李宇航 陳易紅 譚文濤 岳元龍 范江龍

DOI：10.20030/j.cnki.1000?3932.202403019

摘 要 以API STD 17F—2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的水下方向控制閥（DCV）測(cè)試項(xiàng)目為基礎(chǔ)，制定了具有可操作性的DCV質(zhì)量測(cè)試方法。測(cè)試項(xiàng)目包括外壓、內(nèi)壓、內(nèi)泄漏、功能和連續(xù)性、污染流體循環(huán)、壽命、環(huán)境篩選和絕緣電阻測(cè)試，針對(duì)每一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目給出了詳細(xì)的測(cè)試目的、標(biāo)準(zhǔn)要求和測(cè)試步驟。本文方法通過(guò)了挪威船級(jí)社審核，并成功應(yīng)用于渤海油氣田淺水水下方向控制閥工程化產(chǎn)品的挪威船級(jí)社認(rèn)證。

關(guān)鍵詞 DCV 質(zhì)量測(cè)試方法 內(nèi)泄漏 環(huán)境篩選 絕緣電阻

中圖分類號(hào) TE54??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A?? 文章編號(hào) 1000?3932（2024）03?0502?05

作者簡(jiǎn)介：李宇航（1999-），碩士研究生，從事水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)布局優(yōu)化、水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

通訊作者：岳元龍（1985-），高級(jí)工程師，從事水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)、水下通信協(xié)議、高可靠性嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和多傳感器數(shù)據(jù)融合的研究，yueyuanlong@cup.edu.cn。

引用本文：李宇航，陳易紅，譚文濤，等.水下方向控制閥質(zhì)量測(cè)試方法的設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2024，51（3）：502-506.

水下方向控制閥（Directional Control Valve，DCV）是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的裝備之一，包括水面控制水下安全閥、緊急關(guān)斷閥、隔離閥、內(nèi)部止回閥及快速排氣閥等多種類型[1，2]。水下方向控制閥主要由先導(dǎo)閥和主閥組成，其功能是控制液壓系統(tǒng)中液壓油的流向，改變液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)海底生產(chǎn)系統(tǒng)配套的液壓設(shè)備控制。

目前，國(guó)外DCV產(chǎn)品主要由海洋油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的知名集團(tuán)成套開(kāi)發(fā)，如Oceaneering、Aker及Bifold等[3]。其中，Oceaneering集團(tuán)生產(chǎn)的15系列深海高壓方向控制閥能夠在4 000 m的海底環(huán)境中運(yùn)行，其設(shè)計(jì)壓力可達(dá)20 000 psi（1 psi=6.895 kPa）[4]。Aker集團(tuán)提供了多種適合深水工況的高、低壓電液換向閥，其水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)DCV均采用的是耐海水腐蝕材料，閥門最大設(shè)計(jì)壓力達(dá)15 000 psi[5]。Bifold流體動(dòng)力公司主要從事設(shè)計(jì)和制造水下方向控制閥，其設(shè)計(jì)的水下方向控制閥設(shè)計(jì)水深可達(dá)3 000 m，最高設(shè)計(jì)壓力可達(dá)15 000 psi，并且能夠在污染等級(jí)高于NAS1638 12級(jí)的液壓流體上可靠運(yùn)行。Bifold對(duì)DCV產(chǎn)品的出廠測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)十分嚴(yán)苛，其污染流體循環(huán)試驗(yàn)可達(dá)100 000次，壽命試驗(yàn)達(dá)100萬(wàn)次，遠(yuǎn)超API的要求[6]。以上國(guó)外DCV產(chǎn)品的泄漏量均小于0.2 cc/min（1 cc=1 mL），且耐海水腐蝕，耐控制流體污染，其作業(yè)水深均超過(guò)1 500 m。這些設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為我國(guó)DCV產(chǎn)品在泄漏量、污染流體測(cè)試方面均提供了參考[7]。

筆者依托API STD 17F—2017開(kāi)展水下方向控制閥質(zhì)量測(cè)試方法（包括質(zhì)量測(cè)試（Qualification Test，QT）方法和出廠驗(yàn)收測(cè)試（Factory Acceptation Test，F(xiàn)AT）方法）研究，旨在突破國(guó)外對(duì)水下方向控制閥的壟斷，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水下方向控制閥出廠測(cè)試技術(shù)，從而為水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供技術(shù)支持。

1 DCV質(zhì)量測(cè)試方法

1.1 DCV內(nèi)壓測(cè)試

DCV內(nèi)壓測(cè)試的目的是驗(yàn)證DCV在測(cè)試壓力下有無(wú)外泄漏。

測(cè)試開(kāi)始時(shí)，實(shí)際壓力不應(yīng)高于測(cè)試壓力的5%。測(cè)試結(jié)束時(shí)，實(shí)際壓力不應(yīng)低于測(cè)試壓力。若DCV內(nèi)某組件的內(nèi)壓測(cè)試壓力小于系統(tǒng)內(nèi)壓測(cè)試壓力，則內(nèi)壓測(cè)試過(guò)程中該組件需要與系統(tǒng)隔離[8]。

內(nèi)壓試驗(yàn)壓力計(jì)算式為：

TP=1.5×DP??????????? ，DP≤15000 psi

0.5×DP+15000，15000 psi

1.25×DP????????? ，DP≥20000 psi

（1）

其中，TP是測(cè)試壓力，DP是設(shè)計(jì)壓力。

內(nèi)壓測(cè)試包括兩個(gè)階段：

a. 第一階段，無(wú)壓力敏感元件測(cè)試。如圖1所示，首先將先導(dǎo)閥閥體、主閥閥體、電磁閥盲板堵頭集成，將液壓泵升至1.5×1.05倍（為壓降留有一定的閾值）的設(shè)計(jì)壓力，通過(guò)主閥供油口向DCV內(nèi)注入高壓液壓油。由于液壓泵與DCV之間采用穩(wěn)定的壓力源為組件充壓，因此可以通過(guò)觀察數(shù)字壓力表的示數(shù)來(lái)計(jì)算壓降，從而判斷是否存在外泄漏。保壓10 min后觀察壓降是否超過(guò)3%。泄壓后觀察DCV閥體有無(wú)外泄漏。

b. 第二階段，安裝壓力敏感元件測(cè)試。拆除第一階段的電磁閥盲板堵頭，如圖2所示，將電磁閥和壓力變送器與第一階段的設(shè)備集成。按照1.1倍的設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行內(nèi)壓測(cè)試。將液壓泵升至1.1×1.05倍的設(shè)計(jì)壓力。保壓10 min后觀察壓降是否超過(guò)3%。泄壓后觀察有無(wú)外泄漏。內(nèi)壓測(cè)試結(jié)束后對(duì)DCV閥芯、閥套孔進(jìn)行探傷，觀察有無(wú)裂紋。

P——主閥供油口;R——回油口;PP——先導(dǎo)閥供油口

F——功能口

1.2 外壓測(cè)試

DCV外壓測(cè)試的目的是驗(yàn)證DCV與外界硅油環(huán)境接觸的密封件功能的完整性，確保外壓測(cè)試結(jié)束后無(wú)硅油泄漏至DCV內(nèi)部。

外壓測(cè)試時(shí)DCV運(yùn)行在海底控制模塊（Subsea Control Module，SCM）的硅油環(huán)境中，若DCV生產(chǎn)廠家沒(méi)有SCM，則需要設(shè)計(jì)SCM等效工裝，即環(huán)境模擬裝置。首先將DCV安裝至環(huán)境模擬裝置底座，并將環(huán)境模擬裝置（圖3）充滿硅油，然后通過(guò)硅油泵升壓至設(shè)計(jì)環(huán)境壓力的1.1倍，壓力上升速度不小于24 bar/min（1 bar=100 kPa）。升壓完成后停止升壓，進(jìn)入保壓階段，保壓不少于5 min后開(kāi)始泄壓，泄壓速度不小于36 bar/min。外壓測(cè)試共進(jìn)行3個(gè)泄壓-升壓循環(huán)，每個(gè)循環(huán)的高壓階段切換DCV閥位，觀察其控制功能和復(fù)位功能是否正常。

第3個(gè)循環(huán)結(jié)束后進(jìn)入保壓階段，保壓時(shí)間不少于6 h（不含泄壓-升壓循環(huán)時(shí)間）。隨后泄壓至大氣壓，回收硅油，擦除DCV表面硅油后將其從環(huán)境模擬裝置上拆除。最后拆卸兩個(gè)先導(dǎo)閥，觀察主閥閥體內(nèi)部是否有硅油滲入。

1.3 DCV內(nèi)泄漏測(cè)試

DCV內(nèi)泄漏測(cè)試的目的是驗(yàn)證DCV內(nèi)泄漏量是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，即內(nèi)泄漏量小于0.2 cc/min。

DCV內(nèi)泄漏測(cè)試需要在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力下，并在閥處于控制狀態(tài)或復(fù)位的狀態(tài)下進(jìn)行。閥位切換至少10 min后開(kāi)始檢測(cè)泄漏量，具體包括以下兩種方法：

a. 方法一，對(duì)測(cè)試組件進(jìn)行充壓并隔離壓力源，監(jiān)測(cè)壓降。此時(shí)需要搭建一個(gè)工裝，通過(guò)顯示壓降的方式測(cè)試泄漏量。

b. 方法二，采用穩(wěn)定的壓力源為組件充壓，通過(guò)在回油口處收集液壓油的方式記錄泄漏量。首先將DCV安裝至測(cè)試臺(tái)上。將液壓動(dòng)力單元升壓至最大設(shè)計(jì)壓力，先導(dǎo)閥和主閥供油壓力均為最大設(shè)計(jì)壓力。然后切換DCV至控制狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定10 min后，在回油口用量筒收集液壓油，收集10 min。觀察量筒內(nèi)液壓油積液量，計(jì)算每分鐘泄漏量。切換DCV至復(fù)位狀態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定10 min后，在回油口用量筒收集液壓油，收集10 min后觀察量筒內(nèi)液壓油積液量，計(jì)算每分鐘泄漏量。

1.4 DCV功能和連續(xù)性測(cè)試

DCV功能和連續(xù)性測(cè)試的目的是驗(yàn)證DCV的控制功能、復(fù)位功能和閥位保持功能。

首先將DCV安裝至測(cè)試臺(tái)上，液壓動(dòng)力單元升壓至最大設(shè)計(jì)壓力，先導(dǎo)閥和主閥供油壓力均為最大設(shè)計(jì)壓力，然后切換DCV閥位，檢測(cè)DCV控制功能、復(fù)位功能、閥位保持功能，切換次數(shù)為10次，每次間隔10 min。

將DCV切換至控制狀態(tài)，開(kāi)啟供油泄壓閥，觀察DCV功能口壓力。然后記錄當(dāng)壓力突然變?yōu)? MPa時(shí)的壓力，此時(shí)即為起跳壓力。連續(xù)測(cè)試3次，以測(cè)出起跳壓力范圍。

1.5 DCV污染流體循環(huán)測(cè)試

在污染等級(jí)為NAS1638 12級(jí)的液壓系統(tǒng)中，當(dāng)切換次數(shù)達(dá)到循環(huán)次數(shù)后，驗(yàn)證DCV內(nèi)泄漏量是否小于0.4 cc/min。

循環(huán)測(cè)試可以在開(kāi)路或閉路模式下進(jìn)行：開(kāi)路模式，液壓油直接流出測(cè)試回路;閉路模式，液壓油返回油箱。測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)流出量或返回量超過(guò)10 cc后進(jìn)行切換。

循環(huán)測(cè)試壓力設(shè)置為DCV設(shè)計(jì)壓力，測(cè)試過(guò)程中定期監(jiān)測(cè)液壓油的污染程度，污染流體循環(huán)測(cè)試液壓流體最低污染濃度限制列于表1。

首先將DCV安裝至測(cè)試臺(tái)上。液壓動(dòng)力單元升壓至最大設(shè)計(jì)壓力，先導(dǎo)閥和主閥供油均為最大設(shè)計(jì)壓力。DCV在控制狀態(tài)與復(fù)位狀態(tài)之間切換。在DCV上游進(jìn)行液壓油采樣，記錄污染流體濃度。若濃度低于最低濃度限制，則測(cè)試停止，清洗測(cè)試工裝，并重新開(kāi)始測(cè)試。每次重新開(kāi)始為一次循環(huán)開(kāi)始，循環(huán)測(cè)試次數(shù)加1。當(dāng)切換次數(shù)分別為200、500、1 000、2 000、2 500、2 950、3 000次時(shí)在回油口用量筒收集液壓油，收集液壓油前DCV在復(fù)位或控制狀態(tài)下至少穩(wěn)定10 min。觀察量筒內(nèi)液壓油積液量，計(jì)算每分鐘泄漏量。

1.6 DCV壽命測(cè)試

在設(shè)計(jì)壓力下，DCV壽命測(cè)試的目的是驗(yàn)證DCV設(shè)計(jì)使用次數(shù)應(yīng)不小于實(shí)際應(yīng)用次數(shù)。

DCV壽命測(cè)試的循環(huán)次數(shù)不小于10 000次[9]，若設(shè)備未出現(xiàn)功能失效，則通過(guò)測(cè)試。首先將DCV安裝至測(cè)試臺(tái)上。液壓供應(yīng)單元升壓至最大設(shè)計(jì)壓力，先導(dǎo)閥和主閥供油均為最大設(shè)計(jì)壓力。往復(fù)切換DCV控制狀態(tài)與復(fù)位狀態(tài)。在循環(huán)次數(shù)基礎(chǔ)上，累計(jì)每到10 000次，使DCV處于控制狀態(tài)，穩(wěn)定10 min后，在回油口用量筒收集液壓油，收集10 min。觀察量筒內(nèi)液壓油積液量，計(jì)算每分鐘泄漏量。

1.7 DCV配套電子部件環(huán)境篩選試驗(yàn)

DCV配套電子部件環(huán)境篩選試驗(yàn)用于驗(yàn)證DCV在運(yùn)輸、搬運(yùn)、安裝和操作過(guò)程中，不會(huì)對(duì)其功能造成任何損壞或退化。DCV壓力變送器和電磁先導(dǎo)閥屬于配套電子部件，需要進(jìn)行單獨(dú)的溫度、沖擊、振動(dòng)試驗(yàn)，如果壓力變送器和電磁先導(dǎo)閥廠家能夠提供試驗(yàn)證明，則壓力變送器和先導(dǎo)電磁閥可以免除測(cè)試。

1.7.1 溫度測(cè)試

溫度測(cè)試應(yīng)在振動(dòng)測(cè)試之前進(jìn)行。首先，DCV與測(cè)試工裝集成，放入溫度試驗(yàn)工作臺(tái)并固定。然后，DCV在最高設(shè)計(jì)溫度下保溫48 h，在高溫測(cè)試開(kāi)始時(shí)進(jìn)行斷電/通電測(cè)試。保溫期間，檢測(cè)電磁先導(dǎo)閥和壓力變送器功能、通信功能是否正常。保溫結(jié)束時(shí)進(jìn)行斷電/通電測(cè)試。接著進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)，DCV在-18～40 ℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，溫度變化速率5 ℃/min，高/低溫持續(xù)時(shí)間30 min，循環(huán)10次。循環(huán)期間，檢測(cè)電磁先導(dǎo)閥和壓力變送器功能是否正常。若在熱循環(huán)過(guò)程中檢測(cè)到故障，應(yīng)盡快進(jìn)行修復(fù)，并重新啟動(dòng)循環(huán)測(cè)試。若有連續(xù)10次無(wú)故障循環(huán)，則測(cè)試通過(guò)。測(cè)試結(jié)束后，檢測(cè)DCV閥位切換功能和壓力變送器功能。

1.7.2 振動(dòng)測(cè)試

振動(dòng)試驗(yàn)后，DCV不應(yīng)出現(xiàn)明顯損壞或變形，電磁先導(dǎo)閥和壓力變送器應(yīng)通過(guò)功能試驗(yàn)。首先，將集成的DCV放置在振動(dòng)試驗(yàn)工作臺(tái)上并固定，向3個(gè)相互垂直的軸各施加5～150 Hz的往返掃頻，觀察是否有機(jī)械放大系數(shù)大于10的共振，并確定敏感軸。最后，在確定的敏感軸上進(jìn)行2 h的隨機(jī)振動(dòng)。振動(dòng)測(cè)試后，檢查DCV緊固螺栓是否松動(dòng)。

1.7.3 沖擊測(cè)試

沿3個(gè)相互垂直的軸在6個(gè)方向上施加4次沖擊。首先，將集成的DCV工裝放置在沖擊試驗(yàn)工作臺(tái)上并固定。沿3個(gè)相互垂直的軸在6個(gè)方向上施加4次沖擊，其中一個(gè)軸垂直于電路板平面，沖擊等級(jí)為10g，11 ms半正弦。試驗(yàn)結(jié)束后，觀察DCV測(cè)試工裝是否出現(xiàn)損壞或變形，電磁先導(dǎo)閥和壓力變送器應(yīng)通過(guò)功能試驗(yàn)。

2 DCV出廠驗(yàn)收測(cè)試

2.1 DCV內(nèi)壓測(cè)試

DCV出廠驗(yàn)收測(cè)試中的內(nèi)壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求及測(cè)試步驟詳見(jiàn)1.1節(jié)，泄壓之后，無(wú)需拆卸先導(dǎo)閥和壓力變送器，無(wú)需探傷試驗(yàn)，觀察連接處有無(wú)外泄漏。

2.2 DCV外壓測(cè)試

首先將DCV安裝至環(huán)境模擬裝置底座，向環(huán)境模擬裝置中倒入硅油，直至DCV完全浸沒(méi)于硅油中。通過(guò)硅油泵升壓至實(shí)際運(yùn)行環(huán)境壓力的1.1倍，環(huán)境模擬裝置壓力上升速度不小于18 bar/min。保壓10 min后泄壓，泄壓速度不小于24 bar/min，觀察控制功能和復(fù)位功能是否正常?；厥展栌?，擦除DCV表面硅油，從環(huán)境模擬裝置上拆卸DCV，觀察連接處有無(wú)硅油滲入。

2.3 DCV內(nèi)泄漏測(cè)試

DCV出廠驗(yàn)收測(cè)試中的內(nèi)泄漏測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求及步驟詳見(jiàn)1.3節(jié)。

2.4 DCV功能和連續(xù)性測(cè)試

DCV出廠驗(yàn)收測(cè)試中的功能和連續(xù)性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求及步驟見(jiàn)1.4節(jié)。

2.5 DCV環(huán)境篩選試驗(yàn)

DCV環(huán)境篩選試驗(yàn)用于驗(yàn)證DCV是否由于工藝或裝配引起潛在故障[10]。DCV工程產(chǎn)品交付前進(jìn)行環(huán)境篩選試驗(yàn)，包括溫度測(cè)試和振動(dòng)測(cè)試。溫度測(cè)試的目的是驗(yàn)證DCV在設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)的功能是否會(huì)過(guò)早失效。振動(dòng)測(cè)試的目的是揭示裝配過(guò)程中存在的問(wèn)題。

2.5.1 溫度測(cè)試

溫度測(cè)試應(yīng)在振動(dòng)測(cè)試之前進(jìn)行。首先集成DCV測(cè)試工裝，放入溫度試驗(yàn)工作臺(tái)上并固定。DCV在-18～40 ℃進(jìn)行10次溫度循環(huán)，溫度變化速率為5 ℃/min，高/低溫持續(xù)時(shí)間為30 min，循環(huán)10次，然后DCV在最高設(shè)計(jì)溫度下保溫48 h。溫度循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，檢測(cè)DCV閥位切換功能，泄漏量是否小于0.2 cc/min。

2.5.2 振動(dòng)測(cè)試

振動(dòng)試驗(yàn)后不應(yīng)出現(xiàn)明顯損壞或變形，電磁先導(dǎo)閥和壓力變送器應(yīng)通過(guò)全功能試驗(yàn)。首先將集成的DCV放置在振動(dòng)試驗(yàn)工作臺(tái)上并固定，沿著DCV最高應(yīng)力軸施加隨機(jī)振動(dòng)，隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)持續(xù)10 min，隨機(jī)振動(dòng)譜如圖4所示。

圖4中，20～80 Hz范圍內(nèi)，每倍頻程上升3 dB;80～350 Hz范圍內(nèi)，加速度譜密度為0.04 g2/Hz;350～2 000 Hz范圍內(nèi)，每倍頻程衰減3 dB;復(fù)合激勵(lì)水平為6g。振動(dòng)測(cè)試后，應(yīng)對(duì)DCV進(jìn)行目視檢查，觀察緊固螺栓是否松動(dòng)。

2.6 DCV絕緣電阻檢測(cè)

絕緣電阻檢測(cè)的目的是驗(yàn)證DCV所有電氣部件和組件的絕緣性，包括壓力變送器和電磁先導(dǎo)閥。

測(cè)試電壓50 V，施加測(cè)試電壓60 s后記錄讀數(shù)，阻值不得低于1 GΩ。測(cè)試時(shí)，絕緣電阻值應(yīng)在60 s內(nèi)穩(wěn)定，且測(cè)試電壓不得超過(guò)設(shè)備的最大額定值。由于濕度和溫度會(huì)影響絕緣電阻讀數(shù)，因此當(dāng)有重大影響時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)記錄和說(shuō)明。推薦的IR值列于表2[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者參考國(guó)外DCV產(chǎn)品性能指標(biāo)以及水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)和海底高完整性壓力保護(hù)系統(tǒng)對(duì)DCV的要求制定了一系列測(cè)試方案，為DCV出廠測(cè)試提供了方法與技術(shù)支持，給出了DCV測(cè)試過(guò)程中的要點(diǎn)、DCV及其相關(guān)產(chǎn)品的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。該測(cè)試方法驗(yàn)證了DCV產(chǎn)品的可靠性，可為我國(guó)DCV產(chǎn)品出廠測(cè)試提供參考。目前，該測(cè)試方法通過(guò)了挪威船級(jí)社審核，并成功應(yīng)用于渤海油氣田淺水水下方向控制閥工程化產(chǎn)品的挪威船級(jí)社現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-06-02，修回日期：2024-04-12）

Design of Quality Testing Methods for Subsea

Directional Control Valves

LI Yu?hang， CHEN Yi?hong， TAN Wen?tao， YUE Yuan?long， FAN Jiang?long

（School of Information Science and Engineering ， China University of Petroleum （Beijing））

Abstract?? The quality test method for directional control valves（DCV）was developed based on the subsea DCV test items stipulated in the API STD 17F—2017 standard. The test items have the external pressure， internal pressure， internal leakage， function and continuity， contaminated fluid cycling， life， environmental stress screening， insulation resistance test covered and detailed test objectives， standard requirements and test procedures presented for each test item. The method designed has passed DNV audit and has been successfully applied in shallow water submerged DCVs for Bohai oil and gas fields.

Key words?? DCV， quality testing methods， internal leakage， environmental screening， insulation resistance