新型深海線纜及組件用水密試驗系統的研制

辛秀東，吳 宇，宋 杰

新型深海線纜及組件用水密試驗系統的研制

辛秀東1，吳 宇2，宋 杰1

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

本文結合中國水下裝備對于線纜的使用要求，提供了一種驗證手段，詳細論述了水密試驗系統的功能和設計的技術要點；通過材料選型與仿真結合的方法論述了水密試驗系統的可靠性，并提供了一種新型的試驗夾具和試驗控制系統，極大地提高了試驗的準確性。

水密 有限元分析 抗張強度 不銹鋼

0 引言

建設海洋強國是中國特色社會主義事業的重要組成部分，水下裝備系統不斷往更深、更強、更可靠的方向發展，特種水密線纜及組件是現代艦船, 尤其是水下裝備的重要配套產品之一，直接關系到水下裝備的安全性、可靠性、先進性以及作戰能力。隨著目前水下裝備的往更深發展，對水密封線纜耐水壓的性能要求也越來越高，已經由原來的200 m水深到了現在的萬米水深。因此，隨著水密封線纜技術要求的提高，其水密試驗難度也提出了更高的挑戰，亟需一臺能夠真實模擬水下裝備系統用線纜及組件所受到水壓情況的設備，為水密線纜及組件的研發和生產提供驗證手段，確保交付的產品滿足要求。

1 水密線纜及組件試驗條件

對于水密線纜的試驗的要求通常采用GJB 1916-1994和GJB 774A-2020中規定的試驗方法，主要是滿足靜水壓力的縱向水密要求；對于動態水壓下的縱橫向（特別橫向水壓下的運行）試驗很少有相關標準進行規定，大多是通過實際工況并結合上述兩個標準來進行驗證。例如，在不同深度下、經過長時間周期性水壓變化過程中水密線纜組件的信號傳輸、電氣性能等工作條件的變化情況。

上海電纜研究所根據多年的水密線纜及組件的研發、生產和驗證經驗，結合目前水密線纜及組件的使用工況，研制開發了一套30 MPa深海水密線纜及組件用縱橫向水密試驗系統。本系統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，能夠對水密線纜及組件進行縱向或橫向動態水密試驗。通過縱向水密試驗來驗證水密線纜及組件的動態水密安全性；通過橫向水密試驗既能驗證水密線纜及組件的動態水密安全性又能檢測其電氣性能或傳輸性能。

2 縱橫向水密試驗系統主要功能簡述

這款縱橫向水密試驗系統主要由縱橫向水密試驗罐、水壓增壓系統、操作控制系統三部分組成。試驗罐可將電纜一端置于充滿水的試驗罐內，進行縱向水密試驗；也可將電纜的兩端伸出罐外，進行橫向水密試驗。操作控制系統可實現編程功能，采用自動調壓技術，精度控制在0.5MPa以內，可根據設定的程序對水壓增壓系統進行自動加壓、泄壓或按照規定時間進行恒壓保持。試驗罐是縱橫向水密試驗系統的主體部分，其一端開有三個裝電纜夾口，另一端開有一個裝電纜夾口，能夠實現外徑80mm及以下的線纜縱橫向水密試驗，也能用于水下連接器（外徑≤80mm）的縱橫向水密試驗，基本涵蓋了水下裝備用各類線纜及組件尺寸范圍。縱橫向水密試驗系統見圖1所示。

圖1 縱橫向水密試驗系統

3 縱橫向水密試驗系統的關鍵技術要點

3.1 罐體材料選擇

水密試驗罐內部長期充水，除了應滿足足夠的水密性能外，所用的材料必須具有優良的抗壓強度、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。碳鋼長期在水的環境下使用會生銹腐蝕，故考慮采用不銹鋼材質。最常用的不銹鋼材料有三種型號：201、304和316。具體對比如下：

1）304不銹鋼防銹性能比201不銹鋼材料要強。201不銹鋼含錳較高,在長期使用過程中會慢慢產生銹跡，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不銹鋼均屬衛生級不銹鋼，在日常使用中并無明顯區別，光潔度好，且易車易加工，已廣泛應用于海洋環境、化學、染料、造紙、草酸、肥料等生產設備。316型不銹鋼抗腐蝕能力優于304不銹鋼，因此就材質耐腐蝕性而言316不銹鋼更好。但是，試驗罐體的材料必須具有優良的抗壓強度，需要具有長期承受30MPa大水壓下的試驗能力。304不銹鋼比316不銹鋼具有更高的抗拉強度和屈服強度，其主要力學性能對比見表1所述，另外本試驗系統所使用的水源為自來水，并在試驗室環境條件下進行試驗，因此選用304不銹鋼更具有性價比。

表1 304和316不銹鋼主要力學性能對比

3.2 罐體結構確定選擇

在確定了水密試驗罐的材料后，水密試驗罐采用什么樣的結構尺寸，鋼體厚度是多少，采用什么樣的連接螺栓是必須考慮的。合理的結構設計才能保證在高水壓下的長期安全有效使用。

為了滿足試驗樣品的通用性，本縱橫向水密試驗系統在結構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致樣品受約束。為了兼容GJB 1916-1994和GJB 774A-2020標準中規定的試驗條件，水密試驗罐的長度不低于1m，可以實現縱向水密試驗。結合多年的用戶使用水下特種線纜尺寸范圍和試驗條件，確定了水密試驗罐的工作艙形狀采用圓柱體結構。圓柱體結構能夠承受更大的壓力，空間更有效，其尺寸為：Φ350 mm*1500 mm。內艙直徑為350 mm，也可以對直徑30 mm以下的軟線纜（水下裝備線纜通常規定最小彎曲半徑6倍線纜直徑）進行橫向水壓試驗過程中的傳輸性能測試，如插損、駐波、光纜衰減等（見圖2，圖3所示）。

圖2 橫向水壓試驗示意圖

圖3 水密試驗罐外形

3.3 罐體及螺栓關鍵件應力分析

水密試驗罐所承受的試驗水壓最大到了30MPa，罐體內徑達到了350 mm，在這樣高的壓強下，罐體所受的力非常大，所以在生產前必須進行應力分析以確定罐體的鋼板厚度和選擇合適的高強的壓緊螺栓。隨著計算機技術的迅速發展，使有限元分析方法在工程中得到了廣泛的應用，我們采用SolidWorks Simulation或Ansys Workbench對所設計的水密試驗罐進行應力分析，調整罐體的結構尺寸參數，優化設計，簡化仿真模型，看是否滿足設計的要求，以便為生產加工提供必要的參考。圖4所示，水壓30MPa時，罐體厚度為55mm時的應力分布和安全系數分布圖。

根據水密試驗罐預設的結構尺寸進行建模、網格劃分，采用表1中的參數設置材料屬性，并設置壓強分別為10 MPa、20 MPa、30 MPa、35 MPa，SolidWorks Simulation計算水密試驗罐的應力分布情況和安全系數見表2所示。

圖4 水密試驗罐應力分析仿真示意圖

圖5是水密試驗罐的前后擋板，擋板的厚度均厚于罐體厚度，在30MPa壓力內是安全可靠的。但是，連接罐體和前后擋板的螺栓的強度卻是至關重要的，需要選擇高強度的螺栓和合適的數量。對于壓力容器等緊密性要求較高的重要聯接，當工作壓力為（20～30）MPa時，螺栓間距不得大于3d（d為螺栓螺紋標稱直徑）。水密試驗罐的螺栓規格為M33，螺栓間距不得大于99 mm，根據本水密試驗罐的結構尺寸計算得到螺栓數量至少17個。項目組選用了18個10.9級的高強度螺栓(標稱抗張強度≥1040MPa，屈服強度≥940 MPa，有效截面積694 mm2)，另外從安全性考慮增加了6根高強度的40Cr鋼棒(標稱抗張強度≥980 MPa，屈服強度≥785 MPa，有效截面積694 mm2)，將前后兩個擋板連接加固（見圖5所示）。

表2 SolidWorks Simulation計算水密試驗罐的應力分布情況和安全系數表

圖5 水密試驗罐兩端圖

水密試驗罐的螺栓組所受的力為軸向載荷，每個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為螺栓上的殘余預緊力，一般取值1.6*F1，單位N；為水的壓強，單位MPa；為螺栓的有效截面積，單位mm2；δ為螺栓的屈服應力，單位MPa，為螺栓數量；為安全系數，一般取值1.5。

根據第四強度理論：

通過以上推導計算，采用18個10.9級的高強度螺栓和6根高強度的40Cr鋼棒進行連接密封,安全可靠。

3.4 線纜夾具

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

圖6 水密封試驗示意圖

本縱橫向水密試驗系統提供了一種深海水密封線纜水密試驗夾具（見圖5、圖7），通過兩重夾緊方式將電纜固定，增強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+水密橡皮膠帶（或墊）+不銹鋼墊環）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灌封彈性熱熔膠(或環氧樹脂)，將電纜和圓錐孔夾具粘住，當水的壓力越大時，作用于圓錐狀的彈性熱熔膠(或環氧樹脂)上的力就越大，就會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后的樣品取出。采用10.9級的高強度螺栓把圓形（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

本款縱橫向水密試驗系統提供一套完整的水壓控制系統，通過PLC模塊對系統中的輸入和輸出參數進行控制，能夠實現各種壓力下的自動切換和控制壓力時間，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為系統原理圖。同時為了保證過程中的安全性能，本縱橫向水密試驗系統附帶一套安全控制裝置，如當電纜從夾具中萬一滑移時能夠立即停止加壓并泄壓。

圖7 深海水密封線纜水密試驗夾具

圖8 線纜夾具與水密罐連接方式圖

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

圖9 不同水深下，壓力--時間曲線圖

4 總結

上海電纜研究所研制的縱橫向水密試驗系統能夠進行靜態和動態測試，可用于進行深海線纜及組件的縱向水密測試，以驗證線纜及組件的安全性能；又能用來驗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。

本系統解決了深海用線纜及組件大壓力模擬試驗和線纜夾具滑移問題，不僅為廠家研發和生產水下線纜及組件提供了驗證的手段，而且為采購方提供了一套產品驗收的方法，為產品的安全性和使用性提供了數據支持。

圖10 縱橫向水密試驗系統原理圖

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

[2] 許瑛. 21世紀全國應用型本科大機械系列實用規劃教材——機械設計課程設計[M]. 北京: 北京大學出版社, 2008.

[3] 國防科學技術工業委員會. 艦船用低煙電纜和軟線通用規范: GJB 1916-1994[S]. 1994.

[4] 中央軍委裝備發展部. 艦船用電線電纜通用規范: GJB 774A-2020[S]. 北京: 國家軍用標準出版發行部, 2020.

[5] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. 壓力容器: GB 150.1～150.4-2011[S]. 北京: 中國標準出版社, 2012.

[6] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. 鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管: GB/T 13296-2013[S]. 北京: 中國標準出版社, 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，高級工程師，研究方向：特種電線電纜的設計開發及測試。E-mail：xinxiudong@secri.com