一種水密鎧裝光纜的設(shè)計制造及其阻水工藝研究

趙 靜， 繆小明， 繆 斌， 譚 楓

（江蘇中天科技股份有限公司，南通 226463）

0 引 言

隨著我國國防力量的不斷加強和海洋經(jīng)濟的迅速發(fā)展，各類海洋裝備的需求也不斷擴大，對其配套設(shè)備和材料的性能要求也越來越高。 通信用水密光纜廣泛應(yīng)用于潛艇、航母、軍艦、載人潛水器等軍用領(lǐng)域，也應(yīng)用于隧道、水底監(jiān)測系統(tǒng)、船舶、水上發(fā)電場、水上平臺通信等民用領(lǐng)域［1］。 根據(jù)水下裝備用光纜的應(yīng)用環(huán)境，水密光纜須滿足較高的機械強度，全截面阻水，適應(yīng)狹小設(shè)備空間的同時又能有效防止動物啃咬破壞，在水下環(huán)境中能保持長期穩(wěn)定的工作。

本工作開發(fā)了一種6 芯水密鎧裝光纜，通過對光纜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和阻水工藝的研究，滿足4.5 MPa縱向水密性能，提高光纜在水下和艙內(nèi)浸水敷設(shè)環(huán)境中的性能穩(wěn)定性及使用壽命。

1 設(shè)計與制造

1.1 光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計

水密性能包括縱向水密和徑向水密兩個方面，通常光纜的縱向水密性能，即衡量水下用光纜在遇到外物破壞或長時間的摩擦導(dǎo)致外護套破裂時，阻止水進入光纜內(nèi)部及沿光纜軸向滲透進設(shè)備儀器的能力［2］。 本工作設(shè)計的光纜要求在承受縱向4.5 MPa靜水壓下，纜芯不會發(fā)生明顯滑移，且光纜端面無水滲出。

根據(jù)GJB 1428B—2009《光纜通用規(guī)范》［3］、MIL-DTL-24643C：2009《艦船用低煙無鹵電纜通用規(guī)范》［4］，及客戶的實際應(yīng)用需求，本工作設(shè)計的6 芯水密鎧裝光纜結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

水密光纜的結(jié)構(gòu)特點如下：

（1）通過在光纜縫隙填充阻水膏，在承受縱向4.5 MPa 靜水壓下，有效地阻止水分向光纜內(nèi)部縱向滲透，同時光纜端面任何元件相對護套的位移不大于6.4 mm。

（2）采用耐水解、耐腐蝕、耐磨損的聚醚類阻燃型聚氨酯雙護套，結(jié)合柔性鋼管鎧裝與金屬編織鎧裝的雙鎧裝設(shè)計，提高光纜的柔軟性和抗側(cè)壓能力，確保光纜徑向耐水壓能力。

（3）滿足8 倍纜徑的最小彎曲直徑，且具有防動物啃咬、耐磨損、耐油、耐鹽、阻燃等性能，保證光纜在惡劣敷設(shè)環(huán)境中的性能穩(wěn)定性和使用壽命。

1.1.1 光單元設(shè)計

本工作采用G.657.A2 彎曲不敏感單模光纖，制成尼龍緊包光纖，提高光纖的抗沖擊性能和耐化學(xué)性能；同時在6 根緊包光纖與中心加強件纖維增強復(fù)合塑料（FRP）之間填充一種阻水膏，采用聚氨酯內(nèi)護套對緊包纖單元進行擠塑包覆，使得結(jié)構(gòu)緊密無縫隙，提高光單元的水密性能。 該結(jié)構(gòu)的光單元，具有較好的柔軟性和彎曲性能，適合艙內(nèi)狹小工作環(huán)境中的光纜敷設(shè)，可保證光纜的傳輸性能。

1.1.2 鎧裝層設(shè)計

為了滿足光纜的抗側(cè)壓、抗拉和彎曲性能，本工作設(shè)計了內(nèi)層柔性鋼管鎧裝與外層鍍鋅鋼絲編織鎧裝相結(jié)合的鎧裝層結(jié)構(gòu)。 內(nèi)層螺旋繞制的柔性鋼管鎧裝層，其抗壓性能優(yōu)于金屬復(fù)合帶鎧裝，彎曲性能也優(yōu)于多根平行鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)；外層的鍍鋅鋼絲編織層，編織覆蓋率不小于88%，提高了光纜的抗拉性能，還能有效地防止魚類和嚙齒類動物的啃咬。

1.2 光纜制造工藝

根據(jù)6 芯水密鎧裝光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其主要生產(chǎn)工藝包括：①尼龍緊包光纖生產(chǎn)；②光單元成纜擠制內(nèi)護套；③柔性鋼管鎧裝及編織鎧裝；④聚氨酯外護套生產(chǎn)。 為了確保光纜的水密性能，光纜生產(chǎn)過程中阻水工藝的控制是關(guān)鍵。

1.2.1 光單元制造工藝

光單元制造工藝流程見圖2。

光單元制造工藝要點包括：①在緊包光纖生產(chǎn)時對緊包層與光纖之間的空隙進行抽真空處理，使聚酰胺緊包層能夠緊密包覆光纖，達到緊包光纖的水密效果；②在緊包光纖和中心加強件絞合的縫隙填滿阻水材料，保證整個光單元的阻水性能。

1.2.2 鎧裝及護套工藝

鎧裝及護套工藝流程見圖3。

鎧裝及護套工藝控制要點是分別在柔性鋼管鎧裝層縫隙和金屬絲編織鎧裝后的纜芯單元外填充阻水材料，從而保證光纜全截面的阻水性能。

2 阻水工藝

2.1 阻水材料

常見的水密纜用阻水填充膏有3 種類型［5］，分別為吸水膨脹型阻水填充膠、半固化型阻水填充膠、密封抗水型阻水填充膠。 本工作分別選用了吸水膨脹型阻水膏（樣品A）、半固化型阻水膏（樣品B）和密封抗水型阻水膏（樣品C）3 種阻水材料在25 ℃下進行試驗，其性能參數(shù)見表1。

表1 阻水膏性能參數(shù)

3 種阻水膏都具有優(yōu)異的觸變性和室溫冷填充性能，固化后無收縮，具有耐水壓沖擊、不黏手、易剝離、柔韌性好，可以與聚酰胺纖維、聚氨酯材料、不銹鋼絲黏合，與光纜材料相容性良好等特點，但存在以下幾點差異：①從材料類型上分析，樣品A、樣品B兩種阻水膏均為雙組分室溫交聯(lián)型阻水膏；樣品C阻水膏為單組分室溫硫化硅橡膠。 ②從填充工藝上分析，樣品A、樣品B 阻水膏都需要將雙組份按一定比例混合均勻，混合后剪切強度小、錐入度大，適合直接涂覆或壓力填充；樣品C 阻水膏剪切強度大，不合適直接涂敷，需要壓力填充。 ③從固化后性能特點上分析，樣品A 具有吸水膨脹能力，黏附性最好；樣品B 質(zhì)地柔軟，在高水壓下易發(fā)生形變，黏附性最差；樣品C 表面固化快，但是內(nèi)部完全固化比樣品A、樣品B 慢，使用時可以添置一個加熱裝置加速阻水膏固化進程。

2.2 填充工藝

傳統(tǒng)的水密纜阻水膏填充工藝一般是將阻水膏直接涂敷在纜芯表面，或者將纜芯穿過一個裝有阻水膏的容器，通過手動施加壓力實現(xiàn)阻水膏填充，簡易裝置示意見圖4。

圖4 傳統(tǒng)的阻水膏手動填充裝置示意圖

在實際生產(chǎn)過程中，容易出現(xiàn)以下問題：①阻水材料填充不充分，容易出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，耐水壓等級小；②擠制護套時，表面多余阻水材料易阻塞模具；③間接提高了材料和人工成本。

基于以上原因，本工作開發(fā)了一種阻水膏自動填充工藝，設(shè)計了一套氣動壓力填充裝置，該裝置示意圖見圖5。 在纜芯絞合處采用了一個帶孔的注膠并線模，方便插入注膠閥的槍嘴；通過氣壓調(diào)節(jié)出膏速率，保證阻水膏在一定壓力下完全填充在纜芯縫隙中；然后通過一個尺寸合適的過線模將表面多余的阻水膏去除。 該填充工藝自動化程度高，能精確控制填充量，保證阻水材料充分填充且均勻穩(wěn)定，更適合工業(yè)化生產(chǎn)，能有效地解決手動填充工藝存在的問題。

圖5 氣動壓力填充裝置示意圖

3 性能測試

3.1 水密性能

本工作分別選用了樣品A、樣品B、樣品C 3 種類型阻水膏，采用阻水膏自動填充工藝，制備了6 芯水密鎧裝光纜。 參照GJB 1916—1994《艦船用低煙電纜和軟線通用規(guī)范》［6］對光纜的縱向水密性進行測試，測試條件為試樣長度1.5 m、壓力4.5 MPa、時間6 h，試驗結(jié)果見表2。 由表2 可以看出，填充樣品B 阻水膏的光纜光單元存在位移且自由端出現(xiàn)漏水，無法滿足耐4.5 MPa 縱向水密性能要求纜芯端面不漏水的設(shè)計要求。 因此，在水密光纜的阻水材料選擇上，一般選用吸水膨脹型阻水填充膠或密封抗水型阻水填充膠；而半固化型阻水填充膠固化后呈凝膠狀，質(zhì)地柔軟，黏附力差，在較高水壓下不能起到很好的阻水作用，可導(dǎo)致光纜出現(xiàn)滲水。

表2 6 芯水密鎧裝光纜水密性能檢測

3.2 其他主要性能

根據(jù)光纜的縱向水密性能測試結(jié)果，參照GJB 1428B—2009《光纜通用規(guī)范》分別對填充阻水膏樣品A 和樣品C 的6 芯水密鎧裝光纜的傳輸、機械和環(huán)境性能進行了相關(guān)試驗，主要性能指標(biāo)及試驗結(jié)果見表3～表6。

表3 光纜傳輸性能試驗結(jié)果

表4 光纜拉伸性能試驗結(jié)果

表5 光纜抗側(cè)壓性能試驗結(jié)果

表6 光纜溫度循環(huán)試驗數(shù)據(jù)

由表3～表6 可知：分別采用樣品A、樣品C 兩種阻水膏的6 芯水密鎧裝光纜滿足4.5 MPa 縱向水密的同時，主要性能指標(biāo)均滿足GJB 1428B—2009《光纜通用規(guī)范》要求。

4 結(jié)束語

本工作采用內(nèi)層柔性鋼管鎧裝、外層不銹鋼絲編織，以及聚氨酯雙護套的結(jié)構(gòu)設(shè)計，研發(fā)了一種6 芯水密鎧裝光纜。 通過不同阻水填充材料選型及一種自動填充工藝研究，保證了光單元在絞合成纜和金屬鎧裝、編織工藝中的阻水密封性。 為水密光纜的設(shè)計制造及阻水工藝研究提供經(jīng)驗參考。