海底鎧裝電纜承重鎖緊密封裝置設(shè)計(jì)

曲君樂，劉 杰，吳承璇，李正寶

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

海底鎧裝電纜承重鎖緊密封裝置設(shè)計(jì)

曲君樂，劉 杰，吳承璇，李正寶

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001)

針對海底鎧裝電纜與密封艙的連接部位在承重、密封、拉力等方面存在的問題，設(shè)計(jì)了一種海底鎧裝電纜承重鎖緊密封裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)鎧裝電纜和密封艙的連接。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，此裝置可滿足海底鎧裝電纜連接部位對承重、拉力和密封的要求，符合現(xiàn)場應(yīng)用的要求。

海底電纜;鎧裝;承重;密封

目前，海底鎧裝電纜被廣泛地應(yīng)用于海底數(shù)據(jù)通信和電力輸送。采用鎧裝電纜能夠增加海底電纜的機(jī)械強(qiáng)度，提高防侵蝕能力，但增加了海底鎧裝電纜與海底設(shè)備間的聯(lián)接難度，需要從承重、密封、縮緊等角度設(shè)計(jì)相關(guān)裝置。

海底電纜的鎧裝由金屬絲線沿電纜按照一定的絞合節(jié)距絞制而成。目前，海底電纜與設(shè)備艙連接處多采用卡子從鎧裝電纜外面抱緊電纜并固定在設(shè)備基座上，遇有外力或海流反復(fù)拉扯容易導(dǎo)致電纜防護(hù)層和卡子之間的磨損，露出鎧裝鋼絲造成銹蝕影響電纜承載拉力。同時，鎧裝電纜與密封艙之間通常采用密封膠密封，此種方法在卡子松動電纜受外力拉扯時，容易導(dǎo)致密封失效、海水滲入密封艙，使得水下設(shè)備無法正常工作。因此，迫切需要解決海底鎧裝電纜和水下設(shè)備的承重連接密封問題。

本文針對海底鎧裝電纜與密封艙連接存在的問題，研制了一套海底鎧裝電纜承重鎖緊密封裝置。該裝置采用倒T型支架實(shí)現(xiàn)鎧裝電纜與密封艙連接處的承重；采用硫化橡膠密封室進(jìn)行二次密封，選用橡膠O型圈實(shí)現(xiàn)與密封艙接觸部位的密封；采用半圓溝槽式心形鎖緊塊鎖緊鎧裝鋼絲，利用錐形密封腔加錐形橡膠體機(jī)械壓緊鎧裝纜。

1 鎧裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 問題分析

海底鎧裝電纜是由不同材料導(dǎo)體裝在有絕緣材料的金屬鋼絲防護(hù)層中，外部分層纏繞麻披和防水材料被加工成耐腐蝕、抗拉力、耐磨損可彎曲的堅(jiān)實(shí)組合體，斷面截圖如圖1所示。

圖1 海底鎧裝電纜斷面截圖

如圖2所示，鎧裝電纜和密封艙相連。在進(jìn)行鎧裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，首先要考慮的因素是裝置的機(jī)械強(qiáng)度。受鎧裝電纜的特性和使用環(huán)境的影響，鎧裝電纜與密封艙在連接部位存在壓力、張力、扭力等各種力的作用。設(shè)計(jì)上首先考慮該裝置要有較好的機(jī)械強(qiáng)度滿足電纜的拉伸強(qiáng)度，避免由于裝置受外力影響破損，導(dǎo)致鎧裝電纜斷裂。其次，為了防止海水進(jìn)入密封艙，該裝置應(yīng)該具有較好的密封性，同時還能夠避免或減緩在水下長時間放置過程中海水的侵蝕。最后，為了避免鎧裝電纜的轉(zhuǎn)動，影響密封防水的效果，該裝置還應(yīng)該具有鎖緊的功能，并符合鎧裝電纜內(nèi)置鋼絲承載拉力的要求。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過以上的問題分析，明確了該裝置的功能和實(shí)際要求，進(jìn)行材料選型和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該裝置選用316L不銹鋼作為主材，具有耐壓耐腐蝕的特點(diǎn)，能夠在深海環(huán)境下長期使用。承重功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)需要考慮機(jī)械強(qiáng)度、密封、鎧裝電纜最大抗拉力等需求，還需要參考海上施工、安裝、維護(hù)等工程實(shí)施要求。采用小型化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了倒T型承重支座裝置來解決鎧裝電纜承重問題（圖3所示）。該裝置底部是由兩塊垂直焊接在一起的鋼板組成倒T字形，其中垂直鋼板上具有一個大小可調(diào)的圓孔，可方便安裝到海底基座或海底設(shè)備上，具有安裝方便、承重可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 海底鎧裝電纜連接整體示意圖

1.2.1 密封設(shè)計(jì)

海底鎧裝電纜與設(shè)備艙的連接既要保證設(shè)備艙不能漏水又要保證鎧裝電纜外鎧裝鋼絲不暴露在海水中銹蝕，因此在海纜穿過該裝置入口處采用錐形橡膠體機(jī)械密封，為了使密封更加可靠，在鎖緊剝離鎧裝鋼絲處設(shè)置了一個密封室，室內(nèi)充滿硫化橡膠作為第二重密封，確保在深海高壓下能夠安全隔離海水，同時保護(hù)裸露的鎧裝鋼絲不會接觸到海水銹蝕，密封完成后如圖3所示。

圖3 海底鎧裝電纜與設(shè)備艙密封示意圖

1.2.2 鎖緊設(shè)計(jì)

海底鎧裝電纜鎖緊設(shè)計(jì)是根據(jù)海纜的封裝特性考慮的，因?yàn)楹＠|的抗拉強(qiáng)度是通過均勻分布在絕緣層和防水層之間的鎧裝鋼絲實(shí)現(xiàn)的（斷面截圖如圖1所示），所以要想將海底鎧裝電纜鎖緊必須將海纜的鎧裝鋼絲鎖緊才能實(shí)現(xiàn)電纜的最大抗拉力。

根據(jù)鎧裝電纜結(jié)構(gòu)，先將電纜鎧裝鋼絲從密封層中剝離出來，穿過一個帶錐形孔的固定基座和中心可穿過鎧裝電纜的心形實(shí)體，將穿過心形實(shí)體的鎧裝電纜中鎧裝鋼絲剝離出來均勻布在心形體外部半圓溝槽內(nèi)，將心形體連同鎧裝電纜推入帶錐形孔的固定基座，利用物理摩擦原理傾角小于摩擦角具有自鎖性，使得鎧裝電纜在受到外力作用下鎖緊裝置越拉越緊。

2 測試試驗(yàn)與分析

2.1 鎧裝電纜鋼絲鎖緊后拉力試驗(yàn)與分析

為了測試海底鎧裝電纜使用該裝置進(jìn)行連接后的承重拉力性能，我們進(jìn)行了承重拉力試驗(yàn)。拉力試驗(yàn)的本質(zhì)是對試樣施加軸向拉力，取一段鎧裝電纜將兩端鎧裝鋼絲剝離出來，兩端裝夾到該裝置鎖緊測量試樣在變形過程中直至斷裂的各項(xiàng)力學(xué)性能，試驗(yàn)材料的全面性能反映在拉伸曲線上（圖4）。

圖4 海底鎧裝電纜承重拉力試驗(yàn)曲線

從圖中可以看出，海底鎧裝電纜的拉力曲線可以分成6個階段。

第一階段：彈性變形階段[a，b]

彈性變形階段具有兩個特點(diǎn)：

（1）從宏觀上看，力與伸長成直線關(guān)系，彈性伸長與力的大小和試樣標(biāo)距長短成正比，與材料彈性模量及試樣橫截面積成反比。

（2）變形是完全可逆的。加力時產(chǎn)生變形，卸力后變形完全恢復(fù)。

第二階段：滯彈性階段[b,c]

在此階段，應(yīng)力-應(yīng)變出現(xiàn)了非直線關(guān)系。

第三階段：微塑性應(yīng)變階段[c,d]

材料在加力過程中屈服前的微塑性變形部分。

第四階段：屈服階段[d,e]

這個階段是金屬材料的不連續(xù)屈服的階段，也稱間斷屈服階段。

第五階段：塑性應(yīng)變硬化階段[e,f]

屈服階段結(jié)束后，試樣在塑性變形下產(chǎn)生應(yīng)變硬化。

第六階段：縮頸變形階段[f,g]

力施加至f點(diǎn)時，試驗(yàn)材料的應(yīng)變硬化與幾何形狀導(dǎo)致的軟化達(dá)到平衡，此時力不再增加。

從以上拉伸曲線上，可以測定金屬材料如下性能：

①上屈服強(qiáng)度：（c點(diǎn)）試樣發(fā)生屈服而力首次下降前的最高應(yīng)力；

②下屈服強(qiáng)度：（e點(diǎn)）屈服期間的最低應(yīng)力，注意這里要排除初始瞬時效應(yīng)最低應(yīng)力點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力；

③抗拉強(qiáng)度：（f點(diǎn)）在最大力點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)力；

④屈服點(diǎn)延伸率：(a，e)對于呈現(xiàn)明顯屈服現(xiàn)象的材料，從屈服開始至均勻硬化開始之間的延伸率。要注意起點(diǎn)和終點(diǎn)的判斷；

⑤最大力總伸長率：f點(diǎn)處作一垂線，橫坐標(biāo)原點(diǎn)與交點(diǎn)長度對應(yīng)的伸長率；

⑥最大力非比例伸長率：f點(diǎn)處作一平行于彈性段的直線，橫坐標(biāo)原點(diǎn)與交點(diǎn)對應(yīng)的伸長率；

⑦斷裂伸長率：（g點(diǎn)）斷裂時刻的試樣總伸長率（包括彈性伸長和塑性伸長率）；

⑧規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp；⑨規(guī)定殘余延伸強(qiáng)度Rr；

⑩規(guī)定總延伸強(qiáng)度Rt：規(guī)定總延伸率對應(yīng)的應(yīng)力，即在代表伸長的橫坐標(biāo)上取規(guī)定的伸長量。

2.2 海試

為了驗(yàn)證本裝置在海洋中的實(shí)際效果，我們將其應(yīng)用于海底觀測網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中。如圖5所示，將鎧裝電纜連接該裝置，并和海底觀測節(jié)點(diǎn)的密封端蓋集成，實(shí)現(xiàn)鎧裝電纜和海底觀測節(jié)點(diǎn)密封艙內(nèi)部主控電路板的連接。最后在青島膠州灣近海進(jìn)行了長達(dá)237 d的試驗(yàn)。在整個海底觀測網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)過程中，節(jié)點(diǎn)一直通過鎧裝電纜和岸站保持能源和通信的正常連接，該裝置經(jīng)受住了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5 海試（左為連接實(shí)物圖，右為海試圖）

3 結(jié)論

該裝置是通過在錐形體上開有與鎧裝鋼絲線徑相同的且數(shù)量與鎧裝鋼絲相同的半圓槽，將鎧裝鋼絲放入對應(yīng)的槽內(nèi)，利用斜面摩擦原理傾角小于摩擦角具有自鎖性，實(shí)現(xiàn)鎖緊。海底鎧裝電纜密封是采用兩種方式密封：首先將沒有剝離鎧裝鋼絲的電纜穿入固定基座內(nèi)的錐形腔，通過套在鎧裝電纜上的錐形天然橡膠體利用螺紋擠壓實(shí)現(xiàn)機(jī)械密封；再者是從鎧裝電纜剝離出的鎧裝鋼絲鎖緊后的密封是采用常溫硫化橡膠硫化，硫化橡膠流動可有效地沁入細(xì)小的縫隙確保密封和保護(hù)鎧裝鋼絲不銹蝕。通過海底鎧裝電纜承重鎖緊密封裝置在膠州灣布放的海底觀測網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中的實(shí)際應(yīng)用，證明該裝置具有設(shè)計(jì)合理、抗拉能力大、密封性好的特點(diǎn)，適用于動力電纜、通信電纜和光電復(fù)合纜。此裝置在海試過程中發(fā)現(xiàn)海底鎧裝電纜與水下設(shè)備連接好后，在陸路運(yùn)輸當(dāng)中不方便，最好在該裝置于水下密封艙法蘭連接艙內(nèi)加裝接線端子，以便分開運(yùn)輸現(xiàn)場連接，通過上述改進(jìn)后，試驗(yàn)證明該裝置可廣泛應(yīng)用于海底有纜設(shè)備的使用，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

[1]應(yīng)啟良,徐曉峰,孫建生.海底電力電纜設(shè)計(jì)安裝修復(fù)和環(huán)境影響[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[2]李鎮(zhèn)江.高壓聚乙烯裝置生產(chǎn)海底電纜料的探討[J].合成樹脂及塑料,1988（01）：46-50.

[3]顧玉娟.海底電纜的安全性討論[C]//救撈專業(yè)委員會2003年學(xué)術(shù)交流會論文集,2003∶126-127.

[4]陳德才,崔德榮.機(jī)械密封設(shè)計(jì)制造與使用[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社.1993∶335-337.

Design of Bearing Seal Equipment of Submarine Armor Cables

QU Jun-le,LIU Jie,WU Cheng-xuan,LI Zheng-bao
(Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology,Institute of Oceanographic Instrumentation,Shandong Academy of Sciences,Qingdao Shandong 266001,China)

A bearing seal equipment of submarine armor cables to solve the problems of bearing and seal was designed.The equipment has the function of bearing,locking and seal.With the simulation and experience,it can meet the requirement of bearing and seal of the submarine armor cables.

submarine cables;armor;bearing;seal

TM247.9，P715.1

B

1003-2029（2012）04-0036-04

2012-09-12

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(201105030)

曲君樂（1960-），男，大專，工程師，主要研究方向?yàn)楹Ｑ髢x器儀表。Email：qujunle@163.com

book=39,ebook=119