新型深海線纜及組件用水密試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

辛秀東，吳 宇，宋 杰

新型深海線纜及組件用水密試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

辛秀東1，吳 宇2，宋 杰1

（1．上海電纜研究所有限公司 特種電纜技術(shù)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海 200093；2.海軍裝備部，上海 200136）

本文結(jié)合中國水下裝備對(duì)于線纜的使用要求，提供了一種驗(yàn)證手段，詳細(xì)論述了水密試驗(yàn)系統(tǒng)的功能和設(shè)計(jì)的技術(shù)要點(diǎn)；通過材料選型與仿真結(jié)合的方法論述了水密試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性，并提供了一種新型的試驗(yàn)夾具和試驗(yàn)控制系統(tǒng)，極大地提高了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

水密 有限元分析 抗張強(qiáng)度 不銹鋼

0 引言

建設(shè)海洋強(qiáng)國是中國特色社會(huì)主義事業(yè)的重要組成部分，水下裝備系統(tǒng)不斷往更深、更強(qiáng)、更可靠的方向發(fā)展，特種水密線纜及組件是現(xiàn)代艦船, 尤其是水下裝備的重要配套產(chǎn)品之一，直接關(guān)系到水下裝備的安全性、可靠性、先進(jìn)性以及作戰(zhàn)能力。隨著目前水下裝備的往更深發(fā)展，對(duì)水密封線纜耐水壓的性能要求也越來越高，已經(jīng)由原來的200 m水深到了現(xiàn)在的萬米水深。因此，隨著水密封線纜技術(shù)要求的提高，其水密試驗(yàn)難度也提出了更高的挑戰(zhàn)，亟需一臺(tái)能夠真實(shí)模擬水下裝備系統(tǒng)用線纜及組件所受到水壓情況的設(shè)備，為水密線纜及組件的研發(fā)和生產(chǎn)提供驗(yàn)證手段，確保交付的產(chǎn)品滿足要求。

1 水密線纜及組件試驗(yàn)條件

對(duì)于水密線纜的試驗(yàn)的要求通常采用GJB 1916-1994和GJB 774A-2020中規(guī)定的試驗(yàn)方法，主要是滿足靜水壓力的縱向水密要求；對(duì)于動(dòng)態(tài)水壓下的縱橫向（特別橫向水壓下的運(yùn)行）試驗(yàn)很少有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定，大多是通過實(shí)際工況并結(jié)合上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行驗(yàn)證。例如，在不同深度下、經(jīng)過長時(shí)間周期性水壓變化過程中水密線纜組件的信號(hào)傳輸、電氣性能等工作條件的變化情況。

上海電纜研究所根據(jù)多年的水密線纜及組件的研發(fā)、生產(chǎn)和驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合目前水密線纜及組件的使用工況，研制開發(fā)了一套30 MPa深海水密線纜及組件用縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠有效的模擬水下裝置在水里上浮或下潛過程中受到的水壓變化情況，能夠?qū)λ芫€纜及組件進(jìn)行縱向或橫向動(dòng)態(tài)水密試驗(yàn)。通過縱向水密試驗(yàn)來驗(yàn)證水密線纜及組件的動(dòng)態(tài)水密安全性；通過橫向水密試驗(yàn)既能驗(yàn)證水密線纜及組件的動(dòng)態(tài)水密安全性又能檢測(cè)其電氣性能或傳輸性能。

2 縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)主要功能簡述

這款縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)主要由縱橫向水密試驗(yàn)罐、水壓增壓系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)三部分組成。試驗(yàn)罐可將電纜一端置于充滿水的試驗(yàn)罐內(nèi)，進(jìn)行縱向水密試驗(yàn)；也可將電纜的兩端伸出罐外，進(jìn)行橫向水密試驗(yàn)。操作控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)編程功能，采用自動(dòng)調(diào)壓技術(shù)，精度控制在0.5MPa以內(nèi)，可根據(jù)設(shè)定的程序?qū)λ畨涸鰤合到y(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)加壓、泄壓或按照規(guī)定時(shí)間進(jìn)行恒壓保持。試驗(yàn)罐是縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)的主體部分，其一端開有三個(gè)裝電纜夾口，另一端開有一個(gè)裝電纜夾口，能夠?qū)崿F(xiàn)外徑80mm及以下的線纜縱橫向水密試驗(yàn)，也能用于水下連接器（外徑≤80mm）的縱橫向水密試驗(yàn)，基本涵蓋了水下裝備用各類線纜及組件尺寸范圍?？v橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1所示。

圖1 縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)

3 縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

3.1 罐體材料選擇

水密試驗(yàn)罐內(nèi)部長期充水，除了應(yīng)滿足足夠的水密性能外，所用的材料必須具有優(yōu)良的抗壓強(qiáng)度、耐海水腐蝕等性能。聚酯塑料材料雖然具有良好的耐海水性能，但是很難滿足幾百米水壓的性能，故考慮采用金屬材料。目前壓力設(shè)備常用的金屬材料主要有碳鋼和不銹鋼。碳鋼長期在水的環(huán)境下使用會(huì)生銹腐蝕，故考慮采用不銹鋼材質(zhì)。最常用的不銹鋼材料有三種型號(hào)：201、304和316。具體對(duì)比如下：

1）304不銹鋼防銹性能比201不銹鋼材料要強(qiáng)。201不銹鋼含錳較高,在長期使用過程中會(huì)慢慢產(chǎn)生銹跡，另外材料比較硬，比較容易開裂。304不銹鋼含鎳比201不銹鋼多，長期使用不生銹，而且有韌性，耐疲勞度比201不銹鋼好很多；

2）304不銹鋼和316不銹鋼均屬衛(wèi)生級(jí)不銹鋼，在日常使用中并無明顯區(qū)別，光潔度好，且易車易加工，已廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境、化學(xué)、染料、造紙、草酸、肥料等生產(chǎn)設(shè)備。316型不銹鋼抗腐蝕能力優(yōu)于304不銹鋼，因此就材質(zhì)耐腐蝕性而言316不銹鋼更好。但是，試驗(yàn)罐體的材料必須具有優(yōu)良的抗壓強(qiáng)度，需要具有長期承受30MPa大水壓下的試驗(yàn)?zāi)芰Α?04不銹鋼比316不銹鋼具有更高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，其主要力學(xué)性能對(duì)比見表1所述，另外本試驗(yàn)系統(tǒng)所使用的水源為自來水，并在試驗(yàn)室環(huán)境條件下進(jìn)行試驗(yàn)，因此選用304不銹鋼更具有性價(jià)比。

表1 304和316不銹鋼主要力學(xué)性能對(duì)比

3.2 罐體結(jié)構(gòu)確定選擇

在確定了水密試驗(yàn)罐的材料后，水密試驗(yàn)罐采用什么樣的結(jié)構(gòu)尺寸，鋼體厚度是多少，采用什么樣的連接螺栓是必須考慮的。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能保證在高水壓下的長期安全有效使用。

為了滿足試驗(yàn)樣品的通用性，本縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)尺寸上盡量做到了合理化，既不是體積龐大，也不是那種纖小而導(dǎo)致樣品受約束。為了兼容GJB 1916-1994和GJB 774A-2020標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)條件，水密試驗(yàn)罐的長度不低于1m，可以實(shí)現(xiàn)縱向水密試驗(yàn)。結(jié)合多年的用戶使用水下特種線纜尺寸范圍和試驗(yàn)條件，確定了水密試驗(yàn)罐的工作艙形狀采用圓柱體結(jié)構(gòu)。圓柱體結(jié)構(gòu)能夠承受更大的壓力，空間更有效，其尺寸為：Φ350 mm*1500 mm。內(nèi)艙直徑為350 mm，也可以對(duì)直徑30 mm以下的軟線纜（水下裝備線纜通常規(guī)定最小彎曲半徑6倍線纜直徑）進(jìn)行橫向水壓試驗(yàn)過程中的傳輸性能測(cè)試，如插損、駐波、光纜衰減等（見圖2，圖3所示）。

圖2 橫向水壓試驗(yàn)示意圖

圖3 水密試驗(yàn)罐外形

3.3 罐體及螺栓關(guān)鍵件應(yīng)力分析

水密試驗(yàn)罐所承受的試驗(yàn)水壓最大到了30MPa，罐體內(nèi)徑達(dá)到了350 mm，在這樣高的壓強(qiáng)下，罐體所受的力非常大，所以在生產(chǎn)前必須進(jìn)行應(yīng)力分析以確定罐體的鋼板厚度和選擇合適的高強(qiáng)的壓緊螺栓。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，使有限元分析方法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，我們采用SolidWorks Simulation或Ansys Workbench對(duì)所設(shè)計(jì)的水密試驗(yàn)罐進(jìn)行應(yīng)力分析，調(diào)整罐體的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡化仿真模型，看是否滿足設(shè)計(jì)的要求，以便為生產(chǎn)加工提供必要的參考。圖4所示，水壓30MPa時(shí)，罐體厚度為55mm時(shí)的應(yīng)力分布和安全系數(shù)分布圖。

根據(jù)水密試驗(yàn)罐預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分，采用表1中的參數(shù)設(shè)置材料屬性，并設(shè)置壓強(qiáng)分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa、35 MPa，SolidWorks Simulation計(jì)算水密試驗(yàn)罐的應(yīng)力分布情況和安全系數(shù)見表2所示。

圖4 水密試驗(yàn)罐應(yīng)力分析仿真示意圖

圖5是水密試驗(yàn)罐的前后擋板，擋板的厚度均厚于罐體厚度，在30MPa壓力內(nèi)是安全可靠的。但是，連接罐體和前后擋板的螺栓的強(qiáng)度卻是至關(guān)重要的，需要選擇高強(qiáng)度的螺栓和合適的數(shù)量。對(duì)于壓力容器等緊密性要求較高的重要聯(lián)接，當(dāng)工作壓力為（20～30）MPa時(shí)，螺栓間距不得大于3d（d為螺栓螺紋標(biāo)稱直徑）。水密試驗(yàn)罐的螺栓規(guī)格為M33，螺栓間距不得大于99 mm，根據(jù)本水密試驗(yàn)罐的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算得到螺栓數(shù)量至少17個(gè)。項(xiàng)目組選用了18個(gè)10.9級(jí)的高強(qiáng)度螺栓(標(biāo)稱抗張強(qiáng)度≥1040MPa，屈服強(qiáng)度≥940 MPa，有效截面積694 mm2)，另外從安全性考慮增加了6根高強(qiáng)度的40Cr鋼棒(標(biāo)稱抗張強(qiáng)度≥980 MPa，屈服強(qiáng)度≥785 MPa，有效截面積694 mm2)，將前后兩個(gè)擋板連接加固（見圖5所示）。

表2 SolidWorks Simulation計(jì)算水密試驗(yàn)罐的應(yīng)力分布情況和安全系數(shù)表

圖5 水密試驗(yàn)罐兩端圖

水密試驗(yàn)罐的螺栓組所受的力為軸向載荷，每個(gè)螺栓所受軸向工作載荷為：

F1為水在罐體擋板有效截面=π*350*350/4=96211mm2上的力值，單位N；F2為螺栓上的殘余預(yù)緊力，一般取值1.6*F1，單位N；為水的壓強(qiáng)，單位MPa；為螺栓的有效截面積，單位mm2；δ為螺栓的屈服應(yīng)力，單位MPa，為螺栓數(shù)量；為安全系數(shù)，一般取值1.5。

根據(jù)第四強(qiáng)度理論：

通過以上推導(dǎo)計(jì)算，采用18個(gè)10.9級(jí)的高強(qiáng)度螺栓和6根高強(qiáng)度的40Cr鋼棒進(jìn)行連接密封,安全可靠。

3.4 線纜夾具

在進(jìn)行水密試驗(yàn)時(shí)，將電纜一端穿進(jìn)水密罐里邊，另一端在水密罐外端（如圖6所示），壓力增大到規(guī)定的要求，并在保持規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，觀察線纜是否漏水。目前在常規(guī)的兩三百米水深下，電纜外徑在40 mm內(nèi)時(shí)，水密試驗(yàn)夾具一般單獨(dú)采用墊片壓緊或水密膠粘接方式就可以完成水密試驗(yàn)，而不會(huì)產(chǎn)生電纜和夾具之間的滑移現(xiàn)象。但是，當(dāng)水壓達(dá)到700 m水深以后，電纜外徑在20 mm以上時(shí)，電纜所受的壓力達(dá)到220公斤以上，這種常規(guī)的夾具很難將電纜固定住，電纜很容易從夾具中滑移出來，造成試驗(yàn)失敗。

圖6 水密封試驗(yàn)示意圖

本縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)提供了一種深海水密封線纜水密試驗(yàn)夾具（見圖5、圖7），通過兩重夾緊方式將電纜固定，增強(qiáng)了電纜和夾具之間的連接程度。一重方式：采用緊壓螺母和夾具筒之間的螺紋旋緊方式，將夾具筒里邊（不銹鋼墊環(huán)+水密橡皮膠帶（或墊）+不銹鋼墊環(huán)）緊緊壓住，使得水密橡皮膠帶（或墊）徑向壓漲，將電纜固定住；第二重方式：在后邊的圓錐孔灌膠夾具內(nèi)灌封彈性熱熔膠(或環(huán)氧樹脂)，將電纜和圓錐孔夾具粘住，當(dāng)水的壓力越大時(shí)，作用于圓錐狀的彈性熱熔膠(或環(huán)氧樹脂)上的力就越大，就會(huì)使得電纜上受到的夾持力越大，將電纜更容易固定住。通過以上兩重方式的新型夾具，有效的解決了大水壓試驗(yàn)條件下，普通水密罐的夾具難以夾住電纜的問題。另外，采用這種螺栓連接的可拆卸方式，可以很方便的把試驗(yàn)后的樣品取出。采用10.9級(jí)的高強(qiáng)度螺栓把圓形（或方形）夾具壓板和罐體蓋緊密連接，將線纜夾具密封壓緊（見圖5、圖8）在他們中間。

3.5 水壓控制系統(tǒng)

本款縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)提供一套完整的水壓控制系統(tǒng)，通過PLC模塊對(duì)系統(tǒng)中的輸入和輸出參數(shù)進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)各種壓力下的自動(dòng)切換和控制壓力時(shí)間，能夠有效的模擬深海裝備在上浮或下潛或不同深度位置的壓力情況（見圖9），圖10為系統(tǒng)原理圖。同時(shí)為了保證過程中的安全性能，本縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)附帶一套安全控制裝置，如當(dāng)電纜從夾具中萬一滑移時(shí)能夠立即停止加壓并泄壓。

圖7 深海水密封線纜水密試驗(yàn)夾具

圖8 線纜夾具與水密罐連接方式圖

(附圖標(biāo)記說明：1. 被測(cè)水密封線纜；2. 灌封熱熔膠（或環(huán)氧樹脂）；3. 內(nèi)圓錐孔灌膠夾具；4. 六組連接螺栓；5. 夾具筒；6. 不銹鋼墊環(huán)；7. 水密橡皮膠墊；8. 緊壓螺母)

圖9 不同水深下，壓力--時(shí)間曲線圖

4 總結(jié)

上海電纜研究所研制的縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)能夠進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試，可用于進(jìn)行深海線纜及組件的縱向水密測(cè)試，以驗(yàn)證線纜及組件的安全性能；又能用來驗(yàn)證深海線纜及組件橫向水壓下的工作性能，如傳輸性能、耐電壓性能等。

本系統(tǒng)解決了深海用線纜及組件大壓力模擬試驗(yàn)和線纜夾具滑移問題，不僅為廠家研發(fā)和生產(chǎn)水下線纜及組件提供了驗(yàn)證的手段，而且為采購方提供了一套產(chǎn)品驗(yàn)收的方法，為產(chǎn)品的安全性和使用性提供了數(shù)據(jù)支持。

圖10 縱橫向水密試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

[1] 鄧陽春, 陳鋼, 楊笑峰, 等. 確定壓力容器安全系數(shù)原則[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 18(6): 84-88.

[2] 許瑛. 21世紀(jì)全國應(yīng)用型本科大機(jī)械系列實(shí)用規(guī)劃教材——機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)[M]. 北京: 北京大學(xué)出版社, 2008.

[3] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì). 艦船用低煙電纜和軟線通用規(guī)范: GJB 1916-1994[S]. 1994.

[4] 中央軍委裝備發(fā)展部. 艦船用電線電纜通用規(guī)范: GJB 774A-2020[S]. 北京: 國家軍用標(biāo)準(zhǔn)出版發(fā)行部, 2020.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 壓力容器: GB 150.1～150.4-2011[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2012.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管: GB/T 13296-2013[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2014.

Development of a new water tightness test system for deep-sea watertight cables and components

Xin Xiudong1，Wu Yu2，Song Jie1

(1. Shanghai Electric Cable Research Institute, State Key Laboratory of Special cable Technology, Shanghai 200093, China；2. Department of Naval Armaments, Shanghai 200136, China)

TM855

A

1003-4862（2023）11-0023-04

2023-05-08

辛秀東（1977-），男，高級(jí)工程師，研究方向：特種電線電纜的設(shè)計(jì)開發(fā)及測(cè)試。E-mail：xinxiudong@secri.com