载人潜水器中水密接插件组件应用研究

2022-08-12杨申申

船电技术 2022年4期

关键词：海深潜水器插座

曹俊，程斐，叶聪，杨申申

应用研究

载人潜水器中水密接插件组件应用研究

曹俊，程斐，叶聪，杨申申

（中国船舶科学研究中心深海载人装备国家重点实验室，江苏无锡 214082）

水密接插件和水密缆构成水密接插件组件，是水下供电传信的关键节点，也是制约深海装备研发的瓶颈。本文简述了水密接插件发展状况，介绍了载人潜水器水下供电传信需求，系统梳理水密接插件组件的试验经验和应用情况，重点分析在线性能检测和模拟压力试验过程中的失效原因，得到水密接插件组件受海洋复杂环境影响和海水循环压力影响的定性和定量结果，为水密接插件组件的可靠应用及自主研发提供数据分析和技术支撑。

载人潜水器水密接插件水密缆失效

0 引言

载人潜水器是落实我国“深海进入、深海探测、深海开发”这一深海“三步曲”战略的引擎装备，对深海关键技术与装备具有全面带动作用。已带动材料领域的耐压结构、浮力材料、复合材料，电气领域的电池、电机、推进，声学领域的通信、导航、探测等技术取得大幅度提升[1, 2]。2012年，世界海洋强国围绕全海深载人潜水器开展了新一轮深渊科技竞争，各国都面临着关键核心技术挑战[3, 4]。

载人潜水器下潜深度、续航时间的增加和载荷性能的提升，对数据传输和能源供应提出了新挑战，尤其是“奋斗者”号载人潜水器将应用于马里`亚纳海沟极端高压环境。水密接插件和水密缆组件作为水下供电传信的关键节点，起着贯穿耐压壳体、连接电子装置和作业装备、分离光电信号的作用，是水下供电传信的“关节”，是制约海洋科学研究、海洋资源开发和海洋权益保护的“瓶颈”[5]。

本文以水密接插件组件在载人潜水器上的可靠应用为研究目标，简述了水密接插件的世界格局，介绍了载人潜水器水下供电传信需求，系统梳理我国大深度载人潜水器中水密接插件和水密缆组件的试验经验和应用情况，重点分析了模拟压力试验过程中的失效原因。

1 水密接插件组件需求分析

1.1 水密接插件发展状况

国外上世纪50年代开始研究水密接插件，最初用于潜艇等军事应用。已经形成了系列化、规格化的货架产品，能满足不同电压、电流、深度要求。在全海深橡胶体电气、金属壳体电气及光纤领域均取得了一定的研究成果，并具备产业化能力。国际知名的制造商主要集中在欧、美等传统海洋强国，如美国TE公司（SEACON系列）、美国Teledyne公司（IMPULSE系列）、美国BIRNS公司、丹麦MacArtney公司（SubConn系列）、德国JOWO公司等。这些国际知名公司具备完善的产品设计、生产、检测和维护能力。在专用材料、性能检测及应用方面，具有巨大优势。

图1 国际知名的深海水密接插件制造商

1949年起，美国国防部批准建立连接器MIL标准化体系，旨在为军用设备采购连接器提供依据。虽然不是由连接器制造商编制的规范，也不是由标准化行政主管部门批准发布的规范，却在国际上得到广泛认同，成为事实上的国际标准。同时，MIL标准化体系融合了国际上不断发展的新技术、新材料和新工艺，始终保持先进性。国外水密接插件制造所遵循的标准规范主要是MIL-C-24217A（潜艇用深水电连接器）。国外水密接插件试验所遵循的有关标准规范如表1所示。

1954年以来，BIRNS公司一直为美国海军提供高性能照明和连接器系统，产品也应用于Pisces IV号和Pisces V号载人潜水器、Bluefin无人潜水器等深海装备，其充油接插件和充油电缆组件是ABS认证用于2艘Pisces载人潜水器的唯一组件。1995年以来，BIRNS公司提供行业领先的测试，超过严格的ABS/DNV要求，2006年引入盐水测试。静水压力测试的额定压力范围为138MPa、69MPa、35MPa和7MPa。2018年，BIRNS公司的质量管理体系获得了DNV-GL的ISO 9001:2015认证[6]。

表1 水密接插件试验有关的标准规范

1978年，MacArtney集团的SubConn公司首次引入Circular系列接插件，并成为大多数SubConn产品的技术基础，该系列产品有着标志性的红色锁套[7]。1995年，“泰坦尼克号”电影拍摄以来，詹姆斯-卡梅隆团队一直选择SubConn公司产品作为他几个水下项目的首选方案。2012年，詹姆斯-卡梅隆团队研制的Deepsea Challenger号载人潜水器，选型SubConn公司产品，用于连接潜水器电池组、LED光阵列、高清和IMAX的3D摄像机以及其他重要传感器。Deepsea Challenger号挑战马里亚纳海沟之前预先布放的2个着陆器，也选型SubConn公司产品。同时，美国伍兹霍尔海洋研究所也一直使用SubConn公司产品，用于Alvin号载人潜水器等各种海洋装备的运行及维护[8]。

图2 国外水密接插件在潜水器上典型应用案例

国内上世纪80年代初开展水密接插件的研制及生产工作，浅深度系列产品已基本成熟，并逐渐应用。目前相关研究单位有中国电科8所、中天海洋系统有限公司、中科院沈自所、中国电科23所、中航117厂、中航158厂、上海蓝梭电子科技有限公司等。总体上：（1）专用材料、加工工艺及高可靠性密封技术等关键领域相对滞后；（2）性能检测、试验方法及设备不够完善；（3）质量稳定性、性能可靠性及使用寿命等方面与国外尚有差距；（4）产品系列、规格及产量有限，在全海深光纤贯穿件、全海深电气连接器方面有所突破。

国家科技部国家重点研发计划“深海关键技术与装备”专项，以全海深载人/无人潜水器研制为引擎，突破深海前沿关键技术，已布局自主研发全海深水密接插件组件，力争填补我国空白，为深远海高端装备提供保障。研制了全海深单芯光纤贯穿件、四芯光纤贯穿件、8芯橡胶体电连接器、16芯金属壳体电连接器等水密接插件组件。

1.2 载人潜水器供电传信需求

经过近20年的跨越式发展，我国在载人潜水器领域已经建成了完整的技术体系、测试体系、应用体系、维保体系和培训体系。

水密接插件和水密缆组件主要用于载人球舱贯穿、供电主干路、单台设备接线、多路信号汇总。安装位置涉及载人球舱、耐压罐、接线箱、电池箱、作业工具等多种形态。此外，超强光场阵列、高清图像视频、精细声学成像等设备对深海供电传信提出了供电和大数据流的需求，高速水声通信等设备对深海供电传信提出了防信号串扰的需求，深海极端应用环境同时提出了可靠应用的挑战。

载人潜水器“载人球舱-中继接线箱-终端设备”的典型供电传信应用工况如图3所示。

图3 载人潜水器典型供电传信应用工况

1.3 全海深水密接插件

受载人潜水器、无人潜水器、着陆器等深海装备与技术的牵引，国际上水密接插件的应用深度主要集中在6000 m及以内，可用于全海深的型号比较少，主要包括IMPULSE公司和SEACON公司的MS金属系列，SubConn公司、BIRNS公司、IMPULSE公司和SEACON公司的BH/IL系列橡胶型，其它还有德国JOWO公司以及IMPULSE公司的光纤水密插座和水密光缆。

表2 国外全海深水密接插件（11000 m级）主要性能

MS金属系列（如图4所示），以IMPULSE公司产品为例[9]，有“G，K，L，M，O，Q”等不同尺寸，从1芯到96芯不同芯数的系列产品，采用径向和轴向两道O型圈密封，组件可以最高承受144 MPa外压。MS金属系列水密接插件用途广泛，既可用于高电压（最高3000 V）、大电流（250 A）供电，也可用于大密度电气信息流传输，有的型号还内置同轴接插件，可用来传输高清视频信号和射频信号。MS金属系列水密接插件还具有可靠性高、安全性好、使用寿命长等优点，缺点是成本高、体积大、重量重、操作维护空间要求高。

图4 MS系列金属型水密接插件

SubConn公司的BH/IL系列橡胶型水密接插件[7]，有常规型、分体型和直角型3种样式，如图5所示。具有1芯到16芯共14种型号，采用紧密粘贴在插针根部的橡胶套挤压插孔前段的橡胶围壁，从而实现接插件之间水密，组件可以最高承受144 Mpa外压。电缆由柔性防水氯丁橡胶或聚安酯制成，锁套由注塑聚甲醛或不锈钢制成，并配有不锈钢扣环。可以传递供电信号（600VDC，10 A/芯，可并联使用），也可以用来传递大量通讯、控制和检测电气信息。橡胶型水密接插件经济实惠，重量轻，体积小，易于维护，可实现高密度分布。

图5 BH/IL系列橡胶型水密接插件

德国JOWO公司的四通道（图6左图）和美国IMPULSE公司的单通道（图6右图）水密光纤连接器，是近年来少数的成功应用于全海深潜水器的产品，可靠性得到初步验证[10]。

图6 全海深水密光纤连接器

2 水密接插件组件应用分析

2.1 在线性能检测技术

载人潜水器方案设计结束之后，订购了一批水密接插件样机组件进行多轮全海深压力考核，以及可靠性测试，同时也为后期其他终端设备的全海深压力考核试验提供测试水密接插件和水密缆。美国在静水压力试验方面有专门的标准规范MIL-STD-1344，Method 1006。我国2011年正式颁布国家军用标准《潜水电连接器通用规范》（GJB 7244-2011），作为国内水密连接器设计、检验的主要依据。

载人潜水器在总装集成阶段时，水密接插件和水密缆主要通过模拟压力试验进行性能测试。通过检测装置实时检测全海深接插件组件的线缆阻抗、绝缘性能、信号传输性能。

在线性能检测技术的压力筒和原理如图7所示。

载人潜水器上的所有设备，包括水密接插件和水密电缆，在海试及应用过程中得到充分考验。本文将对一些典型失效故障进行分析，这也将是全海深水密接插件组件应用的共性问题[11]。

2.2 电缆外护层老化腐蚀变形

载人潜水器所涉及的深海环境为水下0～11000 m，这也是水密接插件的工作环境。水密电缆，尤其是橡胶外皮的水密电缆，长期在高温、日晒、高盐、充油环境下使用，容易出现鼓包、变形、开裂等现象。使用超过10年的水密电缆，陆续出现老化、鼓包等现象，如图8所示。

水密电缆老化的原因主要有：1）温度，电缆所处的外界高温环境和热源，会造成电缆温度过高，过高的温度会加速绝缘的老化；2）超负荷运行，长期超负荷运行，由于电流的热效应，负载电流通过电缆时必然会导致电缆导体发热，同时电荷的集肤效应、绝缘介质损耗等也会产生附加热量，从而导致电缆温度升高；3）外力损伤，电缆敷设安装时的不规范施工等造成机械损伤，会导致电缆变形，加速电缆的老化；4）绝缘受潮，水密插头或插座长时间使用后，渗水或混入水蒸气，累积后在电场作用下形成水树枝，逐渐损害电缆的绝缘强度；5）化学腐蚀，海洋环境往往会造成电缆的铠装或外护层被腐蚀，外护层因长期遭受化学腐蚀或电解腐蚀，致使外护层失效，绝缘降低.。

根据载人潜水器长期的维护经验，为减缓水密电缆外护层老化、腐蚀、变形等问题，提高水密电缆使用寿命，操作维护人员可采用如下必要措施：1）避免水密电缆长期直接暴露在日晒之中，无法避免时可将暴露在潜水器外的水密电缆上包裹反光布；2）保证水密电缆的最小弯曲半径，不低于电缆直径的8倍；3）潜水器返回水面后，及时以淡水冲洗，避免高浓度盐溶液聚集在水密电缆外皮上；4）保证水密电缆的清洁，尤其是橡胶型水密电缆避免长时间和各种油类、酸碱性溶液接触。

图8 水密电缆外护层老化鼓包

除水密电缆外护层老化导致绝缘下降外，水密插座芯线也存在老化导致绝缘下降的问题。

某次陆上通电测试过程中，载人潜水器上某个水密插座由于使用年限超过12年，芯线之间绝缘下降，通电工作之后电流异常上升，将供电回路保险丝熔断。

水密接插件和水密电缆的使用寿命长久以来没有确切的期限规定，主要取决于水密接插件和水密电缆的使用频率（下潜频率）和工作环境（日晒、浸油、酸碱盐浸结）。基于当前载人潜水器下潜应用情况，建议使用时间不超过10年。

2.3 电缆外护层海水扰动刺破

载人潜水器电缆敷设安装时的不规范施工等因素，容易造成电缆的机械损伤。如果机械损伤不严重，要几个月甚至几年才会导致电缆损伤部位彻底击穿形成故障；机械损伤严重的可能会立刻发生短路故障。

某次海试过程中，载人潜水器出现过24V供电回路接地绝缘电流异常升高的故障。

经现场检查分析，载人潜水器供电回路中一根水密电缆与外部捆扎电缆的尼龙扎带剪切口接触，潜水器下潜过程中，海水持续扰动，尼龙扎带异常锋利的剪切口，将水密电缆外护层刺穿，海水进入水密电缆的内部，并且沿着电缆内部的导线渗透到水密插头和水密插座的连接处，最终造成电缆内部芯线绝缘下降。水密电缆破口位置、水密插座进水情况如图9所示。

图9 水密电缆外护层表皮海水扰动刺穿进水

2.4 金属型插座反向凸起变形

某次模拟压力试验过程中，金属型插座发生反向凸起变形的故障：（1）金属型插座，连接充油接线箱形式时，在进行两次以上模拟压力循环试验后，内部均会发生反向凸起变形；（2）金属型插座，发生反向凸起变形后，多次模拟压力循环试验后凸起变形基本不再增大，不会发生破坏，绝缘和通断均正常；（3）金属型插座，连接耐压罐形式时，在模拟压力试验中均工作正常，证明了这种连接形式的可靠性。

针对安装在充油箱体上的金属型插座反向凸起变形的问题，水密插头受力作用分析如图10所示，水密插座触点和水密插头触孔之间有约1 mm缝隙，模拟压力循环试验时，充油箱体内压逐渐增大时，水密插座环氧内核铸件受压会向外顶出，进而导致水密插座反向凸起变形。

图10 金属型水密插座受力变形分析

2.5 橡胶型插座内圆芯线断路/短路

某次模拟压力试验过程中，水密电缆插头出现短路故障。

对水密插头受力情况进行分析，短路故障是由于芯线焊接点受力挤压造成的。该水密插头中，电缆总屏蔽和四对屏蔽双绞线的屏蔽线在水密插头处汇总焊接到一根芯线后接到插头的一根插针上，汇总焊接处虽然用热缩套管包好，但在模拟压力作用下，屏蔽线的焊点挤压到旁边的电源线，导致短路。

某次模拟压力试验过程中，有多个橡胶型水密插座均出现芯线断路现象，并且均集中在插座内圆的1-5#芯线上，如图11所示。

对水密插座受力情况进行分析，得出以下结论：1）橡胶型水密插座加工制造时，芯线焊接的过程中一般首先焊接1#芯线，并以1#芯线为基准进行其他芯线的焊接，因此通常1#芯线是最短的芯线。2）在外界压力逐渐上升时，橡胶型水密插座受压拉紧，橡胶柱体部分向中间挤压，电气触点沿轴向向外产生位移，其尾线会逐渐拉紧，处于绷紧状态，容易在焊点处发生断裂，发生断路。3）实际应用过程中，避免使用1#芯，同时增加重要信号的芯线备份。

图11 橡胶型水密插座高压下内圆芯线断路

3 结论

以水密接插件组件在载人潜水器上的可靠应用为目标，本文一方面梳理了载人潜水器高频次应用过程中水密接插件组件的典型共性失效故障，另一方面设计了水密接插件组件在线性能检测方法。

全面总结水密接插件和水密电缆组件模拟压力试验及海上实际应用的经验与教训，得到结论如下：1）海洋复杂环境影响。海水扰动可能引起水密缆与外界尖锐物体的摩擦，进而导致机械损伤；海上高频次应用10年以上，电缆橡胶外护层易出现老化、腐蚀、变形、鼓包、开裂等现象，插座内部芯线由于老化也会导致绝缘下降。2）海水循环压力影响。插头多条芯线汇总焊接点在高压下可能挤压变形，进而与其他芯线接触导致短路；金属型插座连接充油接线箱形式时，会产生反向凸起变形，基本不累加也不发生破坏；金属型插座连接耐压结构形式时，工作正常；橡胶型插座内圆的1-5#芯线中，最短的焊接基准芯线有断路风险，1#芯线要规避使用，2-5#芯线要有冗余设计。

[1] 胡震, 曹俊. 载人深潜技术的发展与应用[J]. 中国工程科学, 2019, 21(6): 87-94.

[2] 曹俊, 胡震, 刘涛, 等. 深海潜水器装备体系现状及发展分析[J]. 中国造船, 2020, 61(1): 2014-218.

[3] 朱大奇, 胡震. 深海潜水器研究现状与展望[J]. 安徽师范大学学报（自然科学版）, 2018, 41(3): 205-216.

[4] 徐伟哲, 张庆勇. 全海深潜水器的技术现状和发展综述[J]. 中国造船, 2016, 57(2): 206-221.

[5] 陈少兵, 张博, 薛萍. 深海通用系列连接器的工程化应用[J]. 机电元件, 2013,33(4): 32-35.

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

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

[8] 美国 WHOI 官网[EB/OL]. http://www.whoi.edu.

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

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

[11] 程斐. “蛟龙”号载人潜水器海试中出现的电气故障分析和思考[C]. 702所50周年所庆论文集, 2011.

Research on the application of watertight connector component in manned submersible