國際標準《潛水器耐壓殼體和浮力材料靜水壓力試驗方法》（ISO 21173:2019）解讀

王瑤 葉聰 馮光

關鍵詞：潛水器，耐壓殼體，浮力材料，靜水壓力試驗方法

0 引言

暗黑、低溫及高壓的深海是地球最后的秘境，是蘊含著國際地球科學尤其是海洋科學重大突破的前沿領域，潛入深海所產生和發現的革命性、顛覆性科技，或將深刻影響人類未來的命運，重塑世界格局。當今世界，圍繞深海戰略安全、戰略資源、戰略空間和戰略機遇的競爭正愈演愈烈。2016年5月30日，習近平總書記在全國科技創新大會上對我國深潛科技的發展提出了“深海進入、深海探測、深海開發”的“三步走”行動指南。[1，2]潛水器作為我國21世紀海洋高新技術發展和應用的重要裝備之一，因具備運載各種專用設備及人員快速、精確并持續往返于各種深海環境，開展科學考察、實地勘探和開發作業等綜合能力，是貫徹實施習近平總書記“三步走”行動的重大戰略裝備。

中國船舶科學研究中心始終以科技創新為己任，服務國家戰略，在載人深潛裝備領域深耕20余年，完成了“蛟龍”號、“深海勇士”號、“奮斗者”號等一系列具有自主知識產權的高端深海裝備的研制，成為集研發、設計、制造、集成、測試、試驗于一體的我國載人深潛裝備建設的主力軍和國家隊。同時，作為全國潛水器標準化技術委員會（SAC/TC 306）的主任委員單位和秘書處承擔單位，中國船舶科學研究中心科研人員擔當國家使命，在國際標準化組織等國際會議上多次呼吁、積極爭取，于2015年2月成功組建了國際標準化組織海洋技術分委會內的第一個工作組——潛水器工作組（編號為：IS0/TC 8/SC 13/WG 1），由中國船舶科學研究中心葉聰擔任該工作組召集人，主持開展潛水器方面國際標準化制定工作[3]。

1 ISO 21173：2019的起草背景

耐壓殼體是潛水器上能承受內/外部設計壓力的耐壓結構，其內部可容納人員和必要的設備。浮力材料是比工作環境介質密度低的裝配在潛水器上的耐壓材料，為潛水器提供均衡所需浮力。耐壓殼體和浮力材料是確保潛水器實現安全下潛的核心耐壓部件。如何正確、有效地施加外部試驗壓力，開展水下耐壓部件一致性和穩定性的考核，是在以潛水器為代表的深海裝備研發及應用中1項至關重要的衡準。在潛水器工作組成立之初，國際上針對潛水器耐壓殼體和浮力材料的靜水壓力試驗要求僅為各國船級社制定的入級規范，相關適用范圍、試驗壓力系數和加/卸壓速率等重要技術指標要求各不相同、未實現全球統一，各國開展的靜水壓力試驗結果亦不能取得國際認可。在此背景下，依托潛水器工作組的國際化交流平臺，工作組召集人葉聰代表中國專家率先提出了《潛水器耐壓殼體和浮力材料靜水壓力試驗方法》的標準提案。

2 ISO 21173：2019的編制

2.1 編制原則

ISO 21173：2019編寫工作遵循通用性、前瞻性、規范性原則[4]。努力做到與深海裝備領域相關船級社入級規范、協會標準和國家標準等保持協調一致。通過提出試驗程序、試驗設備及儀器、試驗環境、試驗步驟和試驗記錄等基本內容及質量要求，使得該項國際標準的實施更具實用和操作性。同時，適當體現了標準的前瞻性和引導性特點。ISO 21173：2019是基于中國船舶科學研究中心長期積累的大量潛水器設計經驗和試驗數據，并結合各國靜水壓力試驗規范內容，與全球領域內技術專家們研討協商，統籌考慮未來發展趨勢和規范化需求編制而成。在編寫過程中，中方標準起草團隊嚴格按照《ISO/IEC 導則第2部分：國際標準結構和編寫規則》的相關要求進行編寫，確保了該項國際標準形式和內容的規范性。

2.2 編制過程

《潛水器耐壓殼體和浮力材料靜水壓力試驗方法》新標準提案于2015年10月通過投票、正式立項。自立項起至2018年4月，中方標準起草團隊與組內專家們開展了多輪線上/線下的密切協商溝通，累計形成了3版工作組草案，才達成組內協商一致。2018年5月，該份標準草案通過了跳過委員會草案階段的投票。2018年11月，在第一輪詢問草案未通過投票后，中方標準起草團隊積極處理、沉著應對，高效組織召開了相關視頻會議，逐條討論了修改意見。完善后的詢問草案于2019年1月通過了第二輪全球投票。2019年8月9日，歷時近4年，該項國際標準最終得以正式出版，出版編號為：ISO21173：2019。

2.3 主要技術內容

2.3.1 適用范圍

ISO 21173：2019規定的靜水壓力試驗方法的適用對象是裝配在潛水器上的耐壓殼體和浮力材料。按照該項標準規定的靜水壓力試驗方法，篩選出耐壓性能優良的耐壓殼體和浮力材料，作為結構部件參與潛水器總裝。

該項標準中的潛水器包括載人潛水器和無人潛水器，但不適用于潛艇和其他在水下停留或作業超過1周及以上的潛水器。潛水器耐壓殼體除本身外還包括其他附件如：觀察窗、艙口蓋和連接件等。浮力材料是指浮力標準塊和經粘接、機加工后構成潛水器外形的浮力構件。該項標準中規定的靜水壓力試驗方法涉及并適用于預壓、應變測量、最大試驗壓力考核、工作壓力驗證和不間斷加卸壓等試驗工況。另對浮力材料的靜水壓力浸泡試驗和循環疲勞試驗提出了相關規定要求。

2.3.2 通用要求

在ISO 21173：2019的“通用要求”章節中，對潛水器耐壓殼體和浮力材料開展靜水壓力試驗的試驗方案提綱、試驗對象質量證明文件、試驗設備及儀器、試驗環境條件和試驗報告等方面提出了明確且具體的要求。例如：基于我國載人潛水器多年的研制、試驗及實際應用經驗，在與國外專家們協商一致后，對潛水器耐壓殼體和浮力材料開展靜水壓力試驗時的環境條件做出如下規定，為全球潛水器研制人員提供了統一的試驗依據和操作準則。

（ 1 ） 壓力介質溫度： 一般設定為室溫（10～30℃）。但觀察窗對應的壓力介質溫度應設定為其額定工作溫度，溫差范圍為+0/-2.5℃。允許短暫偏離溫差，但不超過5.5℃且持續時間不超過10分鐘；

（2）大氣壓力：0.084～0.106 MPa；

（3）相對濕度：30%～95%；

（4）壓力介質：淡水或海水。

2.3.3 詳細要求

（1）一般要求

在ISO 21173：2019的“詳細要求”章節中，對潛水器耐壓殼體和浮力材料開展靜水壓力試驗的試驗程序、最大試驗壓力、加/卸壓速率及保壓時間等提出一般性要求。具體內容說明如下。

試驗應分步進行。在開展靜水壓力試驗前，應確認試驗對象有足夠的設計安全裕度。開展試驗對象的完整性和外觀檢查，并記錄相應尺寸及重量參數。試驗對象通過密封性測試后，才能開展靜水壓力試驗。針對新制造的試驗對象，ISO 21173：2019建議在正式開展靜水壓力試驗前進行預壓試驗，其最大試驗壓力取值應等于試驗對象的最大工作壓力數值。靜水壓力試驗結束后，要求對試驗對象的外觀、尺寸及重量進行復測，作為判定試驗對象是否通過試驗考核的主要依據。

為了充分驗證試驗對象的耐壓性能、消除安全隱患，在開展靜水壓力試驗期間，ISO 21173：2019規定施加的最大試驗壓力在短時間內應超過試驗對象的最大工作壓力。考慮到人員安全，載人潛水器的最大試驗壓力取值應高于同級別無人潛水器的相應取值。靜水壓力試驗應重復進行，以核驗試驗結果的一致性及穩定性。

由于靜水壓力試驗的加/卸壓流程是模擬潛水器在下潛、最大工作深度作業和上浮過程中，試驗對象承受的外部壓力。為了安全起見，提高靜水壓力試驗的嚴酷度等級，ISO 21173：2019規定加壓速率應不低于潛水器下潛速度引起的壓力變化速率。最大工作壓力下的保持時間應不小于相應的設計時長。卸壓速率應不低于潛水器上浮速度引起的壓力變化速率。

（2）耐壓殼體和浮力材料的試驗壓力系數取值規定

標準中試驗壓力系數是指靜水壓力試驗的試驗壓力與試驗對象的最大工作壓力比值。在制定ISO21173：2019期間，中國船舶科學研究中心標準起草團隊以我國蛟龍號載人潛水器的成功研制、試驗及實踐經驗為主，并充分考慮了各國靜水壓試驗檢測技術的差異性，與國際同行專家們就美國船級社、美國機械工程師協會、德國勞氏船級社、韓國船級社和俄羅斯船級社等規范中涉及的相關試驗壓力要求開展多輪研討協商，最終達成一致意見。各國潛水器試驗壓力系數的取值一般介于1.1～1.25，基本反映了潛水器耐壓殼體和浮力材料的試驗壓力系數取值隨著其最大工作深度的增加而降低的趨勢。ISO 21173：2019按潛水器的類別及其最大工作深度，對試驗壓力系數的取值做出明確統一規定。具體內容見表1和表2。

（3）浮力標準塊的抽檢試驗規定

通過收集了解全球潛水器浮力材料的實際研制及驗收情況，該國際標準另對浮力標準塊的抽檢試驗項目及相關要求做出統一規定（見表3）。并明確抽檢后的試樣均作為報廢品、不得再使用。

（4）選做試驗的規定

為體現國際標準的通用性、滿足行業需求，ISO 21173：2019將應變測量、不間斷加/卸壓試驗列為選做試驗，并提出了相關規定要求，可為全球潛水器領域內人員提供試驗參考。其中關于應變測量的主要規定內容為：試驗前應根據試驗目的確定測量位置點，一般在典型結構位置、主要焊縫位置和預計高應力區域安裝應變片。試驗期間的加/卸壓速率不低于潛水器潛浮速率且每檔穩壓3分鐘后開始應變測量。應力測量值與計算值的偏差應不超過10%，但仍應根據實際情況判斷。

3 ISO 21173：2019的實施效益

《潛水器耐壓殼體和浮力材料靜水壓力試驗方法》已于2019年8月9日正式批準發布，是國際標準化組織/海洋技術分委會下第一個發布的國際標準[5]，實現了我國深海裝備領域在國際標準上零的突破，彰顯了20年來我國在系列大深度潛水器研發和應用領域的厚積薄發，并獲得了國際同行的高度認可。據美國國家標準協會（ANSI）網站公布，該項國際標準的全部內容已被英國、丹麥兩國等同采用[6]。

經過近年來的發展，我國深海裝備技術鏈、產業鏈、全壽命周期服務能力的有效建立，冷泉利用、深海采礦、全海域勘察、水下觀光旅游等新興行業蓬勃發展，成為國民經濟新的重要增長點。ISO 21173：2019作為第一個潛水器相關的國際標準，為掃除海洋技術和貿易壁壘，進而推進海洋科技發展、標準制定和產業發展一體化提供重要支撐。該國際標準獲2022年中國標準創新貢獻獎二等獎。

此外，該項國際標準的牽頭制定者、IS0潛水器工作組召集人葉聰獲2019年度國際標準化組織頒發的ISO卓越貢獻獎，擴大了我國深海裝備領域專家在國際化舞臺上的影響力及朋友圈，有助于樹立我國在深海領域標準化工作的主導地位，為提升我國在國際海底事務中的影響力、開展國際合作奠定良好基礎。

4 結語

21世紀是海洋的世紀，更是深海的世紀。對深海的認知能力和技術裝備水平的提高將成為維護我國海洋權益、海洋資源開發的制高點。2021年，中共中央國務院印發了《國家標準化發展綱要》指出在深地深海等領域開展標準化前沿研究。目前潛水器工作組內已出版兩項國際標準，但領域內的國際標準化工作仍處于起步階段。借助我國專家擔任ISO潛水器工作組召集人的平臺優勢，中國船舶科學研究中心標準化工作者們將深入貫徹習近平新時代中國特色社會主義思想和黨的二十大精神，全面落實黨中央、國務院關于標準化工作的決策部署，深入實施《國家標準化發展綱要》，加快構建推動潛水器高質量發展的標準體系，著力以高標準助力高技術創新，促進高水平開放，引領高質量發展，為我國走向深遠海、成為21世紀的海洋強國提供重要技術保障。