水密電纜組件可靠性分析

蘇妍

（第七一五研究所，杭州，310023）

水聲換能器是聲吶系統中關鍵的組成部分之一，作為發(fā)射器時是水下的信息源，作為傳感器是感知水下信息的耳目，同時也是采集水下信息的窗口。水聲換能器與干端電子設備之間的信號通信和能量傳輸是通過水密電纜來實現的。為了便于安裝維修，水聲換能器采用模塊化設計，一般由換能器本體和水密電纜組件兩個部分組成。水密電纜組件由水密連接器公頭（或母頭）、水密電纜及其連接密封材料等組成，換能器本體上安裝水密連接器母頭（或公頭）。換能器使用前，與水密連接器公頭（或母頭）對接，與水密電纜組件組成一個整體的密封結構。

根據對水聲換能器故障統計分析可知，換能器本身的故障約為1/3，水密電纜組件的故障約為2/3，其中水密電纜組件故障中密封失效占比很大。因此水密電纜組件的可靠性對于保障水聲換能器及整個聲吶系統的正常工作至關重要。

1 水密電纜組件密封形式

水密電纜組件的密封形式主要分為填料函機械密封、橡膠硫化密封、機械與橡膠硫化混合式密封三大類[1]。

1.1 填料函機械密封

水密連接器的外殼為金屬材料，公頭與母頭對接采用O型密封圈壓縮的機械密封（圖1），連接器的公頭、母頭大都采用螺紋連接，其接線端子可從兩個到上百個不等。連接器與電纜之間采用壓圈密封，用卡簧把電纜夾緊固定，電纜端部固定在連接器中，通過夾線套筒施加的力使密封壓圈產生變形而實現對電纜的密封。使用時需要在空氣中完成連接器與電纜以及連接器公頭與母頭的連接，連接面無潮濕、水滴、凝露等影響水密電纜組件絕緣性能的不利因素，再放入水中。這種水密電纜組件的特點是密封結構可拆卸，方便使用維護。該密封方式常因彈性材料的壓縮量較小而導致密封效果欠佳，或因彈性材料的壓縮量過大而擠壓電纜，使之變形，影響電纜的性能。同時，橡膠類彈性材料隨著使用時間的延長會出現蠕變現象，導致密封界面失效，輕則絕緣電阻下降，重則連接處滲水，影響水密電纜組件的正常使用，導致系統失效。因此，該型水密電纜組件在實際應用中逐漸減少。

圖1 機械式密封水密電纜組件

1.2 橡膠硫化密封

水密連接器的公頭和母頭分別與水密電纜硫化密封。公頭和母頭上同時硫化橡膠，通過公頭與母頭的直接相連，免去了O型圈的機械密封。目前的產品接線端子數量相對較少。公頭與母頭結合時依靠橡膠與橡膠之間的擠壓進行水密，形成一個個獨立的腔體。公頭和母頭對接后用螺紋連接固定，防止公頭和母頭脫開。此外，公頭和母頭都是單獨的密封件，水不會進入公頭和母頭的內部，從而確保了水密電纜組件可以在水下進行拆分和裝配[2]。

圖2 橡膠硫化密封水密電纜組件

這種水密電纜組件的特點是結構簡單，密封效果好，適用于深水工作。隨著深水換能器的廣泛應用，該型水密電纜組件的使用需求越來越多。美國的Subconn和Seacon公司生產的該類型產品得到了廣泛應用。

1.3 機械與硫化混合式密封

水密連接器外殼采用金屬材料，連接器公頭和母頭對接采用O形圈機械密封結構，水密連接器與水密電纜連接部位采用橡膠硫化密封，其接線端子從兩個到上百個不等。水密連接器公頭和母頭對接需要在空氣中完成，不能在水下進行連接和拆卸。這種水密電纜組件的特點是產品結構簡單、操作方便、成本低，是目前最常使用的密封形式。

圖3 機械與硫化混合式密封水密電纜組件

2 水密電纜組件特性分析

2.1 密封原理

金屬外殼的水密連接器公頭與母頭之間用 O形圈進行密封，采用螺紋連接固定。O形圈密封是依靠自身的彈性，以及裝配過盈量或預加載荷來實現的。其密封原理是：當密封圈裝入密封安裝槽后，受到一定的初始擠壓或壓縮作用，這種擠壓或壓縮作用提供了初始密封壓力P，而在工作過程中密封圈與介質接觸表面會受到來自流體壓力P0，從而使得密封面的接觸壓力增加到P1，此時密封面的接觸壓力P1大于流體壓力P0，阻擋了介質流動，進而起到密封作用[3]。水密電纜與水密連接器公頭（或母頭）采用熱硫化粘接進行密封。

圖4 水密連接器公頭與母頭密封示意圖

熱硫化粘接的機理為：膠粘劑中的鹵素分子（在鹵化橡膠的分子鏈上），如氯、溴分子等，以共價鍵、離子鍵的形式，將金屬原子（如鐵原子）與鹵化橡膠結合，同時在熱硫化的作用下，膠粘劑與橡膠產生共交聯，從而完成粘合過程。從熱硫化粘接的機理中不難發(fā)現，直接影響水密電纜與連接器公頭（或母頭）粘接性能的因素有硫化工藝條件、金屬表面處理以及膠粘劑的選擇等[4]。

圖5 水密連接器與水密電纜熱硫化密封示意圖

橡膠硫化密封水密電纜組件是通過公頭與母頭的直接相連，省去了O型圈的密封。其密封原理為：橡膠水密連接器公頭插針上包覆的橡膠直徑大于母頭插孔的孔徑，當連接器公頭和母頭對接時，插針和插孔是過盈配合，實現插針包覆橡膠的預壓縮。類似O形圈的密封原理，即公頭和母頭對接時，密封面能產生一定的預壓縮應力Py，當水密電纜組件放入水中時，連接器四周受到水壓Ps的作用，所以密封面的接觸壓力Pj為：Pj=Py+Ps，因為Py>0，且Py隨著連接器所處位置水深的增加而增加，當Pj>Ps時，實現自密封。

2.2 失效分析

目前水聲換能器在使用過程中水密電纜組件的失效模式主要有兩種：一是電氣失效，芯線折斷、焊點脫焊虛焊，導致開路；插針插孔導體表面氧化、腐蝕引起電路接觸不良；在高電壓狀態(tài)下，導體之間的絕緣件失效，引起短路。二是密封失效，水分子通過水密電纜組件外表面滲透到內部，引起絕緣電阻降低。

2.2.1 電氣失效

水密電纜組件在使用過程中，如果電纜處于頻繁的曲繞狀態(tài)，容易引起電纜芯線折斷，引起開路。在實際使用中，水密電纜組件安裝完成后，在一定的距離處將電纜與船體固定，這樣可以有效的防止電纜曲繞。

對于需要頻繁插拔使用的水密電纜組件，插針插孔導體表面易氧化或腐蝕，導致導體之間接觸不良或接觸電阻過大，影響水密電纜組件正常使用。為此，插針插孔導體需采用導電性能良好的彈性銅合金制造，并在銅合金表面采用鍍銀、鍍金的工藝達到導體之間接觸電阻小、防腐蝕及抗氧化的目的。

隨著水聲技術的不斷發(fā)展，對換能器的性能提出了更高的要求：在大功率狀態(tài)下長時間可靠的工作。水密電纜組件導體之間通過絕緣介質進行隔離，在強電場狀態(tài)下，當電場強度超過材料臨界值時，絕緣介質將失去其絕緣性能，電介質被擊穿（此時的電壓稱為擊穿電壓），引起導體之間短路。一般水密電纜組件導體之間除絕緣介質外常有空氣隙，氣隙的擊穿電場強度比絕緣介質在相同距離下的小很多，因此水密電纜組件的擊穿電壓主要是導體間氣隙的擊穿電壓。當導體間空氣間隙的電場強度達到一定值時，會將空氣電離造成部分導電，電子和離子在電場作用下相互碰撞，產生的發(fā)光現象叫電暈，實際上就是空氣的部分擊穿。電場強度繼續(xù)增大，散發(fā)大量熱能并產生閃光，以至燒毀絕緣介質，絕緣介質失去其絕緣性能，引起導體之間短路[5]。實際水密電纜組件在使用過程中，通常將導體之間的空氣隙用絕緣材料灌封，對于提高導體之間的抗電性能具有非常重要的作用。

2.2.2 密封失效

對于水密電纜組件，密封失效主要因為密封部件的失效，表現為金屬腐蝕密封結構失效、密封圈失效、硫化橡膠與殼體、電纜等硫化粘接部位失效。

（1）金屬腐蝕

海水是多種成分的水溶液，含有多種無機鹽類，這使得海水被稱為天然的強電解質，具有導電特性。海水中的金屬材料受化學、物理和生物的作用而發(fā)生性能的變化，稱之為金屬腐蝕。腐蝕的結果是：材料變薄，強度降低，有時發(fā)生局部穿孔或斷裂，甚至破壞結構。

金屬腐蝕原理：浸入海水中的金屬，表面會出現穩(wěn)定的電極電勢，金屬 M 的陽極氧化反應：M→M++e；陰極還原反應：O2+2H2O+4e→4OH-。兩者均勻地發(fā)生在整個金屬表面上，在金屬和海水中，電荷是守恒的，每當生成一個金屬離子、產生一個電子時，隨即被氧化還原反應。在海水中構成的原電池反應速率要比淡水中構成的原電池反應速率快很多，也就是金屬在海水中的腐蝕比在淡水中快很多。

連接器金屬材料發(fā)生海水腐蝕，特別是在密封結構位置發(fā)生點蝕、晶界腐蝕、縫隙腐蝕等問題，就會引起密封失效。連接器金屬材料應避免使用鑄件、鍛件和焊接件，這些構件中常含有氣孔、裂紋或焊縫，在深水條件下易發(fā)生滲漏。金屬材料在海水中提高其耐腐蝕的方法主要有：在金屬中添加合金元素，如在鋼材冶煉過程中增加銅、鉻和鎳等，提高防腐蝕性；在金屬表面覆蓋保護層；電化學陰極保護或陽極保護等[6]。

連接器密封部位的公差配合和加工精度采用余度設計，對非關鍵件可以適當簡化設計，而關鍵件和結構則應提高設計要求，強化它的功能，從而提高可靠性。為了提高連接器的水密性能，密封部位可采用雙重密封結構，且兩重密封不是簡單的重復（如兩道平面密封軸向壓緊或兩道徑向密封），而是采用一道平面密封軸向壓緊和一道徑向密封，這種密封方式避免了同種材料、相同結構又受同一方向的應力的弊端，可以提高可靠性。

（2）O型密封圈失效

常見的密封圈失效的形式有安裝損傷、密封件卷曲、過度壓縮、擠出、磨損、永久壓縮變形、化學腐蝕、氣體析出材料損失和熱腐蝕等。

密封圈在選材時，應根據不同的使用環(huán)境選擇不同的密封材料。耐油時采用丁腈橡膠，耐候和臭氧通常選用氯丁橡膠，高溫時常選用硅橡膠或氟橡膠，耐壓或耐磨時用聚氨酯橡膠，耐寒且耐油用共聚氯酯橡膠，耐酸堿用聚四氟乙烯等。

密封圈、安裝槽、活塞桿等的尺寸、公差設計應符合要求，避免密封圈壓縮率過大或過小、密封圈發(fā)熱損壞、滾動爬行、擠入間隙、咬傷等問題發(fā)生。水密電纜組件所用密封圈的拉伸量為 1.03～1.04 mm、壓縮率為15%～25%，靜密封槽壁粗糙度Ra通常為6.3～3.2，動密封時槽壁和槽底的Ra通常在1.6以下，密封溝槽的尺寸參數取決于密封圈的尺寸，一般O型密封圈的截面面積應在溝槽截面面積的85%以上，密封槽寬度應大于密封圈壓縮變形后的最大尺寸，大多為密封圈截面直徑的 1.1～1.5倍。溝槽的深度則主要取決于密封圈的壓縮率。

水密電連接器裝配密封圈前，應認真檢查密封圈是否有毛刺、裂痕、變形破損等，對密封溝槽、接合面進行清洗，并對密封圈裝配中的接觸面涂潤滑劑，安裝于規(guī)定的密封位置上再進行對接操作。

為預防密封圈永久壓縮變形、化學腐蝕、氣體析出材料損失熱腐蝕等失效，水密電連接器不能接觸非規(guī)定要求的環(huán)境介質，避免腐蝕性液、氣體腐蝕密封部件[7]。

密封圈壓縮密封時，施加的機械應力不是越大越好，而應在密封圈的壓縮范圍內。如果超過了密封圈的壓縮形變的限度，密封圈會產生永久變形，失去彈性導致密封失效。對于連接器靜密封形式，密封圈的壓縮量在15%～25%范圍內。

（3）硫化橡膠粘接失效

水密電纜組件中水密電纜橡膠護套與金屬接頭的硫化粘接部位往往是強大水壓環(huán)境下海水泄漏的薄弱環(huán)節(jié)。硫化粘接處失效主要表現為電纜護套與橡膠、金屬接頭與橡膠硫化粘接處開裂產生間隙，造成漏水、密封失效。

電纜的橡膠保護套與金屬接頭在交變水壓環(huán)境下，兩者的體積收縮變化率不同（電纜橡膠保護套受壓收縮變化率大，金屬材料受壓收縮變化率?。沟迷揪o密結合的各部件表層反復產生相對位移，可能導致兩者連接處開裂以致電纜滲水從而影響與水密電纜組件相連接的相關儀器的使用性能[8]。電纜在運輸或者安裝時由于操作不當等原因使得橡膠護套與金屬接頭的硫化粘接部位反復彎折，各結構件之間將會發(fā)生松動，表面粘接層之間分離，發(fā)生軸向位移，產生縫隙，從而導致海水沿縫隙進入水密電纜組件，引起密封失效。

影響水密電纜橡膠護套與金屬接頭硫化粘接性能的主要因素有：硫化工藝條件、金屬表面處理、膠粘劑的選擇、使用時的受力情況、環(huán)境介質對硫化部位的影響等方面。為預防橡膠硫化粘接密封失效，水密電連接器使用前應檢查其主要密封部位是否有裂紋、開膠、老化失效等外觀缺陷，使用過程中避免反復彎折。

（4）電纜護套滲水

水密電纜組件中，橡膠護套是防止水分子進入電纜內部的屏障，隨著使用時間的增加，在壓力、溫度等條件的作用下，水分子通過水密電纜護套進入電纜內部，引起水密電纜組件密封失效。

護套的主體材料通常采用聚氨酯、氯磺化聚乙烯橡膠、氯丁橡膠等。聚氨酯強度高、耐油、抗彎曲、耐疲勞、耐臭氧性能好，但是電性能不佳，耐老化性能差，吸水率大于氯磺化聚乙烯橡膠和氯丁橡膠。氯磺化聚乙烯橡膠和氯丁橡膠具有水密性能好、與金屬粘合力大、耐酸堿等化學試劑、加工性能優(yōu)異等優(yōu)點，是非常重要的電纜護套膠料主體材料。電纜護套的透水性取決于其自身的分子結構和化學組成，當高聚物中含有親水性基團時，就會增加水在高聚物中的溶解度，從而增大了水的滲透性。同時外界溫度、壓力的增大會加速水分子的滲透。

水密電纜按照密封方式分為橫向和縱向兩種?？v向水密電纜利用阻水膠水或發(fā)泡阻水帶，在護套破損的情況下，延緩水在電纜內部流動的速度，提高設備使用的可靠性。為了提高水密電纜組件的水密性能、提高使用壽命，應盡可能采用縱向水密電纜，護套采用橡膠類材料，在條件允許的情況下，盡量增加護套的厚度。

3 結論

水聲換能器所使用水密電纜組件的密封形式中，填料函機械密封穩(wěn)定性較差，在實際應用中逐漸減少；橡膠硫化密封是一種新技術產品，能夠進行水下拆卸和連接，特別在深水條件具有很大優(yōu)勢，國外同類產品已得到廣泛應用，目前國內正在大力研發(fā)這類型的產品；機械與橡膠硫化混合式密封技術成熟，性能穩(wěn)定可靠，是目前使用最多的產品類型。

水密電纜組件的失效原因中密封失效占比很大。引起密封失效的主要原因有金屬腐蝕、O型密封圈失效、橡膠硫化接合處失效和電纜護套滲水，本文針對不同的失效模式提出了相應的預防和改進措施，可在工程應用中提高組件甚至系統的可靠性。