艙外密封電子設備凝露原因及預防技術

趙文生，張劍冰，范鵬杰，呂文力，葉正浩

(中國船舶集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225001)

0 引 言

近年來，隨著裝備數量增加，因艙外密封電子設備呼吸效應導致凝露、積水出現腐蝕的情況隨著設備使用時間的延長，問題暴露的越來越多，因為受海洋鹽霧氣體影響，積水中氯化鈉含量高，會導致設備器件表面產生電化學腐蝕[1-2]，甚至打火釀成事故[3]，導致戰術技術指標下降以致失效的事例屢見不鮮[4]。防水透氣閥可有效消除因為溫度變化，密封設備產生內外壓差出現呼吸現象和凝露的問題，降低電子元器件的腐蝕和故障,提高設備可靠性、安全性[5-8]。但有些“防水透氣閥”產品，對于內部空間大的設備，存在適裝性差、可靠性低，濕氣單向過濾功能不明顯,在極端的潮濕、寒冷的夜晚，ePTFE膜會因為液體的覆著或者表面的結霜（冰），而失去透氣功能[5]，或被灰塵覆蓋，防潮透氣功能效率下降。

針對上述防水透氣閥存在的問題，本文結合科技創新和質量改進課題項目，提出用防潮濕調壓裝置代替常規 “防水透氣閥”改進措施，并通過了模擬環境試驗驗證。

1 密封設備呼吸凝露產生及腐蝕危害原因

艙外設備尤其是大容積設備（腔體內部空間遠大于內裝器件體積總和），腔體內很難做到氣密性密封，例如艙外天線罩如按GJB150.3A/GJB 150.4A-2009軍用設備環境試驗方法：高溫試驗/低溫試驗，取值溫度范圍-40 ℃～+70 ℃[9-10]，假設天線罩在-40 ℃打開維修并重新密封好，當夏天來到時，天線罩內部溫度上升到70 ℃，根據克拉伯龍方程PV/T=R(常數)，在天線罩內部完全氣密、體積不變前提下，溫度從-40 ℃升到+70 ℃，極端壓強之比大于1.472，內外天線罩可產生0.482 kg/cm2的正壓差，在這么大的壓差下，由玻璃鋼等非金屬材料制成的天線罩在經過幾年風吹日曬老化使用后，一般是承受不了的。

具體計算如下：

經查詢全國各地主要城市海拔高度及大氣壓參考數據可知，海拔為0時，大氣壓＞100 kPa，且冬季大氣壓高于夏季。

假設在-40 ℃，取艦船所處環境大氣壓值為100 kPa，即

P1= 100 kPa = 1 bar = 1.02 kg/cm2（1 bar=1.02 kg/cm2），T1= 273-40 = 233 K，T2= 273+70 = 343 K，

根據克拉伯龍方程PV/T=R(常數)P2/P1=T2/T1=343/233 = 1.472，壓差 =P2-P1=P1（T2-T1）/T1= 1.02（343-233）÷ 233 = 0.482 kg/cm2。

上述雖然是在極端情況，但是即使在常規情況下，隨著季節、日夜的變化，天線罩某一時刻內外壓差也是很大的。比如一般情況下，天線罩在+30 ℃裝配后交付使用在威海的艦船，在冬季夜晚-10 ℃（威海在2016年1月25日，最低溫度為-13.9 ℃）的溫度下，天線罩如果仍然保護氣密狀態，則天線罩可產生極端壓強之比大于0.868和0.135 kg/cm2的負壓差。

具體計算如下：

經查詢30 ℃時，揚州大氣壓P1= 999 hPa=99.9 kPa =0.999 bar = 1.02×0.999 kg/cm2= 1.019 kg/cm2，

根據克拉伯龍方程PV/T=R(常數)，

P2/P1=T2/T1= 263/303 = 0.868，壓差 =P2-P1=P1（T2-T1）/T1= 1.019（263-303）÷303 = -0.135 kg/cm2。

天線罩內部和外部0.135 kg/cm2的負壓差相當于將天線罩置于1.35 m水下所承受的壓力，目前尚無查到任何針對性的軍用標準來對此進行試驗和檢查，接近這方面的軍用標準GJB150.14A-2009軍用裝備試驗室環境試驗方法 浸漬試驗，試驗方法應用明確定義為：主要適用于在工作或不工作的情況下可能部分或完全地浸漬的設備，試驗主要是檢查裝備防水密封性，而非檢查密封裝備溫度變化對性能的影響，即使這樣，也鮮有單位按此方法將裝備置于1 m水下進行檢查，而是按可靠性比其低的沖水試驗代替。因為沖水試驗方向的局限性，無法確定裝備是否水密或者氣密，故浸漬試驗可以代替沖水試驗，但沖水試驗不可以代替浸漬試驗。另外浸漬試驗時間也非常有限,一般時間小于30 min，遠小于實際內外壓差每日發生的累積時間，這也是天線罩等艙外密封電子設備因為試驗方法不當，設備裝船時，可能就處于非水密或非氣密狀態，造成屢次發生內部進水原因之一。還有一種可能，設備裝船時，的確處于水密或氣密狀態，但因為時間導致材料老化，性能下降，再加上溫度環境因素，密封設備內外壓強差距過大，導致后期裝備密封失效。

艦載艙外密封電子設備，因為密閉前和工作時的溫度不同或者每天日夜溫差不同，密封電子設備內部和外部大氣會產生壓力差，密閉殼體內空氣無法排出或者吸入平衡內外部壓力差時，外殼上最薄弱的環節比如天線罩厚度最薄處，密封繩接頭處因為內外壓強相差很大，再加上時間、日光輻射導致材料老化性能下降而產生損傷，天線罩出現微小裂縫和小孔，密封繩接頭處漏氣，導致密封失效。一旦氣密失效，腔內的壓力隨溫度發生變化,使腔內外空氣或進或出,稱為呼吸作用[7]。當吸入的潮濕空氣達到一定量, 在露點溫度附近，設備內部器件上就會形成水霧或凝露，密封腔體的呼吸效應除了呼吸大氣外, 還可以吸進縫隙或小孔附近的液體,形成吸水效應[6]。艦載艙外設備處于海洋環境，積水中氯化鈉含量高，其不僅提供了電化學反應所需的電解質，而且會妨礙或破壞金屬的鈍化，起到了陽極去極化作用[11]，導致設備器件表面產生電化學腐蝕，再加上夏天高溫、高濕環境，更加劇了腐蝕速度。因此如何排除艙外密封電子設備因為呼吸作用產生凝露和積水現象，平衡設備內外部壓力差已成為結構設計人員必須面對和需要解決的問題。

2 常規防水透氣閥介紹

針對密封電子設備容易產生凝露和內外部壓力差的問題，一些公司根據市場需求推出了防水透氣閥系列產品，雖然各公司防水透氣閥結構封裝形式各異，但防水透氣閥進、出氣孔、透氣膜位置及安裝方式類似，圖1為防水透氣閥典型結構形式圖。

圖1 防水透氣閥典型結構形式圖Fig. 1 Typical structure of waterproof-ventilating valve

對各公司產品功能介紹歸納總結后，主要有如下2點相同點：

1）防水透氣閥產品可以有效阻攔水滴、灰塵、鹽分和其他腐蝕性液體，防止密封產品內部結霧或凝露；

2）防水透氣閥產品可以有效散熱，平衡密封設備內外部壓力差，提高產品完整性。

注意事項主要有：

1）安裝扭力不能超過規定范圍；

2）避免暴露于極端溫度或溫度波動大的范圍。

通過對該類型產品咨詢及相關資料查閱，結合對其結構分析，該產品比較適用于體積小、溫度高于0 ℃且溫度波動范圍小的具有氣密要求的設備（除防水透氣閥對外氣體交換通口外，其余部位應完全處于氣密狀態），但不適用于嚴寒溫度的環境，也不適用于體積大、溫度波動大，對設備內部濕度要求更高的艙外密封電子設備。

市場上的防水透氣閥主要核心零件是膨體聚四氟乙烯(EPTFE) 透氣薄膜，該膜具有獨特的三維立體網狀微孔結構，每個微孔直徑在0.1～3.0 μm，是灰塵和水滴的1/1 000，是水分子的700多倍[6-7]，利用氣體分子與水汽及灰塵微粒的體積大小數量級差及對水汽的吸附捕獲能力，讓氣體分子通過，較大直徑的水汽與灰塵無法通過，透氣膜最小可以捕捉到0.1 μm的顆粒，從而達到有效阻攔水滴、灰塵、鹽分和其他腐蝕性液體，防止密封產品內部結霧或凝露，平衡密封設備內外部壓力差的目的。但是膨體聚四氟乙烯(EPTFE) 透氣膜對于直徑小于0.1 μm，且具有較大動能的水汽不能做到100%捕獲或阻止進入設備內部，尤其是如圖1所示結構設計簡單的防水透氣閥產品。

3 防潮濕調壓裝置

3.1 防潮濕調壓裝置組成

防潮濕調壓裝置如圖2和圖4所示，主要由殼體1、殼體2、內腔、螺套、防水透氣膜、密封圈、接頭、軟管等組成。殼體1上有和殼體2相連接的4個安裝光孔和透氣小孔，殼體2上有和殼體1相連接的4個安裝螺絲孔和透氣小孔。內腔2面開有透氣矩形孔，矩形孔外沿四周有矩形截面凹槽，凹槽內可安裝密封圈，內腔中間為十字加強筋結構，將腔體內部分成4個空間，4個空間有通孔相通，內腔一面有安裝軟管的凸出接頭，接頭中心有和內腔相通的通孔，透氣膜安裝在殼體1、殼體2和密封圈之間，通過4個螺套將殼體1、透氣膜、密封圈、內腔、殼體2組裝成一體。螺套軸心為通孔，可以借用此通孔將防潮濕調壓裝置固定在設備內部。

圖2 防潮濕調壓裝置爆炸圖Fig. 2 Explosive view of moisture-proofing pressure-regulating device

3.2 防潮濕調壓裝置工作原理

防潮濕調壓裝置和常規如圖1所示“防水透氣閥”產品明顯不同之處在于：透氣膜面積不受對外安裝孔徑約束，可以任意設計，為了提高防護等級，透氣膜面積一般比常規“防水透氣閥”面積大10倍以上，透氣膜可以設置多層。防潮濕調壓裝置對安裝方向和導管有一定的要求，最佳安裝形式為如圖3所示進氣口在下方，進氣膠管不能呈積水段形狀。

圖3 防潮濕調壓裝置安裝示意圖Fig. 3 Schematic diagram of installation of moisture-proofing pressure-regulating device

當設備內部氣體壓強小于外部氣體壓強時，外部氣體如圖4所示向設備內部流動，氣體中包含的水蒸氣通過穿墻接頭小孔徑時，因為通道變小，速度及動能被逐漸加大，在穿過彎曲的軟管時，尺寸、動能較大的水蒸氣會撞擊到軟管壁而附在上面形成水珠。一部分繼續上升碰撞到內腔上部壁后附在上面，尺寸較小的另一部分向透氣膜方向移動，因水蒸氣進入內腔時的初始速度方向和透氣膜安裝面成平行狀態，且速度逐漸減弱，增加了這部分水蒸氣和透氣膜微觀網狀結構相碰撞被捕獲的幾率，只有數量微少的水蒸氣穿過多層透氣膜后，可能進入設備內部，而空氣中的氮氣、氧氣等其他氣體因為分子直徑和膨體聚四氟乙烯薄膜孔徑相比小許多，容易通過透氣膜進入設備內部[8]。

圖4 防潮濕調壓裝置進氣工作原理示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the working principle of the air intake of moisture-proofing pressure-regulating device

反之設備內部壓強大于外部時，內部氣體如圖5所示會通過透氣小孔向裝置內部流動，氣體中所含的濕氣通過通氣孔時速度會突然加大，由于慣性作用及速度方向和透氣膜安裝面成垂直狀態，減少了水蒸氣和透氣膜微觀網狀結構相碰撞被捕獲的幾率，水蒸氣相比前者比較容易穿過防水透氣膜進入內腔后向設備外部排出[8]。

圖5 防潮濕調壓裝置排氣工作原理示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the working principle of the air discharge of moisture-proofing pressure-regulating device

綜上所述，經過晝夜溫差變化，設備通過防潮濕調壓裝置，內外部氣體進行了交換，內部濕度沒有增加，設備內外部壓強差進行了縮小、平衡，有效降低了設備（比如設備罩及密封圈）因內外部壓力差而產生的損傷及早期失效，延長了壽命，同時還可避免密封設備蓋板、門或罩當外部壓力大于內部壓力時難打開的弊端，達到了防潮濕調壓的目的。

3.3 主要技術創新點

1）防潮濕調壓裝置和一般“防水透氣閥”相比，具有濕氣難進易出單向功能，和對外安裝在設備上相同孔徑的防水透氣閥相比，透氣量大數倍。

2）和一般產品安裝在設備外部，防水透氣閥直接暴露在空氣中相比，裝在設備內部的防潮濕調壓裝置通過一根軟管、接頭和設備外空氣連通，灰塵和凝露不易附著在透氣膜上，有效防止了一般防水透氣閥產品ePTFE膜因為液體的覆著或者表面的結霜（冰），而失去透氣功能產生的隱患。

3）防潮濕調壓裝置采取O型密封圈壓緊透氣膜結構形式，代替了市場采用的膠接、透氣膜直接焊接在注塑件、透氣膜與金屬外殼通過特殊工藝結合組裝在一起等其它工藝，結構形式、產品維修性、可靠性相對前者要好些，適用于溫度波動大的環境，方便透氣膜損壞后多次更換，產品可以反復使用。

4）現有大容積艙外密封裝備質量改進，如安裝外購防水透氣閥，孔徑一般要大于M16，現場攻絲螺紋孔施工困難，適裝性差。而采用防潮濕調壓裝置，安裝在對外的接頭只需打直徑φ6 mm的光孔，固定防潮濕調壓裝置只需攻絲M3的螺紋孔即可，方便已裝艦的艙外密封裝備進行質量改進。

4 防潮濕調壓裝置試驗方法及結果

1）溫度試驗

按GJB150.3A、4A-2009《軍用設備環境試驗方法低溫/高溫試驗》規定的方法進行，防潮濕調壓裝置滿足GJB1448A-2005規定的環境溫度要求。在試驗箱體除防潮濕調壓裝置對外接口外，其他部位處于密封狀態，在表1的環境溫度下，試驗箱體內部最大壓強始終滿足小于1 kPa的試驗指標。試驗結束后檢查，內置變色硅膠干燥劑顏色無明顯變化，防潮濕調壓裝置透氣膜未損壞和脫落。

表1 溫度試驗條件Tab. 1 Temperature test conditions

2）濕熱試驗

濕熱試驗按GJB150.9A-2009《軍用設備環境試驗方法 濕熱試驗》規定方法進行。試驗條件為：溫度：下限30℃，上限60℃；相對濕度：95±3%；試驗周期數：10個周期240小時GJB150.9A-2009濕熱交變試驗[12]過程中，試驗箱體內部最大壓強始終滿足小于1 kPa的試驗指標，試驗結束后檢查，結果試驗箱體內部干燥，變色硅膠顏色未有覺察變化，而箱體外的變色硅膠顏色已成粉紅色。

3）隨機振動、沖擊

安裝在試驗箱體、天線內部防潮濕調壓裝置在頻率范圍20～2000 Hz，功率譜密度0.04 g2/Hz，三方向各振動時間5 min半正弦波，峰值加速度300 m/s2，脈沖持續時間11 ms，三方向各6次試驗結束后檢查，防潮濕調壓裝置工作正常。

4）浸漬試驗

安裝在試驗箱體、天線內部防潮濕調壓裝置在完全浸沒1 m深水，時間持續15 min試驗結束后檢查，無水進入。

5 結 語

1）防潮濕調壓裝置課題已通過驗收、結題評審，并在某質量改進項目上進行了驗證，各項性能指標滿足設計要求。

2）通過查詢專利及文獻，防潮濕調壓裝置具有獨創性和先進性，尤其防潮濕調壓裝置和常規產品“防水透氣閥”相比，具有透氣量大，調壓反應速度快，防潮濕單向閥功能效果好，可有效防止ePTFE膜因為液體的覆著或者表面的結霜(冰)而失去透氣功能，結構形式、工藝技術成熟，可靠性、維修性好，適用于溫度波動大環境的艦載艙外密封電子設備，方便已裝艦的裝備質量改進。

3）通過試驗過程中的失敗原因發現：要使防潮濕調壓裝置正常工作，確保設備只能通過防潮濕調壓裝置進行氣體流通交換，必要的氣密檢查是必須的，否則其他地方漏氣無法察覺，防水透氣閥就會形同虛設。