水密電連接器水密失效分析與思考

曹 政，劉向明

(海軍駐沈陽地區(qū)電子系統(tǒng)軍事代表室遼寧沈陽110144)

1 引言

隨著我國藍海戰(zhàn)略的實施和海洋工程、石油勘探等設(shè)備的快速發(fā)展，水密電連接器應(yīng)用日益廣泛，擔(dān)負著水密條件下信號和能量傳輸?shù)年P(guān)鍵作用。由于貯存、安裝使用、維護等各環(huán)節(jié)對水密特性的不良影響，水密電連接器使用過程中水密失效問題經(jīng)常發(fā)生，影響設(shè)備正常使用。因此，總結(jié)分析水密電連接器水密失效典型故障，找到故障產(chǎn)生根源，提出行之有效預(yù)防措施，提高水密電連接器工作可靠性有著重要的作用。

2 常用水密電連接器水密原理

根據(jù)密封原理不同，水密電連接器主要分為密封圈機械式密封、整體硫化或灌膠式密封、機械與硫化灌膠混合式密封三大類。密封基本原理分別為:

2.1 密封圈機械式密封水密電連接器

多為金屬外殼連接器，主要以壓縮密封圈的機械密封結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對接密封。產(chǎn)品對接端和電纜連接部位都采用密封圈壓縮的機械密封結(jié)構(gòu)，使用時需要在水面上將所有電氣設(shè)備與連接器連接妥當(dāng)，確保連接器對接面無表面潮濕、水滴、凝露等等影響連接器電性能的不利因素，再放入水中。密封膠圈密封對水密連接器的使用環(huán)境要求較苛刻，適用于不需要經(jīng)常插拔或可在較好的維護條件下對接的環(huán)境。其特點為密封結(jié)構(gòu)可拆卸，方便使用、維護。

圖1 密封圈機械式密封水密電連接器原理圖

2.2 整體硫化或灌膠式密封水密電連接器

采用非金屬外殼，以剛?cè)釃Ш辖Y(jié)構(gòu)密封。插頭采用彈性較大的柔性橡膠材料，插座由剛性較強的橡膠或塑料材料制成。所謂剛?cè)釃Ш显砭褪墙硬搴罂坎牧系膹椥浴把a償”接觸面之間的間隙，在濕式或水環(huán)境中實現(xiàn)對水和氣的密封作用。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，不導(dǎo)磁，密封效果好，工作水深大。

圖2 整體硫化或灌膠式密封水密電連接器原理圖

2.3 機械與硫化灌膠混合式密封水密電連接器

采用金屬外殼，對接端采用機械密封結(jié)構(gòu)，插頭或插座尾附件與電纜連接部位采用硫化密封，其特點是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但需要客戶具有硫化設(shè)備及成熟工藝。

圖3 機械與硫化灌膠混合式密封水密電連接器原理圖

3 常用水密電連接器典型故障失效機理

常用水密電連接器密封失效主要因為密封型部件的失效，表現(xiàn)為因互換性問題或密封圈材料造成的密封圈失效;硫化或灌膠密封材料與殼體、尾附等密封部位粘接失效;

3.1 密封圈失效

按照失效機理不同，常見的密封圈失效的形式有安裝損傷、密封件卷曲、過度壓縮、擠出、磨損、永久壓縮變形、化學(xué)腐蝕、氣體析出材料損失和熱腐蝕等九種，見圖4至圖12。其解辦法如下:

3.1.1 安裝損傷

安裝損傷表現(xiàn)為密封圈全部或部份呈現(xiàn)整齊傷口。其造成原因有:使用時密封圈裝配未到位、密封圈尺寸不合適、密封圈硬度或彈性過低、密封圈表面有污物、潤滑不足、溝槽鋒利等造成邊角劃傷密封圈。

3.1.2 密封件卷曲

密封圈卷曲表現(xiàn)為其表面明顯呈卷曲并伴有扭轉(zhuǎn)紋路。其造成原因有:使用安裝材料太硬或彈性太小的密封圈、O形圈表面處理不均勻、溝槽表面粗糙、潤滑不足等造成等。

3.1.3 過度壓縮

過度壓縮表現(xiàn)為密封圈接觸表面呈現(xiàn)平面變形，并可能伴隨裂紋。造成此類問題的主要原因有設(shè)計不合理，沒有考慮到材料由于熱量及化學(xué)介質(zhì)引起的變形，或由于壓力過大引起。

3.1.4 擠出

擠出可使密封圈邊緣粗糙破爛，一般通常在壓力低的一側(cè)。造成此類問題的主要原因有間隙過大、壓力過大、材料硬度或彈性過低、溝槽空間太小，間隙尺寸不規(guī)則、溝槽邊角過于鋒利以及密封圈尺寸不合適等。

3.1.5 磨損

磨損使密封圈全部或部分密封區(qū)域產(chǎn)生細紋，可在密封表面找到材料磨損顆粒。其造成原因為:密封表面光潔度不夠，密封環(huán)境滲入磨損性強的污物，密封圈產(chǎn)生相對運動，密封圈表面處理不徹底等。

3.1.6 永久壓縮變形

永久壓縮變形使密封圈表面呈現(xiàn)平面永久變形。其造成原因為:壓力過大，溫度過高，材料沒有完成硫化處理，材料本身永久變形率高，材料在化學(xué)介質(zhì)中過度膨脹。

3.1.7 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕可引起密封圈的各種缺陷，如發(fā)泡，破裂，小洞，或褪色等，有時化學(xué)腐蝕僅可通過儀器測量其物理性能而得知。其造成原因為:材料與介質(zhì)不符或溫度過高。

3.1.8 氣體析出材料損失

氣體析出材料損失通常較難檢測，密封圈通常表現(xiàn)為截面尺寸減小。其造成原因有:材料硫化處理不當(dāng)，高真空或高壓密封使用環(huán)境，材料硬度過低，或使用了帶有增塑劑的材料。

3.1.9 熱腐蝕

熱腐蝕后密封圈的高溫接觸表面呈現(xiàn)徑向裂紋。另外，有的材料可能會變囫或因溫度過高而使材料變得有光澤。其造成原因主要有:材料不能承受高溫，或溫度超出預(yù)計溫度，或溫度變化過快，過于頻繁。

圖4 安裝損傷

圖5 密封件卷曲

圖6 過度壓縮

圖7 擠出

圖8 磨損

圖9 永久壓縮變形

圖10 化學(xué)腐蝕

圖11 氣體析出材料損失

圖12 熱腐蝕

3.2 硫化或灌膠密封失效

常用水下分離連接器由于其接觸體獨立密封結(jié)構(gòu)多采用硫化或灌膠密封，其接觸體直接硫化成型，尾部附件和電纜也采用硫化或灌膠一體成型，金屬接觸體、尾附件與橡膠或樹脂灌膠粘接性能直接決定其密封性能。水密電連接器可在潮濕、水滴、凝露甚至水下進行對接與分離。最常見的硫化或灌膠密封失效的形式及其解辦法如下:

3.2.1 硫化粘接處失效

硫化粘接處失效主要表現(xiàn)為接觸體與橡膠或金屬尾附與橡膠硫化粘接處開裂產(chǎn)生間隙，造成漏水、密封失效。其造成原因有:硫化過程處理不當(dāng)，硫化過程膠聯(lián)劑應(yīng)用不當(dāng)，使用時對接分離用力過猛超出粘接強度，環(huán)境介質(zhì)對硫化部位產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。主要解決辦法為:合理硫化，合理選用耐環(huán)境介質(zhì)硫化橡膠和膠聯(lián)劑，對接分離涂潤滑劑，規(guī)范操作。

3.2.2 灌膠粘接處失效

灌膠粘接處失效主要表現(xiàn)為金屬尾附、殼體與環(huán)氧樹脂等灌封材料粘接處開裂產(chǎn)生間隙，造成漏水、密封失效。其造成原因有:灌封過程處理不當(dāng)，溫度沖擊材料收縮不一致造成粘接處開裂，振動撞擊造成粘接處開裂。主要解決辦法為:合理灌膠，避免使用環(huán)境溫度急劇變化，規(guī)范操作避免振動撞擊。

4 預(yù)防水密失效的思考

根據(jù)水密電連接器典型故障模式的失效分析和多年驗收水密電連接器經(jīng)驗，提出以下使用水密電連接器失效的預(yù)防措施。正常情況下，水密電連接器是能夠避免人為因素的。

4.1 使用過程中應(yīng)采取的預(yù)防措施

4.1.1 密封圈失效的預(yù)防

(1)為預(yù)防密封圈安裝損傷、卷曲、過度壓縮、擠出、磨損、永久壓縮變形、化學(xué)腐蝕等變形失效，水密電連接器應(yīng)在每次對接使用前取下可分離的密封圈，進行認真檢查，觀察其是否有變形破損等，在確認無誤后將其充分潤滑，安裝于規(guī)定的密封位置上再進行對接操作。

(2)為預(yù)防密封圈永久壓縮變形、化學(xué)腐蝕、氣體析出材料損失熱腐蝕等失效，確保水密電連接器避免接觸非規(guī)定要求的環(huán)境介質(zhì)，避免腐蝕性液、氣體腐蝕密封部件。

4.1.2 硫化或灌膠密封失效的預(yù)防

為預(yù)防硫化或灌膠密封失效，水密電連接器使用前應(yīng)檢查其主要密封部位是否有裂紋，開膠，老化失效等外觀缺陷，對接前涂潤滑劑，規(guī)范操作，避免產(chǎn)品受到強溫度沖擊、避免振動撞擊。用戶如有試驗條件，使用前可作水密或氣密打壓試驗。

4.2 生產(chǎn)企業(yè)提高售后服務(wù)水平

目前，電連接器行業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)企業(yè)急于搶占市場，售后服務(wù)未能同步跟進。針對產(chǎn)品海量和用戶點多面廣的實際情況，破解售后難題不力，售后服務(wù)隊伍建設(shè)滯后、技術(shù)溝通渠道不暢通、質(zhì)量反饋機制不健全、裝備保障響應(yīng)不及時和售后服務(wù)效率低下等問題不同程度存在，影響了用戶使用需求和企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)改進。因此，各企業(yè)售后服務(wù)必須同步建設(shè)，著眼于用戶使用需求，眼睛向內(nèi)，下功夫提高售后服務(wù)質(zhì)量和水平，在為用戶服好務(wù)的同時，也為自身贏得可持續(xù)發(fā)展的機遇和空間。

4.3 產(chǎn)品使用說明書

由于水密的特殊用途屬性，水密電連接器屬于比較“嬌氣”的器件，不能與普通電連接器同等對待。從實際發(fā)生的問題看，引發(fā)水密失效的一個重要因素就是生產(chǎn)企業(yè)沒有隨產(chǎn)品同時交付使用說明書，導(dǎo)致其水密特性沒有引起用戶足夠重視，產(chǎn)品在交付后容易在貯存、裝配、使用維護等環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題。因此，生產(chǎn)企業(yè)要編制操作性強的使用說明書，對貯存環(huán)境、安裝使用方法和常見故障分析及排除方法等重要事項詳盡說明，并隨產(chǎn)品同時交付，正確指導(dǎo)用戶按預(yù)期儲存、使用、維護、檢修和更換水密電連接器，必將大大降低水密失效等故障發(fā)生。

5 結(jié)論

水密電連接器散布在海洋工程、石油勘探等設(shè)備的各個系統(tǒng)和各個部位，擔(dān)負著信號和能量傳輸?shù)年P(guān)鍵作用，沒有可靠的水密電連接器，就沒有可靠的系統(tǒng)。通過對水密電連接器典型故障分析和預(yù)防措施的研究，可根據(jù)故障根源排除各種隱患，為提高水密電連接器使用的可靠性提供科學(xué)依據(jù)。

［1］ 張國光，水下電接插件的密封結(jié)構(gòu)，海洋通報，1993.4.

［2］ 徐灝，機械設(shè)計手冊，機械工業(yè)出版社，1991.

［3］ 楊奮為，電連接器檢驗技術(shù)基礎(chǔ)，2008.