載人潛水器中水密接插件組件應用研究

曹 俊，程 斐，葉 聰，楊申申

應用研究

載人潛水器中水密接插件組件應用研究

曹 俊，程 斐，葉 聰，楊申申

（中國船舶科學研究中心 深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫 214082）

水密接插件和水密纜構成水密接插件組件，是水下供電傳信的關鍵節點，也是制約深海裝備研發的瓶頸。本文簡述了水密接插件發展狀況，介紹了載人潛水器水下供電傳信需求，系統梳理水密接插件組件的試驗經驗和應用情況，重點分析在線性能檢測和模擬壓力試驗過程中的失效原因，得到水密接插件組件受海洋復雜環境影響和海水循環壓力影響的定性和定量結果，為水密接插件組件的可靠應用及自主研發提供數據分析和技術支撐。

載人潛水器 水密接插件 水密纜 失效

0 引言

載人潛水器是落實我國“深海進入、深海探測、深海開發”這一深海“三步曲”戰略的引擎裝備，對深海關鍵技術與裝備具有全面帶動作用。已帶動材料領域的耐壓結構、浮力材料、復合材料，電氣領域的電池、電機、推進，聲學領域的通信、導航、探測等技術取得大幅度提升[1, 2]。2012年，世界海洋強國圍繞全海深載人潛水器開展了新一輪深淵科技競爭，各國都面臨著關鍵核心技術挑戰[3, 4]。

載人潛水器下潛深度、續航時間的增加和載荷性能的提升，對數據傳輸和能源供應提出了新挑戰，尤其是“奮斗者”號載人潛水器將應用于馬里`亞納海溝極端高壓環境。水密接插件和水密纜組件作為水下供電傳信的關鍵節點，起著貫穿耐壓殼體、連接電子裝置和作業裝備、分離光電信號的作用，是水下供電傳信的“關節”，是制約海洋科學研究、海洋資源開發和海洋權益保護的“瓶頸”[5]。

本文以水密接插件組件在載人潛水器上的可靠應用為研究目標，簡述了水密接插件的世界格局，介紹了載人潛水器水下供電傳信需求，系統梳理我國大深度載人潛水器中水密接插件和水密纜組件的試驗經驗和應用情況，重點分析了模擬壓力試驗過程中的失效原因。

1 水密接插件組件需求分析

1.1 水密接插件發展狀況

國外上世紀50年代開始研究水密接插件，最初用于潛艇等軍事應用。已經形成了系列化、規格化的貨架產品，能滿足不同電壓、電流、深度要求。在全海深橡膠體電氣、金屬殼體電氣及光纖領域均取得了一定的研究成果，并具備產業化能力。國際知名的制造商主要集中在歐、美等傳統海洋強國，如美國TE公司（SEACON系列）、美國Teledyne公司（IMPULSE系列）、美國BIRNS公司、丹麥MacArtney公司（SubConn系列）、德國JOWO公司等。這些國際知名公司具備完善的產品設計、生產、檢測和維護能力。在專用材料、性能檢測及應用方面，具有巨大優勢。

圖1 國際知名的深海水密接插件制造商

1949年起，美國國防部批準建立連接器MIL標準化體系，旨在為軍用設備采購連接器提供依據。雖然不是由連接器制造商編制的規范，也不是由標準化行政主管部門批準發布的規范，卻在國際上得到廣泛認同，成為事實上的國際標準。同時，MIL標準化體系融合了國際上不斷發展的新技術、新材料和新工藝，始終保持先進性。國外水密接插件制造所遵循的標準規范主要是MIL-C-24217A（潛艇用深水電連接器）。國外水密接插件試驗所遵循的有關標準規范如表1所示。

1954年以來，BIRNS公司一直為美國海軍提供高性能照明和連接器系統，產品也應用于Pisces IV號和Pisces V號載人潛水器、Bluefin無人潛水器等深海裝備，其充油接插件和充油電纜組件是ABS認證用于2艘Pisces載人潛水器的唯一組件。1995年以來，BIRNS公司提供行業領先的測試，超過嚴格的ABS/DNV要求，2006年引入鹽水測試。靜水壓力測試的額定壓力范圍為138MPa、69MPa、35MPa和7MPa。2018年，BIRNS公司的質量管理體系獲得了DNV-GL的ISO 9001:2015認證[6]。

表1 水密接插件試驗有關的標準規范

1978年，MacArtney集團的SubConn公司首次引入Circular系列接插件，并成為大多數SubConn產品的技術基礎，該系列產品有著標志性的紅色鎖套[7]。1995年，“泰坦尼克號”電影拍攝以來，詹姆斯-卡梅隆團隊一直選擇SubConn公司產品作為他幾個水下項目的首選方案。2012年，詹姆斯-卡梅隆團隊研制的Deepsea Challenger號載人潛水器，選型SubConn公司產品，用于連接潛水器電池組、LED光陣列、高清和IMAX的3D攝像機以及其他重要傳感器。Deepsea Challenger號挑戰馬里亞納海溝之前預先布放的2個著陸器，也選型SubConn公司產品。同時，美國伍茲霍爾海洋研究所也一直使用SubConn公司產品，用于Alvin號載人潛水器等各種海洋裝備的運行及維護[8]。

圖2 國外水密接插件在潛水器上典型應用案例

國內上世紀80年代初開展水密接插件的研制及生產工作，淺深度系列產品已基本成熟，并逐漸應用。目前相關研究單位有中國電科8所、中天海洋系統有限公司、中科院沈自所、中國電科23所、中航117廠、中航158廠、上海藍梭電子科技有限公司等。總體上：（1）專用材料、加工工藝及高可靠性密封技術等關鍵領域相對滯后；（2）性能檢測、試驗方法及設備不夠完善；（3）質量穩定性、性能可靠性及使用壽命等方面與國外尚有差距；（4）產品系列、規格及產量有限，在全海深光纖貫穿件、全海深電氣連接器方面有所突破。

國家科技部國家重點研發計劃“深海關鍵技術與裝備”專項，以全海深載人/無人潛水器研制為引擎，突破深海前沿關鍵技術，已布局自主研發全海深水密接插件組件，力爭填補我國空白，為深遠海高端裝備提供保障。研制了全海深單芯光纖貫穿件、四芯光纖貫穿件、8芯橡膠體電連接器、16芯金屬殼體電連接器等水密接插件組件。

1.2 載人潛水器供電傳信需求

經過近20年的跨越式發展，我國在載人潛水器領域已經建成了完整的技術體系、測試體系、應用體系、維保體系和培訓體系。

水密接插件和水密纜組件主要用于載人球艙貫穿、供電主干路、單臺設備接線、多路信號匯總。安裝位置涉及載人球艙、耐壓罐、接線箱、電池箱、作業工具等多種形態。此外，超強光場陣列、高清圖像視頻、精細聲學成像等設備對深海供電傳信提出了供電和大數據流的需求，高速水聲通信等設備對深海供電傳信提出了防信號串擾的需求，深海極端應用環境同時提出了可靠應用的挑戰。

載人潛水器“載人球艙-中繼接線箱-終端設備”的典型供電傳信應用工況如圖3所示。

圖3 載人潛水器典型供電傳信應用工況

1.3 全海深水密接插件

受載人潛水器、無人潛水器、著陸器等深海裝備與技術的牽引，國際上水密接插件的應用深度主要集中在6000 m及以內，可用于全海深的型號比較少，主要包括IMPULSE公司和SEACON公司的MS金屬系列，SubConn公司、BIRNS公司、IMPULSE公司和SEACON公司的BH/IL系列橡膠型，其它還有德國JOWO公司以及IMPULSE公司的光纖水密插座和水密光纜。

表2 國外全海深水密接插件（11000 m級）主要性能

MS金屬系列（如圖4所示），以IMPULSE公司產品為例[9]，有“G，K，L，M，O，Q”等不同尺寸，從1芯到96芯不同芯數的系列產品，采用徑向和軸向兩道O型圈密封，組件可以最高承受144 MPa外壓。MS金屬系列水密接插件用途廣泛，既可用于高電壓（最高3000 V）、大電流（250 A）供電，也可用于大密度電氣信息流傳輸，有的型號還內置同軸接插件，可用來傳輸高清視頻信號和射頻信號。MS金屬系列水密接插件還具有可靠性高、安全性好、使用壽命長等優點，缺點是成本高、體積大、重量重、操作維護空間要求高。

圖4 MS系列金屬型水密接插件

SubConn公司的BH/IL系列橡膠型水密接插件[7]，有常規型、分體型和直角型3種樣式，如圖5所示。具有1芯到16芯共14種型號，采用緊密粘貼在插針根部的橡膠套擠壓插孔前段的橡膠圍壁，從而實現接插件之間水密，組件可以最高承受144 Mpa外壓。電纜由柔性防水氯丁橡膠或聚安酯制成，鎖套由注塑聚甲醛或不銹鋼制成，并配有不銹鋼扣環。可以傳遞供電信號（600VDC，10 A/芯，可并聯使用），也可以用來傳遞大量通訊、控制和檢測電氣信息。橡膠型水密接插件經濟實惠，重量輕，體積小，易于維護，可實現高密度分布。

圖5 BH/IL系列橡膠型水密接插件

德國JOWO公司的四通道（圖6左圖）和美國IMPULSE公司的單通道（圖6右圖）水密光纖連接器，是近年來少數的成功應用于全海深潛水器的產品，可靠性得到初步驗證[10]。

圖6 全海深水密光纖連接器

2 水密接插件組件應用分析

2.1 在線性能檢測技術

載人潛水器方案設計結束之后，訂購了一批水密接插件樣機組件進行多輪全海深壓力考核，以及可靠性測試，同時也為后期其他終端設備的全海深壓力考核試驗提供測試水密接插件和水密纜。美國在靜水壓力試驗方面有專門的標準規范MIL-STD-1344，Method 1006。我國2011年正式頒布國家軍用標準《潛水電連接器通用規范》（GJB 7244-2011），作為國內水密連接器設計、檢驗的主要依據。

載人潛水器在總裝集成階段時，水密接插件和水密纜主要通過模擬壓力試驗進行性能測試。通過檢測裝置實時檢測全海深接插件組件的線纜阻抗、絕緣性能、信號傳輸性能。

在線性能檢測技術的壓力筒和原理如圖7所示。

載人潛水器上的所有設備，包括水密接插件和水密電纜，在海試及應用過程中得到充分考驗。本文將對一些典型失效故障進行分析，這也將是全海深水密接插件組件應用的共性問題[11]。

2.2 電纜外護層老化腐蝕變形

載人潛水器所涉及的深海環境為水下0～11000 m，這也是水密接插件的工作環境。水密電纜，尤其是橡膠外皮的水密電纜，長期在高溫、日曬、高鹽、充油環境下使用，容易出現鼓包、變形、開裂等現象。使用超過10年的水密電纜，陸續出現老化、鼓包等現象，如圖8所示。

水密電纜老化的原因主要有：1）溫度，電纜所處的外界高溫環境和熱源，會造成電纜溫度過高，過高的溫度會加速絕緣的老化；2）超負荷運行，長期超負荷運行，由于電流的熱效應，負載電流通過電纜時必然會導致電纜導體發熱，同時電荷的集膚效應、絕緣介質損耗等也會產生附加熱量，從而導致電纜溫度升高；3）外力損傷，電纜敷設安裝時的不規范施工等造成機械損傷，會導致電纜變形，加速電纜的老化；4）絕緣受潮，水密插頭或插座長時間使用后，滲水或混入水蒸氣，累積后在電場作用下形成水樹枝，逐漸損害電纜的絕緣強度；5）化學腐蝕，海洋環境往往會造成電纜的鎧裝或外護層被腐蝕，外護層因長期遭受化學腐蝕或電解腐蝕，致使外護層失效，絕緣降低.。

根據載人潛水器長期的維護經驗，為減緩水密電纜外護層老化、腐蝕、變形等問題，提高水密電纜使用壽命，操作維護人員可采用如下必要措施：1）避免水密電纜長期直接暴露在日曬之中，無法避免時可將暴露在潛水器外的水密電纜上包裹反光布；2）保證水密電纜的最小彎曲半徑，不低于電纜直徑的8倍；3）潛水器返回水面后，及時以淡水沖洗，避免高濃度鹽溶液聚集在水密電纜外皮上；4）保證水密電纜的清潔，尤其是橡膠型水密電纜避免長時間和各種油類、酸堿性溶液接觸。

圖8 水密電纜外護層老化鼓包

除水密電纜外護層老化導致絕緣下降外，水密插座芯線也存在老化導致絕緣下降的問題。

某次陸上通電測試過程中，載人潛水器上某個水密插座由于使用年限超過12年，芯線之間絕緣下降，通電工作之后電流異常上升，將供電回路保險絲熔斷。

水密接插件和水密電纜的使用壽命長久以來沒有確切的期限規定，主要取決于水密接插件和水密電纜的使用頻率（下潛頻率）和工作環境（日曬、浸油、酸堿鹽浸結）。基于當前載人潛水器下潛應用情況，建議使用時間不超過10年。

2.3 電纜外護層海水擾動刺破

載人潛水器電纜敷設安裝時的不規范施工等因素，容易造成電纜的機械損傷。如果機械損傷不嚴重，要幾個月甚至幾年才會導致電纜損傷部位徹底擊穿形成故障；機械損傷嚴重的可能會立刻發生短路故障。

某次海試過程中，載人潛水器出現過24V供電回路接地絕緣電流異常升高的故障。

經現場檢查分析，載人潛水器供電回路中一根水密電纜與外部捆扎電纜的尼龍扎帶剪切口接觸，潛水器下潛過程中，海水持續擾動，尼龍扎帶異常鋒利的剪切口，將水密電纜外護層刺穿，海水進入水密電纜的內部，并且沿著電纜內部的導線滲透到水密插頭和水密插座的連接處，最終造成電纜內部芯線絕緣下降。水密電纜破口位置、水密插座進水情況如圖9所示。

圖9 水密電纜外護層表皮海水擾動刺穿進水

2.4 金屬型插座反向凸起變形

某次模擬壓力試驗過程中，金屬型插座發生反向凸起變形的故障：（1）金屬型插座，連接充油接線箱形式時，在進行兩次以上模擬壓力循環試驗后，內部均會發生反向凸起變形；（2）金屬型插座，發生反向凸起變形后，多次模擬壓力循環試驗后凸起變形基本不再增大，不會發生破壞，絕緣和通斷均正常；（3）金屬型插座，連接耐壓罐形式時，在模擬壓力試驗中均工作正常，證明了這種連接形式的可靠性。

針對安裝在充油箱體上的金屬型插座反向凸起變形的問題，水密插頭受力作用分析如圖10所示，水密插座觸點和水密插頭觸孔之間有約1 mm縫隙，模擬壓力循環試驗時，充油箱體內壓逐漸增大時，水密插座環氧內核鑄件受壓會向外頂出，進而導致水密插座反向凸起變形。

圖10 金屬型水密插座受力變形分析

2.5 橡膠型插座內圓芯線斷路/短路

某次模擬壓力試驗過程中，水密電纜插頭出現短路故障。

對水密插頭受力情況進行分析，短路故障是由于芯線焊接點受力擠壓造成的。該水密插頭中，電纜總屏蔽和四對屏蔽雙絞線的屏蔽線在水密插頭處匯總焊接到一根芯線后接到插頭的一根插針上，匯總焊接處雖然用熱縮套管包好，但在模擬壓力作用下，屏蔽線的焊點擠壓到旁邊的電源線，導致短路。

某次模擬壓力試驗過程中，有多個橡膠型水密插座均出現芯線斷路現象，并且均集中在插座內圓的1-5#芯線上，如圖11所示。

對水密插座受力情況進行分析，得出以下結論：1）橡膠型水密插座加工制造時，芯線焊接的過程中一般首先焊接1#芯線，并以1#芯線為基準進行其他芯線的焊接，因此通常1#芯線是最短的芯線。2）在外界壓力逐漸上升時，橡膠型水密插座受壓拉緊，橡膠柱體部分向中間擠壓，電氣觸點沿軸向向外產生位移，其尾線會逐漸拉緊，處于繃緊狀態，容易在焊點處發生斷裂，發生斷路。3）實際應用過程中，避免使用1#芯，同時增加重要信號的芯線備份。

圖11 橡膠型水密插座高壓下內圓芯線斷路

3 結論

以水密接插件組件在載人潛水器上的可靠應用為目標，本文一方面梳理了載人潛水器高頻次應用過程中水密接插件組件的典型共性失效故障，另一方面設計了水密接插件組件在線性能檢測方法。

全面總結水密接插件和水密電纜組件模擬壓力試驗及海上實際應用的經驗與教訓，得到結論如下：1）海洋復雜環境影響。海水擾動可能引起水密纜與外界尖銳物體的摩擦，進而導致機械損傷；海上高頻次應用10年以上，電纜橡膠外護層易出現老化、腐蝕、變形、鼓包、開裂等現象，插座內部芯線由于老化也會導致絕緣下降。2）海水循環壓力影響。插頭多條芯線匯總焊接點在高壓下可能擠壓變形，進而與其他芯線接觸導致短路；金屬型插座連接充油接線箱形式時，會產生反向凸起變形，基本不累加也不發生破壞；金屬型插座連接耐壓結構形式時，工作正常；橡膠型插座內圓的1-5#芯線中，最短的焊接基準芯線有斷路風險，1#芯線要規避使用，2-5#芯線要有冗余設計。

[1] 胡震, 曹俊. 載人深潛技術的發展與應用[J]. 中國工程科學, 2019, 21(6): 87-94.

[2] 曹俊, 胡震, 劉濤, 等. 深海潛水器裝備體系現狀及發展分析[J]. 中國造船, 2020, 61(1): 2014-218.

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[4] 徐偉哲, 張慶勇. 全海深潛水器的技術現狀和發展綜述[J]. 中國造船, 2016, 57(2): 206-221.

[5] 陳少兵, 張博, 薛萍. 深海通用系列連接器的工程化應用[J]. 機電元件, 2013,33(4): 32-35.

[6] Birns公司官網[EB/OL]. https://birns.com/product-category/marine.

[7] Subconn公司官網[EB/OL]. https://www.macartney.com/what-we-offer/systems-and-products/connectors/subconn.

[8] 美國 WHOI 官網[EB/OL]. http://www.whoi.edu.

[9] Impulse公司官網[EB/OL]. http://www.teledynemarine.com/impulse.

[10] JOWO公司官網[EB/OL]. https://jowo.ag/portfolio_category/unterwasser-steckverbinder.

[11] 程斐. “蛟龍”號載人潛水器海試中出現的電氣故障分析和思考[C]. 702所50周年所慶論文集, 2011.

Research on the application of watertight connector component in manned submersible

Cao Jun, Cheng Fei, Ye Cong, Yang Shenshen

(China Ship Scientific Research Center, State Key Laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

U674.941

A

1003-4862（2022）04-0001-06

2021-09-09

國家重點研發計劃項目（2016YFC0300600）（2018YFC0308200）

曹俊（1987-），男，博士，高級工程師。研究方向：信號與信息處理。E-mail: caojun1105@sina.cn