500 m飽和潛水系統加壓艙有機玻璃觀察窗的設計與應用

馮 磊，張 民，張 劍

·經驗交流·

500 m飽和潛水系統加壓艙有機玻璃觀察窗的設計與應用

馮 磊，張 民，張 劍

飽和潛水;加壓艙;觀察窗

某部于2010年8-10月利用500 m飽和潛水系統，進行了“模擬480 m氦氧飽和—493 m巡回潛水實驗研究”。在實驗進行之前，筆者對飽和潛水系統的每一個部件都進行系統的檢查。發現在用艙體有機玻璃觀察窗，廠家無法提供產品合格證書，也沒有進行出廠前的壓力相關試驗，缺少證明其能夠在5.0 MPa壓力條件下安全使用的證據。因此筆者據加壓艙圖紙資料，重新加工制作觀察窗有機玻璃，并按照原加壓艙設計單位提供的驗收方案對產品進行相關試驗檢驗，現將加壓艙觀察窗的制作及試驗過程總結如下。

1 觀察窗的制作

1.1 參考標準 主要依據標準為中國船級社《潛水系統和潛水器入級與建造規范》1996版、HJB170-97《加壓艙通用規范》、GJB1251A-2008《澆鑄航空有機玻璃規范》。

1.2 窗玻璃材料 選用以甲基丙烯酸甲酯為原料的澆鑄型工業有機玻璃板材制作。

1.3 窗玻璃設計［1］根據中國船級社《潛水系統和潛水器入級與建造規范》1996版規定:最大工作壓力0～69 MPa范圍的標準形窗玻璃的尺寸由其短期臨界壓力值(STCP)確定，并考慮最高環境溫度下的轉換系數(CF)的影響。窗玻璃的最大工作壓力由下式計算:

窗玻璃幾何形狀要求(見圖1):

圖1 圓錐形窗幾何形狀示意圖

500 m飽和艙觀察窗玻璃規格:

500 m飽和艙觀察窗玻璃最大工作壓力需滿足:

p=STCP/CF≥5 MPa，其中，CF值由表1給出

當最高工作溫度Tc≤52℃時，p=STCP/CF=69.6/10= 6.96＞5(MPa)

可見，在艙溫小于52℃時，500 m飽和艙的窗玻璃能滿足使用。

表1 圓錐形窗不同環境溫度下轉換系數表

1.4 觀察窗制作過程 選用優質正規廠家生產厚度為65 mm的航空有機玻璃板材，裁剪成300 mm×300 mm方塊，再按圖紙機加工成形，拋光處理后，進行熱處理并在每塊玻璃上做出標記。

2 觀察窗玻璃的性能檢驗

2.1 檢驗標準 加壓艙觀察窗玻璃的材質、外觀、標記及物理力學性能指標應分別滿足參考文獻［1］及參考文獻［2］的第五章第二節相關要求。

觀察窗玻璃的壓力試驗過程應符合參考文獻［2］的第五章第四節要求。

測試主要儀器儀表有實驗工裝、試壓泵、壓力表、溫度計、計時器等。

2.2 試驗方法及要求 將玻璃安裝于實驗工裝(見圖2)，并使實驗用水的溫度為室溫。加壓至6.5 MPa，并保壓1.5 h后減壓，90 s減至常壓(注:試驗過程中密封裝置不得泄漏)。測試結果和要求:不得有任何細微裂紋、破裂或永久變形。

2.3 試驗結果 (1)外觀及尺寸:外觀目測，未發現有銀紋及劃傷;用游標卡尺及角規測量，物理尺寸符合圖紙設計要求。(2)壓力試驗結果:未發現裂紋及永久變形，試驗合格。

3 討論

加壓艙觀察窗有機玻璃是逐一加工的，出廠時每一塊有機玻璃都必須要進行壓力實驗檢驗，并出具試驗記錄報告。窗玻璃制造廠家應為每塊玻璃提供相應的合格證書。合格證書包括編號、材料規格、重量、尺寸、最大工作壓力及使用環境溫度范圍等。并應在每塊玻璃上不影響觀察的部位清晰地做出以下標記:編號、最大工作壓力、最高設計溫度、制造廠名或商標、制造日期。所有標記都應為不易磨損的型板噴刷標記。不得采用可能引起裂紋傳播的打印或標記。

圖2 壓力試驗裝置

關注加壓艙觀察窗有機玻璃使用條件及使用壽命。觀察窗表面應有保護措施以防止有機玻璃受損，并且要嚴禁與油漆、丙酮等有機溶劑接觸。觀察窗有機玻璃的使用年限為10年［3］，在使用過程中，有機玻璃上出現銀紋等異常現象則應及時更換。

有機玻璃成型方法有澆鑄、射出成型，機械加工、熱成型等。其中澆鑄及射出成型方法都需要借助模俱，此方法適合大批量生產，制程簡單，成本低;熱成型方法是將有機玻璃板材或片材制成各種尺寸形狀制品的過程，將裁切成要求尺寸的坯料夾緊在模俱框架上，加熱使其軟化，再加壓使其貼緊模俱型面，得到與型面相同的形狀，經冷卻定型后修整邊緣即得成品，適合制作有機玻璃工藝品、零部件等;機械加工方法用途比較廣泛，既適合小批量制作，也可以大規模生產，可以制作比較復雜的零部件。加壓艙觀察窗有機玻璃選用特定航空有機玻璃板材，根據圖紙尺寸，經過外形冷加工后，再通過手工拋光修理后，放入恒溫箱內熱處理，消除其加工過程產生的應力，最后刻印標記，貼膜后包裝出廠。其中熱處理過程溫度、時間控制是關鍵工序，應嚴格控制［4］。

［1］ GJB1251A-2008，澆鑄航空有機玻璃規范［S］.

［2］ 中國船級社.潛水系統和潛水器入級和建造規范［S］.1996版.附錄A.

［3］ GB/T 16560-2011，甲板減壓艙［S］.

［4］ 劉曉杰，王言英.觀光潛艇舷窗有機玻璃制作的關鍵技術研究［J］.船海工程，2010，2(1):9-12.

R849

B

10.3969/j.issn.1009-0754.2014.05.032

2013-10-28)

(本文編輯:林永麗)

200433 上海，海軍醫學研究所