套转动连接在对设的支撑板之间，所述传动块开孔并装配有丝杠螺母，所述丝杠穿装在传动块孔内并与丝杠螺母丝接，所述减速电机的输出轴连接所述丝杠并驱动所述丝杠转动。

为实现下部卡箍之间的升降动作，进一步的，所述顶升油缸设置在所述下部卡箍下方，升顶油缸的杠杆与下部卡箍底部铰接。

为在动作中限定起止位置，进一步的，所述下部卡箍底部与升顶油缸杠杆铰接处设有第一限位开关；所述上部卡箍与下部卡箍交界处设有第二限位开关；所述支撑板与传动块转动连接处设有第三位置开关。

如此设计，当需要开启时，减速电机丝杠转动，水平推开两个丝杠螺母传动块，驱使上部卡箍绕铰接转动，转动打开至第二限位开关所限制的位置后，下部卡箍的顶升液压缸垂直下降，直至整个快速启闭装置与法兰完全脱开，到达第一限位开关下降到指定位置。当需要关闭时，下部卡箍的顶升液压缸垂直上升，至下部卡箍安装到位，第一限位开关上升至指定位置；减速电机丝杠转动，使两个丝杠螺母传动块水平收拢，上部卡箍绕铰接转动，直至卡箍完全安装到位，第三限位开关到达指定位置。整个操作过程由限位开关信号控制，并与容器内压力做电气联锁保护。

具体的，所述液控系统包括高压泵组和移动液压控制单元，所述移动液压控制单元控制回路工作压力为0～140MPa，控制回路数量为20路，其中0～70MPa10路、70MPa～140MPa 10路，各路均单独可调，所述高压泵组包括电动液压泵和气动液压泵，其中0～70MPa采用电动液压泵；70MPa～140MPa采用气动液压泵，进而可满足水下设备测试实验中的液压动力的需求。

具体的，所述气密系统包括空气压缩机系统、制氮机系统、35MPa一级增压机、210MPa高压气动增压机、控制及外围控制管线。该系统最高输出压力为210MPa，系统共8路输出压力，各路均可单独调节，其中设置2路输出压力为1MPa，2路输出压力为0～35MMPa，4路输出压力为0～210MPa；各个回路都可实现单独控制、采集数据、测量等功能。系统采用计算机进行全自动控制，可进行循环打压功能，实现PSL分级测试，循环次数和压力波形可在控制界面设置，并可自动存储实验结果，显示实验数据，具备查询功能。

具体的，所述工艺接口上连接有移动动力单元、水下照明及摄像系统、应力应变测试系统，所述移动动力单元、水下照明及摄像系统、应力应变测试系统通过所述工艺接口连接所述高压舱内的被测水下设备，所述泄压/排气系统接口上连接有泄压/排气系统，所述注/排水系统接口上连接有注/排水及加压系统；所述移动动力单元、水下照明及摄像系统、应力应变测试系统、泄压/排气系统、注/排水及加压系统的控制端集成于所述控制系统。

本水下设备内外压测试实验方法所述测试为静水压测试，该测试通过上述的水下设备内外压测试装置实现，具体包括以下步骤，

S10：将应力应变的测试系统的水密缆与应变片的线相连接，并对接头进行密封防水，具体为：

首先将水密缆中的一个缆芯与应变片线用锡焊焊接在一起，同时在焊接位置套上热缩管，重复以上工艺流程将水密缆所有缆芯与多个应变片相连接；将水密缆、应变片带有绝缘电缆部分用砂纸打磨，并用酒精或者丙酮进行清洗；水密缆缆芯和应变片线连接处套装套管，然后注入密封胶，进行密封；胶注后，在室温下需要保持至少24h，以便其固化；最后将其水密缆安装在工艺接口上；

所述密封胶的组分为聚异丁烯、聚醚醚酮树脂、硅氧烷聚醚、轻质氧化镁、二羟基聚二甲基硅氧烷、甲基三醋酸酯硅烷、硬脂酸钙、超细氧化硅、聚丙烯酯阴离子型钠盐、硅烷偶联剂、固化促进剂；

S11：将被测试件、连接管线等相关附件准备齐全，并在测试开始前检查各个部件是否运行平稳；

S12：开启所述高压舱，将被测试件固定在高压舱内；

S13：检查所述高压舱内部接口位置，将被测水下设备与高压舱相应接口用管道连接，并保证各接口连接的密封性，关闭高压舱；

S14：开启液控系统和气密系统进行注水、打压，试验压力应等于装置的额定压力值，保压至所要求的时间，始终观察压力表变化情况；

S15：泄压，整理实验装置，分析数据。

水下设备应用在深海中，需要承受深水带来的外压。静水压测试就是为了充分模拟水下设备的实际工作环境，将两端封口的水下设备置于密闭的高压舱内部，向高压舱内部及被测设备打压，至水下设备所需要的测试压力。实验开始后，压力达到测试压力时根据客户需求进行保压。

本水下设备内外压测试实验方法所述测试为高压舱复合测试，该测试通过上述的水下设备内外压测试装置实现，具体包括以下步骤，

S20：将应力应变的测试系统的水密缆与应变片的线相连接，并对接头进行密封防水，具体为：

首先将水密缆中的一个缆芯与应变片线用锡焊焊接在一起，同时在焊接位置套上热缩管，重复以上工艺流程将水密缆所有缆芯与多个应变片相连接；将水密缆、应变片带有绝缘电缆部分用砂纸打磨，并用酒精或者丙酮进行清洗；水密缆缆芯和应变片线连接处套装套管，然后注入密封胶，进行密封；胶注后，在室温下需要保持至少24h，以便其固化；最后将其水密缆安装在工艺接口上；

S21：将被测试件、连接管线等相关附件准备齐全，并在测试开始前检查各个部件是否运行平稳；

S22：开启所述高压舱，将被测试件固定在高压舱内；

S23：确保被测水下设备封堵完整，关闭高压舱；

S24：开启液控系统和气密系统进行注水、打压，试验压力应等于装置的额定压力值，保压至所要求的时间，始终观察压力表变化情况；

S25：水压、气压逐级减压，关闭液控系统和气密系统；

S26：高压舱泄压开启；

S27：整理实验装置，分析数据。

采用高压舱复合试验的方法，水下设备在高压舱中保持所需的外压，同时向水下设备进行气压或者水压打压。能够模拟水下生产设备在深海的实际工况，进行气密性和水密性试验和检测，并可以对水下生产设备进行液控。

本发明一种水下设备内外压测试装置，能够为水下设备提供液压和气压动力单元，模拟水下设备在深海中通气压或者液压的工作状态，广泛适用于模拟深海高压环境，对水下设备同时进行内外压测试和功能测试，并进行数据采集和监控，其具体有益效果为：

(1)能够模拟3500米水深环境中，水下设备通水或者通气的正常工作状态；

(2)通过控制卡箍和支撑小车，可以实现其快速的密封锁紧或者开启；

(3)能够通过水下摄像、应力应变测试系统，对被测试件进行实时监控。

附图说明

下面结合附图对本发明一种水下设备内外压测试装置及实验方法作进一步说明：

图1是本水下设备内外压测试装置的主视平面结构示意图；

图2是本水下设备内外压测试装置的俯视平面结构示意图；

图3是本水下设备内外压测试装置的右视(活动球形端盖侧)平面结构示意图；

图4是本水下设备内外压测试装置的上部卡箍控制组件(支撑板、传动块、丝杆、减速电机)的平面结构示意图；

图5是本水下设备内外压测试装置的结构连接线框图。。

图中：

1-高压舱、2-液控系统、3-气密系统、4-控制系统；

11-主舱体、12-固定球形端盖、13-活动球形端盖、14-三瓣卡箍、15-凹槽、16-有O型圈；41-移动动力单元、42-水下照明及摄像系统、43-应力应变测试系统、44-泄压/排气系统、45-注/排水及加压系统；

111-鞍座、121-工艺接口、122-泄压/排气系统接口、123-注/排水系统接口、131-支撑小车、132-油缸、133-导轨、141-上部卡箍、142-下部卡箍，143-支撑板、144-传动块、145-丝杠、146-减速电机、147-顶升油缸；

1427-第一限位开关、1412-第二限位开关、1434-第三位置开关。

具体实施方式

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系均为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施方式1：如图1至5所示，本水下设备内外压测试装置包括用于检测水下设备的高压舱1，用于为所述高压舱1提供模拟深海环境条件的液控系统2和气密系统3，用于控制测试实验条件的控制系统4；其中，所述高压舱1包括主舱体11和分别设置在所述主舱体11两端的固定球形端盖12和活动球形端盖13，所述固定球形端盖12焊接在主舱体1的一端，所述活动球形端盖13拼装在主舱体1的另一侧，活动球形端盖13与主舱体1连接处设有三瓣卡箍14；所述主舱体11底部设有鞍座111；所述固定球形端盖12上设有工艺接口121、用于连接所述液控系统2的泄压/排气系统接口122、用于连接所述密系统3的注/排水系统接口123；所述活动球形端盖13下部连接有支撑小车131，活动球形端盖13下方设有油缸132和导轨133，所述活动球形端盖13焊接在所述支撑小车131上部，支撑小车131下部滑配在所述导轨133上，支撑小车131的内侧端与所述油缸132的输出轴连接。

具体的，所述液控系统2包括高压泵组和移动液压控制单元，所述移动液压控制单元控制回路工作压力为0～140MPa，控制回路数量为20路，其中0～70MPa 10路、70MPa～140MPa 10路，各路均单独可调，所述高压泵组包括电动液压泵和气动液压泵，其中0～70MPa采用电动液压泵；70MPa～140MPa采用气动液压泵，进而可满足水下设备测试实验中的液压动力的需求。

具体的，所述气密系统3包括空气压缩机系统、制氮机系统、35MPa一级增压机、210MPa高压气动增压机、控制及外围控制管线。该系统最高输出压力为210MPa，系统共8路输出压力，各路均可单独调节，其中设置2路输出压力为1MPa，2路输出压力为0～35MMPa，4路输出压力为0～210MPa；各个回路都可实现单独控制、采集数据、测量等功能。系统采用计算机进行全自动控制，可进行循环打压功能，实现PSL分级测试，循环次数和压力波形可在控制界面设置，并可自动存储实验结果，显示实验数据，具备查询功能。

具体的，所述工艺接口121上连接有移动动力单元41、水下照明及摄像系统42、应力应变测试系统43，所述移动动力单元41、水下照明及摄像系统42、应力应变测试系统43通过所述工艺接口121连接所述高压舱1内的被测水下设备，所述泄压/排气系统接口122上连接有泄压/排气系统44，所述注/排水系统接口123上连接有注/排水及加压系统45；所述移动动力单元41、水下照明及摄像系统42、应力应变测试系统43、泄压/排气系统44、注/排水及加压系统45的控制端集成于所述控制系统4。

实施方式2：为提高主舱体与活动球形端盖之间对接的准确性和水气密封效果，所述主舱体11和活动球形端盖13的接口处边缘对应开有相匹配的环形凹槽15、所述活动球形端盖13的环形凹槽15上设有O型圈16。其余结构和部件如实施方式1所述，不再重复描述。

实施方式3：为实现主舱体与活动球形端盖对接处的开启和关闭，具体的，所述三瓣卡箍14包括上部卡箍141、下部卡箍142，以及设置在所述上部卡箍141上的支撑板143、传动块144、丝杠145、减速电机146，设置在下部卡箍142上的顶升油缸147；所述三瓣卡箍14主体部分为由两瓣上部卡箍141和一瓣下部卡箍142围城的环形卡箍，两所述上部卡箍141上端对合，所述下部卡箍142两端分别铰接在两所述上部卡箍141下端。为实现两上部卡箍之间的分合动作，进一步的，所述支撑板143通过螺栓成对分设在所述上部卡箍141上端两侧，所述传动块144通过轴套转动连接在对设的支撑板143之间，所述传动块144开孔并装配有丝杠螺母，所述丝杠145穿装在传动块144孔内并与丝杠螺母丝接，所述减速电机146的输出轴连接所述丝杠145并驱动所述丝杠145转动。为实现下部卡箍之间的升降动作，进一步的，所述顶升油缸147设置在所述下部卡箍142下方，升顶油缸147的杠杆与下部卡箍142底部铰接。为在动作中限定起止位置，进一步的，所述下部卡箍142底部与升顶油缸147杠杆铰接处设有第一限位开关1427；所述上部卡箍141与下部卡箍142交界处设有第二限位开关1412；所述支撑板143与传动块144转动连接处设有第三位置开关1434。当需要开启时，减速电机丝杠转动，水平推开两个丝杠螺母传动块，驱使上部卡箍绕铰接转动，转动打开至第二限位开关所限制的位置后，下部卡箍的顶升液压缸垂直下降，直至整个快速启闭装置与法兰完全脱开，到达第一限位开关下降到指定位置。当需要关闭时，下部卡箍的顶升液压缸垂直上升，至下部卡箍安装到位，第一限位开关上升至指定位置；减速电机丝杠转动，使两个丝杠螺母传动块水平收拢，上部卡箍绕铰接转动，直至卡箍完全安装到位，第三限位开关到达指定位置。整个操作过程由限位开关信号控制，并与容器内压力做电气联锁保护。其余结构和部件如实施方式2所述，不再重复描述。

实施例1：本水下设备内外压测试实验方法所述测试为静水压测试，该测试通过上述的水下设备内外压测试装置实现，具体包括以下步骤，

S10：将应力应变的测试系统43的水密缆与应变片的线相连接，并对接头进行密封防水，具体为：

首先将水密缆中的一个缆芯与应变片线用锡焊焊接在一起，同时在焊接位置套上热缩管，重复以上工艺流程将水密缆所有缆芯与多个应变片相连接；将水密缆、应变片带有绝缘电缆部分用砂纸打磨，并用酒精或者丙酮进行清洗；水密缆缆芯和应变片线连接处套装套管，然后注入密封胶，进行密封；胶注后，在室温下需要保持至少24h，以便其固化(如果将其放置于60-90℃的烘箱中，4-6小时，然后将其在室温中放置1小时就会完全固化)；最后将其水密缆安装在工艺接口上；

所述密封胶的组分为聚异丁烯、聚醚醚酮树脂、硅氧烷聚醚、轻质氧化镁、二羟基聚二甲基硅氧烷、甲基三醋酸酯硅烷、硬脂酸钙、超细氧化硅、聚丙烯酯阴离子型钠盐、硅烷偶联剂、固化促进剂；

S11：将被测试件、连接管线等相关附件准备齐全，并在测试开始前检查各个部件是否运行平稳；

S12：开启所述高压舱1，将被测试件固定在高压舱1内；

S13：检查所述高压舱1内部接口位置，将被测水下设备与高压舱1相应接口用管道连接，并保证各接口连接的密封性，关闭高压舱1；

S14：开启液控系统2和气密系统3进行注水、打压，试验压力应等于装置的额定压力值，保压至所要求的时间，始终观察压力表变化情况；

S15：泄压，整理实验装置，分析数据。

水下设备应用在深海中，需要承受深水带来的外压。静水压测试就是为了充分模拟水下设备的实际工作环境，将两端封口的水下设备置于密闭的高压舱内部，向高压舱内部及被测设备打压，至水下设备所需要的测试压力。实验开始后，压力达到测试压力时根据客户需求进行保压。

实施例2：本水下设备内外压测试实验方法所述测试为高压舱复合测试，该测试通过上述的水下设备内外压测试装置实现，具体包括以下步骤，

S20：将应力应变的测试系统43的水密缆与应变片的线相连接，并对接头进行密封防水，具体为：

首先将水密缆中的一个缆芯与应变片线用锡焊焊接在一起，同时在焊接位置套上热缩管，重复以上工艺流程将水密缆所有缆芯与多个应变片相连接；将水密缆、应变片带有绝缘电缆部分用砂纸打磨，并用酒精或者丙酮进行清洗；水密缆缆芯和应变片线连接处套装套管，然后注入密封胶，进行密封；胶注后，在室温下需要保持至少24h，以便其固化；(如果将其放置于60-90℃的烘箱中，4-6小时，然后将其在室温中放置1小时就会完全固化)；最后将其水密缆安装在工艺接口上；

S21：将被测试件、连接管线等相关附件准备齐全，并在测试开始前检查各个部件是否运行平稳；

S22：开启所述高压舱1，将被测试件固定在高压舱1内；

S23：确保被测水下设备封堵完整，关闭高压舱1；

S24：开启液控系统2和气密系统3进行注水、打压，试验压力应等于装置的额定压力值，保压至所要求的时间，始终观察压力表变化情况；

S25：水压、气压逐级减压，关闭液控系统2和气密系统3；

S26：高压舱1泄压开启；

S27：整理实验装置，分析数据。

采用高压舱复合试验的方法，水下设备在高压舱中保持所需的外压，同时向水下设备进行气压或者水压打压。能够模拟水下生产设备在深海的实际工况，进行气密性和水密性试验和检测，并可以对水下生产设备进行液控。

本水下设备内外压测试装置能够为水下设备提供液压和气压动力单元，能够模拟3500米水深环境中，水下设备通水或者通气的正常工作状态；通过控制卡箍和支撑小车，可以实现其快速的密封锁紧或者开启；能够通过水下摄像、应力应变测试系统，对被测试件进行实时监控，广泛适用于模拟深海高压环境，对水下设备同时进行内外压测试和功能测试，并进行数据采集和监控。

以上描述显示了本发明的主要特征、基本原理，以及本发明的优点。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施方式或者实施例的细节，且在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此应将上述实施方式或者实施例看作示范性的，且非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而非上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。