潛水服性能檢測裝置的研制

顧靖華，劉平小，方以群，柳初萌，范 維

（海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海200433）

0 引言

隨著人類對海洋資源的開發(fā)利用，各類潛水活動在科研、軍事、娛樂等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。潛水服是潛水員開展水下活動時用于防止?jié)撍畣T體溫散失過快、在潛水員遇險時協(xié)助其安全上浮至水面并漂浮于水面等待救援的裝備[3-5]。為保證潛水服的安全使用，需要對潛水服的性能進(jìn)行檢測[6]。目前國內(nèi)尚未有專用的潛水服檢測裝置，對潛水服的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行檢測時，需單獨(dú)連接管路、儀表等，不僅操作煩瑣，還不便于攜帶，因而通常無法對潛水服進(jìn)行使用前檢測，導(dǎo)致潛水時存在一定風(fēng)險。本研究基于潛水服的性能要求，設(shè)計(jì)了一種常壓下的潛水服性能檢測裝置，集成了潛水服氣囊氣密性、強(qiáng)度，排氣閥開關(guān)壓力、流量，單人救生筏浮胎氣密性、強(qiáng)度等指標(biāo)的檢測功能，具備功能齊全、使用方便、體積較小、質(zhì)量較輕的特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)

1.1 組成

潛水服性能檢測裝置由供氣模塊、檢測模塊、信號采集處理模塊和箱體組成。其中，供氣模塊用于為裝置提供適宜的檢測用氣體；檢測模塊用于檢測并顯示潛水服的各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)；信號采集處理模塊用于記錄和存儲數(shù)據(jù)；箱體包括控制面板和支架等結(jié)構(gòu)組件，主要的閥件、檢測儀表及供氣管路集成在箱體面板上。

1.2 原理

被測潛水服（單人救生筏）與本裝置的潛水服充氣接口（單人救生筏充氣接口）接通后，氣源高壓氣經(jīng)球閥1 和減壓器減至中壓，通過調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至設(shè)定測試壓力，通過數(shù)顯壓力顯示儀、流量計(jì)、流量積算儀分別顯示被測潛水服（單人救生筏）的壓力、流量、供氣量等指標(biāo)。測試結(jié)束后，通過球閥3 排空管路余氣。閥件儀表連接示意圖如圖1 所示。

圖1 潛水服性能檢測裝置閥件儀表連接示意圖

1.3 具體設(shè)計(jì)

1.3.1 外形結(jié)構(gòu)

潛水服性能檢測裝置的功能是為潛水服（單人救生筏）提供方便、有效的性能檢測手段，一般放置于研究單位、教學(xué)單位及使用單位的實(shí)驗(yàn)室或操作間，因此在滿足功能要求前提下，應(yīng)盡可能控制外形尺寸和質(zhì)量，以減小所占空間。故本裝置設(shè)計(jì)成箱柜式，通過合理布局，將所有儀表及操作閥門布置于箱體正面操作面板上，便于操作和觀察；潛水服充氣接口和單人救生筏充氣接口布置于箱體左側(cè)下方，便于連接和展開潛水服及單人救生筏；氣源接口布置在箱體右側(cè)下方。箱體框架和面板分別采用厚度1.5 和1 mm 的1Cr18Ni9Ti 材料制作，箱體外形尺寸為800 mm×700 mm×400 mm，總質(zhì)量約65 kg。裝置實(shí)物如圖2 所示。

圖2 潛水服性能檢測裝置實(shí)物圖

1.3.2 供氣模塊

供氣模塊主要包括球閥、調(diào)節(jié)閥、減壓器、過濾器、安全閥、供氣管路等流體控制組件。中壓氣源經(jīng)過濾器過濾后，利用球閥控制啟閉，通過減壓器和調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力和流量。供氣模塊管路采用通徑DN15不銹鋼管制作，減壓器后面的低壓管路設(shè)計(jì)壓力為0.2 MPa，在此壓力下低壓管路流量為1 680 L/min，滿足≥1 000 L/min 的要求[7]。安全閥控制壓力設(shè)定值為0.3 MPa，用于管路過壓保護(hù)。管路安裝后進(jìn)行水壓強(qiáng)度試驗(yàn)，保證安全使用。

1.3.3 檢測模塊

檢測模塊主要由體積流量計(jì)、浮子流量計(jì)、流量積算儀、數(shù)顯壓力顯示儀、壓力變送器組成，儀表之間通過管路連接。根據(jù)潛水服和單人救生閥的設(shè)計(jì)要求[7-8]，潛水服氣囊工作壓力為8 kPa，單人救生筏浮胎工作壓力為10.7 kPa，充氣接頭工作壓力為7 kPa，因此，選用量程為0～50 kPa、精度為±1%F.S 的數(shù)顯壓力顯示儀和量程為0～50 kPa、誤差≤±0.25%F.S 的壓力變送器；排氣安全閥排氣流量要求＞100 L/min，因此，選用量程為20～200 L/min、準(zhǔn)確度等級4 級的浮子流量計(jì)以及量程為0～1 000 L/min、精度為±0.2%F.S的體積流量計(jì)；流量積算儀量程為0～1 000 L/min（在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下），用于顯示累計(jì)流量。檢測模塊的所有檢測儀表均安裝在箱體上，便于讀數(shù)。

1.3.4 信號采集處理模塊

信號采集處理模塊包括外置記錄用計(jì)算機(jī)、串口服務(wù)器、電源、數(shù)據(jù)電纜等。采用220 V 電源為流量計(jì)和壓力變送器供電；選用ADAM-4570/L 型串口服務(wù)器將測試信號輸出至計(jì)算機(jī)，用于記錄和存儲測試數(shù)據(jù)。

2 性能試驗(yàn)

2.1 氣密性試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)方法

將氣源與檢測裝置氣源接口連接，氣源采用潔凈空氣或氮?dú)?。將減壓器出口壓力調(diào)至0.2 MPa，參照GB/T 16560—2011《甲板減壓艙》[9]中試驗(yàn)方法保持4 h，記錄試驗(yàn)開始和結(jié)束時減壓器上的壓力表讀數(shù)及溫度，計(jì)算泄漏率（計(jì)算時扣除溫度變化影響因素）。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

壓力表初始讀數(shù)為0.198 0 MPa，環(huán)境溫度為28 ℃。4 h 后，壓力表讀數(shù)為0.199 2 MPa，環(huán)境溫度為30 ℃，泄漏率為0.012 5%/h，滿足泄漏率≤0.25%/h的要求[9]。

2.2 充氣接口匹配性試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方法

分別將被測潛水服和單人救生筏充氣接頭與檢測裝置相應(yīng)充氣接口連接，將檢測裝置減壓器出口壓力調(diào)整為0.2 MPa。檢測潛水服時壓力調(diào)節(jié)為7 kPa，檢測單人救生筏時壓力調(diào)節(jié)為10.7 kPa。參照GB/T 12137—2015《氣瓶氣密性試驗(yàn)方法》，將潛水服充氣接頭和檢測裝置充氣接口連接部位浸入水中并停留5 min，觀察密封情況。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

壓力為7 kPa 時，潛水服充氣接頭和檢測裝置充氣接口連接部位5 min 內(nèi)無漏氣現(xiàn)象；壓力為10.7 kPa時，單人救生筏充氣接頭和檢測裝置充氣接口連接部位5 min 內(nèi)無漏氣現(xiàn)象。檢測裝置充氣接口與潛水服和單人救生筏充氣接頭匹配性試驗(yàn)合格。

2.3 測試功能試驗(yàn)

2.3.1 潛水服氣囊氣密性和強(qiáng)度測試

2.3.1.1 試驗(yàn)方法

將被測潛水服充氣接頭與檢測裝置的潛水服充氣接口連接，參照GJB 2780—1996《潛艇艇員水下脫險裝具通用規(guī)范》[7]中潛水服氣囊的試驗(yàn)方法，通過氣源為潛水服氣囊供氣。當(dāng)壓力顯示達(dá)到潛水服氣囊氣密性測試壓力時，停止供氣，通過記錄壓力降判定潛水服氣囊氣密性。繼續(xù)為潛水服氣囊供氣至強(qiáng)度測試壓力，觀察氣囊是否有破裂、開裂等現(xiàn)象。

2.3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

被測潛水服氣囊在充氣壓力21 kPa 條件下保持5 min，未發(fā)生破裂、開裂情況，滿足氣囊強(qiáng)度要求；被測潛水服氣囊在充氣壓力達(dá)到7 kPa 時停止供氣，2 h 后壓力降為1.76%，滿足壓力降≤2%的要求[7]。被測潛水服氣囊強(qiáng)度和氣密性檢測合格。試驗(yàn)表明，檢測裝置具備測試潛水服氣囊氣密性、強(qiáng)度的功能。

2.3.2 潛水服排氣閥啟閉壓力、流量測試

2.3.2.1 試驗(yàn)方法

將被測潛水服充氣接頭與檢測裝置的潛水服充氣接口連接，參照GJB 2780—1996[7]中潛水服排氣閥的試驗(yàn)方法，通過氣源為潛水服氣囊充氣至排氣閥打開，記錄此時數(shù)顯壓力顯示儀數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)即排氣閥開啟壓力。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥使數(shù)顯壓力顯示儀數(shù)據(jù)達(dá)到排氣閥測試壓力，記錄流量計(jì)讀數(shù)，該讀數(shù)即排氣閥流量。通過調(diào)節(jié)閥減小充氣流量，直至排氣閥關(guān)閉，此時數(shù)顯壓力顯示儀上讀數(shù)即排氣閥關(guān)閉壓力。

2.3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

被測潛水服排氣閥開啟壓力為2.41 kPa，滿足開啟壓力2～4 kPa 要求；關(guān)閉壓力為1.71 kPa，滿足關(guān)閉壓力≥1 kPa 要求；排氣流量為167 L/min，滿足排氣流量≥100 L/min 的要求[7]。潛水服排氣閥性能試驗(yàn)合格。試驗(yàn)表明檢測裝置具備測試潛水服排氣閥啟閉壓力和流量的功能。

2.3.3 單人救生筏浮胎氣密性和強(qiáng)度測試

2.3.3.1 測試方法

將單人救生筏充氣接頭與檢測裝置的單人救生筏充氣接口連接，參照CB/T 3593—1994《氣脹救生筏技術(shù)條件》[8]中救生筏浮胎氣密性和強(qiáng)度的試驗(yàn)方法，采用與潛水服氣囊氣密性和強(qiáng)度同樣的方法測試單人救生筏浮胎的氣密性和強(qiáng)度。

2.3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

單人救生筏浮胎充氣至20 kPa 后保持15 min，無破裂、開裂現(xiàn)象，滿足強(qiáng)度要求；浮胎充氣至13.3 kPa，2 h 后壓力降為1.94%，滿足≤2%的要求[8]。單人救生筏浮胎氣密性和強(qiáng)度性能試驗(yàn)合格。試驗(yàn)表明，檢測裝置具備測試單人救生筏浮胎氣密性和強(qiáng)度的功能。

2.4 環(huán)境試驗(yàn)

按照GJB 150A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》相關(guān)規(guī)定，由第三方檢測機(jī)構(gòu)對檢測裝置開展高溫貯存、低溫貯存、振動和恒定濕熱試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)，檢測裝置滿足高溫55 ℃、低溫-10 ℃的貯存要求；檢測裝置在經(jīng)受恒定濕熱和振動試驗(yàn)后能正常工作。表明檢測裝置環(huán)境適應(yīng)性符合要求。

2.5 可靠性試驗(yàn)

按照GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)》相關(guān)要求，由第三方檢測機(jī)構(gòu)對檢測裝置開展可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)總時間1 100 h，試驗(yàn)期間檢測裝置未發(fā)生故障，滿足平均無故障時間1 000 h 的可靠性要求。

3 討論

潛水服是潛水員水下作業(yè)時必須穿著的裝備，其性能的穩(wěn)定是保證潛水員水下安全的關(guān)鍵。本文研制的潛水服性能檢測裝置集成了潛水服關(guān)鍵性能指標(biāo)檢測的功能，便于在潛水前對潛水服進(jìn)行檢測?？紤]到部分潛水服配備了單人救生筏[10-13]，故在檢測裝置上設(shè)計(jì)了單人救生筏檢測接口，可對單人救生筏浮胎氣密性和強(qiáng)度進(jìn)行檢測。

本裝置設(shè)計(jì)時充分考慮了人機(jī)交互性，如將儀表和操作部件集中于箱體正面面板上，氣源接口布置在箱體右下側(cè)，檢測接口布置在箱體左下側(cè)，以提高操作性能；在裝置進(jìn)氣管路部分安裝調(diào)節(jié)閥，可實(shí)現(xiàn)壓力緩慢微調(diào)，防止壓力急劇升高，避免了充氣急劇潛水服氣囊爆裂的風(fēng)險，保證了測試人員的安全；為提高裝置便攜性，潛水服檢測管路和單人救生筏檢測管路共用，只需通過閥門切換，減小了裝置的體積和質(zhì)量；裝置外形設(shè)計(jì)成箱柜式，可放置于工作臺上，且左右兩側(cè)設(shè)計(jì)了提手，便于根據(jù)氣源位置等現(xiàn)場環(huán)境移動。通過氣密性、充氣接口匹配性、測試功能以及環(huán)境和可靠性試驗(yàn)，表明檢測裝置能滿足潛水服檢測需求。

本裝置可放置于研究、訓(xùn)練單位的實(shí)驗(yàn)室，也可配發(fā)基層潛水班。下一步，可重點(diǎn)考慮進(jìn)一步提高裝置的便攜性和維修性，減壓器后面的低壓管路可采用軟管，不僅可減輕裝置整體質(zhì)量，而且有利于減小維修空間；另外可升級信號采集處理模塊，實(shí)現(xiàn)在裝置面板上實(shí)時顯示數(shù)據(jù)變化曲線。由于潛水服檢測裝置的工作環(huán)境為室內(nèi)，因此未對裝置提出鹽霧要求，也未開展鹽霧試驗(yàn)。下一步可加強(qiáng)防鹽霧設(shè)計(jì)，開展鹽霧試驗(yàn)，使本裝置可用于潛水作業(yè)現(xiàn)場，拓展裝置的使用環(huán)境。