光纜耐壓穿艙結構模型試驗

呂巖松

(海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢 430033）

光纜耐壓穿艙結構模型試驗

呂巖松

(海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢 430033）

針對光纖光柵在線監測系統對光纜穿過深潛器耐壓殼體的新需求，提出以電纜杯形管節作為光纜的耐壓穿艙結構，并以電纜杯形管節的封裝工藝對光纜耐壓穿艙結構進行封裝。對光纜耐壓穿艙結構的耐壓試驗和監測系統的聯調試驗表明，杯形管節作為光纜的耐壓穿艙結構，可以保證結構水密性。光纜經過杯形管節的封裝后，其光纖的光損耗低，可以保證監測系統的正常運行。通過試驗還得到一些有用的結論，對監測系統的正確使用有指導意義。

杯形管節;光纜;穿艙;模型;試驗研究

0 引言

近年來，光柵光纖在線監測系統在航天、船舶、電力、橋梁、建筑等領域得到廣泛應用［1－8］，這對于保證結構的正常使用、確保結構的安全性有著重要意義。水下深潛器的耐壓殼體是保證深潛器安全使用的重要結構，在水下深潛器的耐壓殼體上安裝光柵光纖在線監測系統，可以實時測量深潛器耐壓殼體的應力，保障其長期安全使用。

為監測深潛器耐壓殼體的應力，需要在耐壓殼體的內、外表面均布置應變傳感器［9］。由于監測系統的數據處理器設置在耐壓殼體的內部，因此耐壓殼外表面傳感器的數據需通過光纜傳送到耐壓殼內部，即通過光纜穿艙實現系統的連接。為保證深潛器的安全性以及監測系統的正常運行，光纜的穿艙結構必須保證水密，且與耐壓殼體具備相同的承壓能力，同時應保證光纖不損壞、無過大的光損耗。目前，尚未檢索到有應用于深潛器耐壓殼體的光纜穿艙結構的先例?？紤]到杯形管節在深潛器耐壓殼的電纜穿艙結構中已經得到了廣泛地應用，因此沿用杯形管節實現光纜穿艙。與電纜相比，光纜存在光纖斷裂和光損耗的問題，因此需要通過試驗來檢驗光纜杯形管節穿艙結構的適用性。

1 杯形管節穿艙結構

杯形管節幾何形狀如圖1所示，照片如圖2所示。在安裝時，首先在深潛器耐壓殼上開適當尺寸的圓孔，然后將杯形管節插入圓孔并與耐壓殼進行焊接。杯形管節既是光纜穿艙的通道，同時也作為耐壓殼開孔的加強結構，其尺寸通過計算確定［10］。封裝光纜時，首先將光纜穿過杯形管節中間的圓孔，然后兩端塞入墊片和填料，最后通過填料函壓緊填料，實現結構的水密，這一過程嚴格按照電纜杯形管節的封裝工藝來進行。

圖1 杯形管節示意圖Fig.1 Cup shape section

圖2 杯形管節照片Fig.2 Photo of cup shape section

光纜杯形管節在封裝時，通過兩端壓緊填料實現結構的水密，因而光纜受到很大的徑向擠壓力;同時在使用過程中，由于深潛器下潛要承受巨大的靜水壓力作用，光纜的徑向擠壓力也會增大。在徑向擠壓力作用下，是否會造成光纖斷裂或者帶來較大的光損耗，則需要通過試驗進行檢驗。

2 杯形管節穿艙結構的耐壓試驗

耐壓試驗的目的是檢驗光纜杯形管節穿艙結構的水密性以及在加壓過程中光纜光路的完好性。

2.1 加壓系統和耐壓試驗

耐壓試驗的加壓系統如圖3所示，該系統可以對壓力筒內加載10 MPa的靜水壓力。將杯形管節焊接至壓力筒的法蘭盤，并將光纜與杯形管節進行封裝，如圖4所示。將壓力筒內光纜的2根光纖對接，形成通路，并在壓力筒外相應的光纖分別接寬帶光源和光功率計，由寬帶光源發射一定功率的光，利用光功率計測量在加壓過程中光的損耗，試驗系統如圖5所示。

圖3 試驗加載系統Fig.3 Load system of experiment

圖4 杯形管節和光纜Fig.4 Cup shape section and optical cable

圖5 耐壓試驗系統安裝示意圖Fig.5 Installation of pressure test system

往壓力筒內注水，對杯形管節進行加壓。按照1.0 MPa→1.5 MPa→2.0 MPa→2.5 MPa→3.0 MPa→3.5 MPa→4.0 MPa→4.5 MPa的加載順序進行加載，在每一加載載荷均穩壓20 min，檢查光路是否暢通并測量光的損耗。載荷加至4.5 MPa后，保壓6 h，每隔30 min進行1次光路的檢查測量。在加載過程中，觀察杯形管節有無漏水，光纜是否與杯形管節產生相對位移。

2.2 耐壓試驗結果

耐壓試驗共持續500 min，在加載過程中杯形管節未出現漏水情況，未發現光纜與杯形管節有相對位移。表1列出了在加載過程中光功率的變化情況。

表1 光功率在加載過程中的變化情況Tab.1 Optical power with load

由表1可以看出，在加載過程中，測得的光功率未發生變化，光纖未出現斷裂或較大的光損耗?？梢?，采用杯形管節作為光纜的穿艙結構，可以保證水密和光纜光路的完好性。

3 監測系統的聯調試驗

制作耐壓盒鋼制模型并進行加載試驗，通過測量模型典型位置的應變，檢驗光柵光纖在線監測系統的運行情況。

3.1 耐壓盒模型

根據壓力筒的尺寸，制作1個耐壓盒模型，模型尺寸如圖6所示。

圖6 耐壓盒模型示意圖Fig.6 Pressure box

模型是1個由6塊鋼板焊接制成的長方體水密盒，其中測試面的尺寸為300 mm×400 mm×16 mm;其余各面的厚度為30 mm，模型材料為921A鋼。模型加工后進行密性試驗。在模型測試面布置光柵光纖應變傳感器和電阻應變片，布片情況如圖7所示，貼片后的模型如圖8所示。

圖7 模型測試面傳感器布片圖Fig.7 Sensors on the test surface ofmodel

圖8 模型測試面貼片后的照片Fig.8 Test surface ofmodel

3.2 耐壓盒模型受靜水外壓力作用下的數值計算

對模型在靜水壓力作用下的應變進行數值計算，應用MSC/Patran建立有限元模型，應用MSC/Marc對模型在靜水壓力作用下的應變進行計算。圖9為模型測試面在1 MPa靜水外壓力作用下應變計算值。

圖9 外載荷1 MPa作用下模型測試面應變計算值Fig.9 Strain on the test surface ofmodel under 1 MPa pressure

3.3 聯調試驗

耐壓盒模型吊入壓力筒后，將各光柵傳感器與光纜連接，光纜通過杯形管節穿出壓力筒后與解調測試設備連接。電阻應變片的導線穿出壓力筒后與應變采集設備連接。吊入壓力筒的模型如圖10所示，試驗現場如圖11所示。

圖10 模型吊入壓力筒Fig.10 Model in pressure cylinder

圖11 模型試驗現場Fig.11 View of experiment

按照0→1.0 MPa→1.5 MPa→2.0 MPa→2.5 MPa→3.0 MPa→3.5 MPa→4.0 MPa→4.5 MPa的加載次序對模型進行加壓，在每一加載載荷穩壓10 min，記錄測點的應變。

3.4 試驗結果分析

表2列出了在加載過程中各測點的應變變化情況，其中#3和#4測點位置的電阻應變片失效，表中列出了有限元的計算結果。圖12為各測點的載荷－應變曲線。

圖12 各測點的載荷－應變曲線Fig.12 Load-strain curves ofmeasuring points

表2 各測點的應變Tab.2 The strain ofmeasuring points

從表2和圖12可以看出，光柵光纖傳感器的應變測試結果與電阻應變片測試結果或有限元計算結果較為接近或略高于電阻應變片的測試結果。究其原因，光柵光纖應變傳感器的長度大于電阻應變片的長度，對于應變梯度較大的測點，其測得的應變為平均應變。

4 結語

對于在深潛器耐壓殼體上安裝光柵光纖在線監測系統時需要光纜穿艙這一新問題，提出了以杯形管節作為穿艙結構的解決方案。通過光纜杯形管節的耐壓試驗和監測系統的聯調試驗，得出如下結論:

1）以杯形管節作為光纜穿耐壓殼體的穿艙結構可行，按照電纜杯形管節的封裝工藝進行封裝后，光纜杯形管節可以保證穿艙結構的水密性和光纜光路的完好性。

2）光柵光纖應變傳感器的測試結果為測試點附近的平均應變，測試值略低于測點位置的應變峰值，在確定深潛器測點位置的應變閾值時應考慮予以修正。

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Experimental study about crossing cabin structure for optical cable

LV Yan-song
(Department of Naval Architecture，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

In order to link the optical fiber Bragg grating sensing system，the cable cup shape section was proposed to cross the cabin of pressure hull of deep sea vehicle for optical cable.According to electric cable sealing process，the optical cable was sealed with cup shape section.The pressure test of sealing structure and the test of sensing system demonstrated that the optical cable cup shape section waswatertight and the light loss of sensing system is little，so the cable cup shape section could be used as the sealing structure for optical cable to cross cabin of pressure hull.Some conclusionswere drawn by experimentwhich could guide the use of optical fiber Bragg grating sensing system.

cup shape section;optical cable;cross cabin;model;experimental study

U663.1

A

1672－7649(2014）05－0084－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.017

2013－12－27;

2014－02－10

呂巖松(1976－），男，博士，講師，從事船舶結構力學研究。