全海深ROV臍帶纜用非金屬鎧裝絲應(yīng)用性能研究

顧春飛張建民謝書鴻蔡炳余裴 民

1.中天科技海纜有限公司 江蘇 南通226010

2.上海曉寶增強(qiáng)塑料有限公司 江蘇省 鹽城224100

1 引言

隨著我國海洋裝備研制能力和配套水平的提高，正在建設(shè)覆蓋全海深、面向不同需求的深海探測作業(yè)體系，全海深纜系遙控潛水器(ROV)是全海深探測作業(yè)體系重要組成部分。我國全海深ROV系統(tǒng)的研究尚屬空白，而全海深ROV臍帶纜是全海深ROV系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，率先啟動(dòng)全海深ROV臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究成為我國深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究的當(dāng)務(wù)之急。傳統(tǒng)的ROV臍帶纜為金屬鎧裝纜，采用鋼絲作為鎧裝材料，由于鋼絲密度較大，致使金屬鎧裝纜自重較重，通常只能用于6000米以內(nèi)[1]。更大深度ROV使用的臍帶纜是一項(xiàng)國際技術(shù)難題，是制約我國全海深ROV 系統(tǒng)研發(fā)瓶頸。據(jù)資料介紹，1994年日本研制的一種非金屬鎧裝臍帶纜成功應(yīng)用于11000米“海溝”號(hào)ROV系統(tǒng)，但也曾因?yàn)槟殠Ю|斷裂而導(dǎo)致ROV丟失[2]，其關(guān)鍵技術(shù)公開甚少。因此，開展全海深ROV 臍帶纜非金屬鎧裝絲的研究是關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

2 非金屬鎧裝絲制備及機(jī)械性能研究

全海深ROV臍帶纜主要由纜芯單元(包含動(dòng)力單元、控制單元、不銹鋼管光纖單元、內(nèi)護(hù)層等)、非金屬鎧裝層及外護(hù)層組成。其中非金屬鎧裝層采用多層非金屬鎧裝絲絞合而成，非金屬鎧裝絲又由纖維、樹脂及耐磨層組成，如圖1所示。

圖1 全海深ROV臍帶纜及非金屬鎧裝絲結(jié)構(gòu)示意圖

非金屬鎧裝絲是全海深ROV臍帶纜不可或缺的承力結(jié)構(gòu)件，充分利用了非金屬高性能復(fù)合材料重量輕、比強(qiáng)度高、優(yōu)良的耐腐蝕性的優(yōu)異特性。非金屬鎧裝絲以高性能合成纖維為增強(qiáng)材料，以高分子聚合物樹脂為基體材料，采用連續(xù)拉擠成型工藝復(fù)合耐磨材料而成。經(jīng)過分析比較，本項(xiàng)目選取A纖維、B纖維、C纖維三種高性能合成纖維構(gòu)成的非金屬鎧裝絲開展研究。A纖維具有強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、優(yōu)良的阻燃性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用面較廣的高性能合成纖維；B纖維具有極其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性能，是目前高性能合成纖維中強(qiáng)度和模量最高的纖維；C纖維具有高度的去向結(jié)構(gòu)和結(jié)晶程度，因其耐熱性能不佳，限制了其在某些特定領(lǐng)域的應(yīng)用[4]。三種纖維的非金屬鎧裝絲機(jī)械性能如表1所示，C纖維非金屬鎧裝絲抗拉強(qiáng)度最小，延伸率最大，B纖維非金屬鎧裝絲抗拉強(qiáng)度最大，延伸率最小，A纖維非金屬鎧裝絲各項(xiàng)指標(biāo)居中，應(yīng)通過進(jìn)一步的試驗(yàn)篩選最佳材料。

表1 三種纖維制成非金屬鎧裝絲機(jī)械性能指標(biāo)

3 非金屬鎧裝絲應(yīng)用性能研究

非金屬鎧裝絲的應(yīng)用環(huán)境為110 MPa高水壓海水環(huán)境、60℃左右高溫甲板及多種復(fù)雜工作載荷環(huán)境，其抗拉、抗壓、抗彎曲等性能應(yīng)在上述工況下基本保持不變[3]。同時(shí)非金屬鎧裝絲與海水、油等介質(zhì)接觸，因此必須研究非金屬鎧裝絲與海水、油等介質(zhì)的相容性，為全海深ROV 臍帶纜鎧裝材料的選型提供依據(jù)。

3.1 高水壓循環(huán)試驗(yàn) 全海深ROV非金屬鎧裝臍帶纜從母船甲板至萬米海底反復(fù)收放使用，承受高水壓循環(huán)疲勞工況，因此對(duì)表1所示的三種非金屬鎧裝絲進(jìn)行高水壓循環(huán)試驗(yàn)：在應(yīng)用水壓110 MPa基礎(chǔ)上增加安全裕度，最大試驗(yàn)水壓設(shè)定為127 MPa，反復(fù)循環(huán)200次，試驗(yàn)后測試樣品吸水率及抗拉強(qiáng)度。

三種非金屬絲試驗(yàn)后抗拉強(qiáng)度幾乎沒有降低，吸水率在1‰以下(吸水率=樣品增重/樣品原重量×1000‰)，高水壓循環(huán)對(duì)非金屬鎧裝絲絲的影響較小。

3.2 反復(fù)曲撓性能研究 為驗(yàn)證非金屬鎧裝絲在多組導(dǎo)輪反復(fù)收放時(shí)的影響，將試樣置于曲撓試驗(yàn)裝置中，如圖2[5]所示，彎曲直徑分別為40D、100D(D=滑輪直徑/試樣直徑)，循環(huán)次數(shù)分別為500 次、1500 次及3000次，試驗(yàn)過程目視檢查試樣表面狀態(tài)。2

圖 非金屬鎧裝絲反復(fù)曲撓試驗(yàn)示意圖[5]

對(duì)于不含耐磨層的非金屬鎧裝絲試樣，均出現(xiàn)了不同程度的表面磨損。其中A纖維非金屬鎧裝絲磨損情況相對(duì)較好，B纖維非金屬鎧裝絲磨損情況相對(duì)較差，在500次左右便由于磨損而導(dǎo)致試樣斷裂。彎曲直徑對(duì)非金屬絲反復(fù)曲撓性能影響較大，彎曲直徑增大時(shí)，磨損情況較好，不易斷裂。

涂覆了耐磨層的非金屬鎧裝絲試樣均通過了3000次循環(huán)試驗(yàn)，目視檢查表面正常，但在50倍目鏡下的B纖維非金屬鎧裝絲試樣表面發(fā)現(xiàn)部分絲狀毛刺。三種非金屬鎧裝絲在反復(fù)曲撓試驗(yàn)后進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度降低5%左右，效果較好。

3.3 高溫性能研究 全海深ROV 臍帶纜在甲板上受陽光直射，最高溫度可達(dá)60℃左右，因此在25～100℃不同溫度下開展拉伸試驗(yàn)，研究不同溫度對(duì)非金屬鎧裝絲機(jī)械性能的影響。隨著試驗(yàn)溫度的升高，三種非金屬鎧裝絲的抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢，C纖維受溫度的影響最大。溫度達(dá)到60℃時(shí)，A纖維及B纖維非金屬鎧裝絲能保證1550 MPa以上的抗拉強(qiáng)度，而C纖維僅為1350 MPa，對(duì)非金屬鎧裝臍帶纜的整體機(jī)械性能影響較大。

3.4 環(huán)境相容性研究 為研究非金屬鎧裝絲與其接觸介質(zhì)的環(huán)境相容性，開展三種非金屬鎧裝絲與人工海水(3.5 %NaCl溶液)、淡水、白油的相容性試驗(yàn)，試樣在室溫條件下分別浸泡10天、20天、30天，然后分析不同介質(zhì)、浸泡時(shí)間對(duì)非金屬鎧裝絲機(jī)械性能的影響。三種非金屬鎧裝絲抗拉強(qiáng)度變化均不明顯，接近未經(jīng)浸泡處理的強(qiáng)度，表明三種介質(zhì)對(duì)非金屬鎧裝絲的的抗拉強(qiáng)度影響較小，未產(chǎn)生明顯的性能劣化現(xiàn)象

4 研究結(jié)論

本文結(jié)合全海深ROV 臍帶纜的承力結(jié)構(gòu)件重量輕、比強(qiáng)度高等的要求，研制了A纖維、B纖維、C纖維三種非金屬鎧裝絲。通過試驗(yàn)比對(duì)分析，C纖維非金屬鎧裝絲比重、抗拉強(qiáng)度最小，機(jī)械性能受溫度影響較大；B纖維非金屬鎧裝絲比重、抗拉強(qiáng)度最大，反復(fù)曲撓性能相對(duì)較差；A 纖維非金屬鎧裝絲各項(xiàng)指標(biāo)居中，耐溫性、反復(fù)曲撓性能較好。三種非金屬鎧裝絲均能滿足127 MPa高水壓循環(huán)要求，與人工海水、淡水、白油等接觸介質(zhì)相容性較好。本文的研究成果為全海深ROV 臍帶纜關(guān)鍵承力材料非金屬鎧裝絲的選型提供了參考依據(jù)，加快了全海深ROV臍帶纜的研制進(jìn)程。