新型深海线缆及组件用水密试验系统的研制

辛秀东，吴 宇，宋 杰

新型深海线缆及组件用水密试验系统的研制

辛秀东1，吴 宇2，宋 杰1

（1．上海电缆研究所有限公司 特种电缆技术国家重点试验室，上海 200093；2.海军装备部，上海 200136）

本文结合中国水下装备对于线缆的使用要求，提供了一种验证手段，详细论述了水密试验系统的功能和设计的技术要点；通过材料选型与仿真结合的方法论述了水密试验系统的可靠性，并提供了一种新型的试验夹具和试验控制系统，极大地提高了试验的准确性。

水密 有限元分析 抗张强度 不锈钢

0 引言

建设海洋强国是中国特色社会主义事业的重要组成部分，水下装备系统不断往更深、更强、更可靠的方向发展，特种水密线缆及组件是现代舰船, 尤其是水下装备的重要配套产品之一，直接关系到水下装备的安全性、可靠性、先进性以及作战能力。随着目前水下装备的往更深发展，对水密封线缆耐水压的性能要求也越来越高，已经由原来的200 m水深到了现在的万米水深。因此，随着水密封线缆技术要求的提高，其水密试验难度也提出了更高的挑战，亟需一台能够真实模拟水下装备系统用线缆及组件所受到水压情况的设备，为水密线缆及组件的研发和生产提供验证手段，确保交付的产品满足要求。

1 水密线缆及组件试验条件

对于水密线缆的试验的要求通常采用GJB 1916-1994和GJB 774A-2020中规定的试验方法，主要是满足静水压力的纵向水密要求；对于动态水压下的纵横向（特别横向水压下的运行）试验很少有相关标准进行规定，大多是通过实际工况并结合上述两个标准来进行验证。例如，在不同深度下、经过长时间周期性水压变化过程中水密线缆组件的信号传输、电气性能等工作条件的变化情况。

上海电缆研究所根据多年的水密线缆及组件的研发、生产和验证经验，结合目前水密线缆及组件的使用工况，研制开发了一套30 MPa深海水密线缆及组件用纵横向水密试验系统。本系统能够有效的模拟水下装置在水里上浮或下潜过程中受到的水压变化情况，能够对水密线缆及组件进行纵向或横向动态水密试验。通过纵向水密试验来验证水密线缆及组件的动态水密安全性；通过横向水密试验既能验证水密线缆及组件的动态水密安全性又能检测其电气性能或传输性能。

2 纵横向水密试验系统主要功能简述

这款纵横向水密试验系统主要由纵横向水密试验罐、水压增压系统、操作控制系统三部分组成。试验罐可将电缆一端置于充满水的试验罐内，进行纵向水密试验；也可将电缆的两端伸出罐外，进行横向水密试验。操作控制系统可实现编程功能，采用自动调压技术，精度控制在0.5MPa以内，可根据设定的程序对水压增压系统进行自动加压、泄压或按照规定时间进行恒压保持。试验罐是纵横向水密试验系统的主体部分，其一端开有三个装电缆夹口，另一端开有一个装电缆夹口，能够实现外径80mm及以下的线缆纵横向水密试验，也能用于水下连接器（外径≤80mm）的纵横向水密试验，基本涵盖了水下装备用各类线缆及组件尺寸范围。纵横向水密试验系统见图1所示。

图1 纵横向水密试验系统

3 纵横向水密试验系统的关键技术要点

3.1 罐体材料选择

水密试验罐内部长期充水，除了应满足足够的水密性能外，所用的材料必须具有优良的抗压强度、耐海水腐蚀等性能。聚酯塑料材料虽然具有良好的耐海水性能，但是很难满足几百米水压的性能，故考虑采用金属材料。目前压力设备常用的金属材料主要有碳钢和不锈钢。碳钢长期在水的环境下使用会生锈腐蚀，故考虑采用不锈钢材质。最常用的不锈钢材料有三种型号：201、304和316。具体对比如下：

1）304不锈钢防锈性能比201不锈钢材料要强。201不锈钢含锰较高,在长期使用过程中会慢慢产生锈迹，另外材料比较硬，比较容易开裂。304不锈钢含镍比201不锈钢多，长期使用不生锈，而且有韧性，耐疲劳度比201不锈钢好很多；

2）304不锈钢和316不锈钢均属卫生级不锈钢，在日常使用中并无明显区别，光洁度好，且易车易加工，已广泛应用于海洋环境、化学、染料、造纸、草酸、肥料等生产设备。316型不锈钢抗腐蚀能力优于304不锈钢，因此就材质耐腐蚀性而言316不锈钢更好。但是，试验罐体的材料必须具有优良的抗压强度，需要具有长期承受30MPa大水压下的试验能力。304不锈钢比316不锈钢具有更高的抗拉强度和屈服强度，其主要力学性能对比见表1所述，另外本试验系统所使用的水源为自来水，并在试验室环境条件下进行试验，因此选用304不锈钢更具有性价比。

表1 304和316不锈钢主要力学性能对比

3.2 罐体结构确定选择

在确定了水密试验罐的材料后，水密试验罐采用什么样的结构尺寸，钢体厚度是多少，采用什么样的连接螺栓是必须考虑的。合理的结构设计才能保证在高水压下的长期安全有效使用。

为了满足试验样品的通用性，本纵横向水密试验系统在结构尺寸上尽量做到了合理化，既不是体积庞大，也不是那种纤小而导致样品受约束。为了兼容GJB 1916-1994和GJB 774A-2020标准中规定的试验条件，水密试验罐的长度不低于1m，可以实现纵向水密试验。结合多年的用户使用水下特种线缆尺寸范围和试验条件，确定了水密试验罐的工作舱形状采用圆柱体结构。圆柱体结构能够承受更大的压力，空间更有效，其尺寸为：Φ350 mm*1500 mm。内舱直径为350 mm，也可以对直径30 mm以下的软线缆（水下装备线缆通常规定最小弯曲半径6倍线缆直径）进行横向水压试验过程中的传输性能测试，如插损、驻波、光缆衰减等（见图2，图3所示）。

图2 横向水压试验示意图

图3 水密试验罐外形

3.3 罐体及螺栓关键件应力分析

水密试验罐所承受的试验水压最大到了30MPa，罐体内径达到了350 mm，在这样高的压强下，罐体所受的力非常大，所以在生产前必须进行应力分析以确定罐体的钢板厚度和选择合适的高强的压紧螺栓。随着计算机技术的迅速发展，使有限元分析方法在工程中得到了广泛的应用，我们采用SolidWorks Simulation或Ansys Workbench对所设计的水密试验罐进行应力分析，调整罐体的结构尺寸参数，优化设计，简化仿真模型，看是否满足设计的要求，以便为生产加工提供必要的参考。图4所示，水压30MPa时，罐体厚度为55mm时的应力分布和安全系数分布图。

根据水密试验罐预设的结构尺寸进行建模、网格划分，采用表1中的参数设置材料属性，并设置压强分别为10 MPa、20 MPa、30 MPa、35 MPa，SolidWorks Simulation计算水密试验罐的应力分布情况和安全系数见表2所示。

图4 水密试验罐应力分析仿真示意图

图5是水密试验罐的前后挡板，挡板的厚度均厚于罐体厚度，在30MPa压力内是安全可靠的。但是，连接罐体和前后挡板的螺栓的强度却是至关重要的，需要选择高强度的螺栓和合适的数量。对于压力容器等紧密性要求较高的重要联接，当工作压力为（20～30）MPa时，螺栓间距不得大于3d（d为螺栓螺纹标称直径）。水密试验罐的螺栓规格为M33，螺栓间距不得大于99 mm，根据本水密试验罐的结构尺寸计算得到螺栓数量至少17个。项目组选用了18个10.9级的高强度螺栓(标称抗张强度≥1040MPa，屈服强度≥940 MPa，有效截面积694 mm2)，另外从安全性考虑增加了6根高强度的40Cr钢棒(标称抗张强度≥980 MPa，屈服强度≥785 MPa，有效截面积694 mm2)，将前后两个挡板连接加固（见图5所示）。

表2 SolidWorks Simulation计算水密试验罐的应力分布情况和安全系数表

图5 水密试验罐两端图

水密试验罐的螺栓组所受的力为轴向载荷，每个螺栓所受轴向工作载荷为：

F1为水在罐体挡板有效截面=π*350*350/4=96211mm2上的力值，单位N；F2为螺栓上的残余预紧力，一般取值1.6*F1，单位N；为水的压强，单位MPa；为螺栓的有效截面积，单位mm2；δ为螺栓的屈服应力，单位MPa，为螺栓数量；为安全系数，一般取值1.5。

根据第四强度理论：

通过以上推导计算，采用18个10.9级的高强度螺栓和6根高强度的40Cr钢棒进行连接密封,安全可靠。

3.4 线缆夹具

在进行水密试验时，将电缆一端穿进水密罐里边，另一端在水密罐外端（如图6所示），压力增大到规定的要求，并在保持规定的时间内，观察线缆是否漏水。目前在常规的两三百米水深下，电缆外径在40 mm内时，水密试验夹具一般单独采用垫片压紧或水密胶粘接方式就可以完成水密试验，而不会产生电缆和夹具之间的滑移现象。但是，当水压达到700 m水深以后，电缆外径在20 mm以上时，电缆所受的压力达到220公斤以上，这种常规的夹具很难将电缆固定住，电缆很容易从夹具中滑移出来，造成试验失败。

图6 水密封试验示意图

本纵横向水密试验系统提供了一种深海水密封线缆水密试验夹具（见图5、图7），通过两重夹紧方式将电缆固定，增强了电缆和夹具之间的连接程度。一重方式：采用紧压螺母和夹具筒之间的螺纹旋紧方式，将夹具筒里边（不锈钢垫环+水密橡皮胶带（或垫）+不锈钢垫环）紧紧压住，使得水密橡皮胶带（或垫）径向压涨，将电缆固定住；第二重方式：在后边的圆锥孔灌胶夹具内灌封弹性热熔胶(或环氧树脂)，将电缆和圆锥孔夹具粘住，当水的压力越大时，作用于圆锥状的弹性热熔胶(或环氧树脂)上的力就越大，就会使得电缆上受到的夹持力越大，将电缆更容易固定住。通过以上两重方式的新型夹具，有效的解决了大水压试验条件下，普通水密罐的夹具难以夹住电缆的问题。另外，采用这种螺栓连接的可拆卸方式，可以很方便的把试验后的样品取出。采用10.9级的高强度螺栓把圆形（或方形）夹具压板和罐体盖紧密连接，将线缆夹具密封压紧（见图5、图8）在他们中间。

3.5 水压控制系统

本款纵横向水密试验系统提供一套完整的水压控制系统，通过PLC模块对系统中的输入和输出参数进行控制，能够实现各种压力下的自动切换和控制压力时间，能够有效的模拟深海装备在上浮或下潜或不同深度位置的压力情况（见图9），图10为系统原理图。同时为了保证过程中的安全性能，本纵横向水密试验系统附带一套安全控制装置，如当电缆从夹具中万一滑移时能够立即停止加压并泄压。

图7 深海水密封线缆水密试验夹具

图8 线缆夹具与水密罐连接方式图

(附图标记说明：1. 被测水密封线缆；2. 灌封热熔胶（或环氧树脂）；3. 内圆锥孔灌胶夹具；4. 六组连接螺栓；5. 夹具筒；6. 不锈钢垫环；7. 水密橡皮胶垫；8. 紧压螺母)

图9 不同水深下，压力--时间曲线图

4 总结

上海电缆研究所研制的纵横向水密试验系统能够进行静态和动态测试，可用于进行深海线缆及组件的纵向水密测试，以验证线缆及组件的安全性能；又能用来验证深海线缆及组件横向水压下的工作性能，如传输性能、耐电压性能等。

本系统解决了深海用线缆及组件大压力模拟试验和线缆夹具滑移问题，不仅为厂家研发和生产水下线缆及组件提供了验证的手段，而且为采购方提供了一套产品验收的方法，为产品的安全性和使用性提供了数据支持。

图10 纵横向水密试验系统原理图

[1] 邓阳春, 陈钢, 杨笑峰, 等. 确定压力容器安全系数原则[J]. 中国安全科学学报, 2008, 18(6): 84-88.

[2] 许瑛. 21世纪全国应用型本科大机械系列实用规划教材——机械设计课程设计[M]. 北京: 北京大学出版社, 2008.

[3] 国防科学技术工业委员会. 舰船用低烟电缆和软线通用规范: GJB 1916-1994[S]. 1994.

[4] 中央军委装备发展部. 舰船用电线电缆通用规范: GJB 774A-2020[S]. 北京: 国家军用标准出版发行部, 2020.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 压力容器: GB 150.1～150.4-2011[S]. 北京: 中国标准出版社, 2012.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管: GB/T 13296-2013[S]. 北京: 中国标准出版社, 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

辛秀东（1977-），男，高级工程师，研究方向：特种电线电缆的设计开发及测试。E-mail：xinxiudong@secri.com