載人潛水器中水密接插件組件應(yīng)用研究

曹 俊，程 斐，葉 聰，楊申申

應(yīng)用研究

載人潛水器中水密接插件組件應(yīng)用研究

曹 俊，程 斐，葉 聰，楊申申

（中國船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214082）

水密接插件和水密纜構(gòu)成水密接插件組件，是水下供電傳信的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，也是制約深海裝備研發(fā)的瓶頸。本文簡述了水密接插件發(fā)展?fàn)顩r，介紹了載人潛水器水下供電傳信需求，系統(tǒng)梳理水密接插件組件的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用情況，重點(diǎn)分析在線性能檢測和模擬壓力試驗(yàn)過程中的失效原因，得到水密接插件組件受海洋復(fù)雜環(huán)境影響和海水循環(huán)壓力影響的定性和定量結(jié)果，為水密接插件組件的可靠應(yīng)用及自主研發(fā)提供數(shù)據(jù)分析和技術(shù)支撐。

載人潛水器 水密接插件 水密纜 失效

0 引言

載人潛水器是落實(shí)我國“深海進(jìn)入、深海探測、深海開發(fā)”這一深?！叭角睉?zhàn)略的引擎裝備，對(duì)深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備具有全面帶動(dòng)作用。已帶動(dòng)材料領(lǐng)域的耐壓結(jié)構(gòu)、浮力材料、復(fù)合材料，電氣領(lǐng)域的電池、電機(jī)、推進(jìn)，聲學(xué)領(lǐng)域的通信、導(dǎo)航、探測等技術(shù)取得大幅度提升[1, 2]。2012年，世界海洋強(qiáng)國圍繞全海深載人潛水器開展了新一輪深淵科技競爭，各國都面臨著關(guān)鍵核心技術(shù)挑戰(zhàn)[3, 4]。

載人潛水器下潛深度、續(xù)航時(shí)間的增加和載荷性能的提升，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸和能源供應(yīng)提出了新挑戰(zhàn)，尤其是“奮斗者”號(hào)載人潛水器將應(yīng)用于馬里`亞納海溝極端高壓環(huán)境。水密接插件和水密纜組件作為水下供電傳信的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，起著貫穿耐壓殼體、連接電子裝置和作業(yè)裝備、分離光電信號(hào)的作用，是水下供電傳信的“關(guān)節(jié)”，是制約海洋科學(xué)研究、海洋資源開發(fā)和海洋權(quán)益保護(hù)的“瓶頸”[5]。

本文以水密接插件組件在載人潛水器上的可靠應(yīng)用為研究目標(biāo)，簡述了水密接插件的世界格局，介紹了載人潛水器水下供電傳信需求，系統(tǒng)梳理我國大深度載人潛水器中水密接插件和水密纜組件的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用情況，重點(diǎn)分析了模擬壓力試驗(yàn)過程中的失效原因。

1 水密接插件組件需求分析

1.1 水密接插件發(fā)展?fàn)顩r

國外上世紀(jì)50年代開始研究水密接插件，最初用于潛艇等軍事應(yīng)用。已經(jīng)形成了系列化、規(guī)格化的貨架產(chǎn)品，能滿足不同電壓、電流、深度要求。在全海深橡膠體電氣、金屬殼體電氣及光纖領(lǐng)域均取得了一定的研究成果，并具備產(chǎn)業(yè)化能力。國際知名的制造商主要集中在歐、美等傳統(tǒng)海洋強(qiáng)國，如美國TE公司（SEACON系列）、美國Teledyne公司（IMPULSE系列）、美國BIRNS公司、丹麥MacArtney公司（SubConn系列）、德國JOWO公司等。這些國際知名公司具備完善的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢測和維護(hù)能力。在專用材料、性能檢測及應(yīng)用方面，具有巨大優(yōu)勢。

圖1 國際知名的深海水密接插件制造商

1949年起，美國國防部批準(zhǔn)建立連接器MIL標(biāo)準(zhǔn)化體系，旨在為軍用設(shè)備采購連接器提供依據(jù)。雖然不是由連接器制造商編制的規(guī)范，也不是由標(biāo)準(zhǔn)化行政主管部門批準(zhǔn)發(fā)布的規(guī)范，卻在國際上得到廣泛認(rèn)同，成為事實(shí)上的國際標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，MIL標(biāo)準(zhǔn)化體系融合了國際上不斷發(fā)展的新技術(shù)、新材料和新工藝，始終保持先進(jìn)性。國外水密接插件制造所遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要是MIL-C-24217A（潛艇用深水電連接器）。國外水密接插件試驗(yàn)所遵循的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如表1所示。

1954年以來，BIRNS公司一直為美國海軍提供高性能照明和連接器系統(tǒng)，產(chǎn)品也應(yīng)用于Pisces IV號(hào)和Pisces V號(hào)載人潛水器、Bluefin無人潛水器等深海裝備，其充油接插件和充油電纜組件是ABS認(rèn)證用于2艘Pisces載人潛水器的唯一組件。1995年以來，BIRNS公司提供行業(yè)領(lǐng)先的測試，超過嚴(yán)格的ABS/DNV要求，2006年引入鹽水測試。靜水壓力測試的額定壓力范圍為138MPa、69MPa、35MPa和7MPa。2018年，BIRNS公司的質(zhì)量管理體系獲得了DNV-GL的ISO 9001:2015認(rèn)證[6]。

表1 水密接插件試驗(yàn)有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

1978年，MacArtney集團(tuán)的SubConn公司首次引入Circular系列接插件，并成為大多數(shù)SubConn產(chǎn)品的技術(shù)基礎(chǔ)，該系列產(chǎn)品有著標(biāo)志性的紅色鎖套[7]。1995年，“泰坦尼克號(hào)”電影拍攝以來，詹姆斯-卡梅隆團(tuán)隊(duì)一直選擇SubConn公司產(chǎn)品作為他幾個(gè)水下項(xiàng)目的首選方案。2012年，詹姆斯-卡梅隆團(tuán)隊(duì)研制的Deepsea Challenger號(hào)載人潛水器，選型SubConn公司產(chǎn)品，用于連接潛水器電池組、LED光陣列、高清和IMAX的3D攝像機(jī)以及其他重要傳感器。Deepsea Challenger號(hào)挑戰(zhàn)馬里亞納海溝之前預(yù)先布放的2個(gè)著陸器，也選型SubConn公司產(chǎn)品。同時(shí)，美國伍茲霍爾海洋研究所也一直使用SubConn公司產(chǎn)品，用于Alvin號(hào)載人潛水器等各種海洋裝備的運(yùn)行及維護(hù)[8]。

圖2 國外水密接插件在潛水器上典型應(yīng)用案例

國內(nèi)上世紀(jì)80年代初開展水密接插件的研制及生產(chǎn)工作，淺深度系列產(chǎn)品已基本成熟，并逐漸應(yīng)用。目前相關(guān)研究單位有中國電科8所、中天海洋系統(tǒng)有限公司、中科院沈自所、中國電科23所、中航117廠、中航158廠、上海藍(lán)梭電子科技有限公司等。總體上：（1）專用材料、加工工藝及高可靠性密封技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域相對(duì)滯后；（2）性能檢測、試驗(yàn)方法及設(shè)備不夠完善；（3）質(zhì)量穩(wěn)定性、性能可靠性及使用壽命等方面與國外尚有差距；（4）產(chǎn)品系列、規(guī)格及產(chǎn)量有限，在全海深光纖貫穿件、全海深電氣連接器方面有所突破。

國家科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”專項(xiàng)，以全海深載人/無人潛水器研制為引擎，突破深海前沿關(guān)鍵技術(shù)，已布局自主研發(fā)全海深水密接插件組件，力爭填補(bǔ)我國空白，為深遠(yuǎn)海高端裝備提供保障。研制了全海深單芯光纖貫穿件、四芯光纖貫穿件、8芯橡膠體電連接器、16芯金屬殼體電連接器等水密接插件組件。

1.2 載人潛水器供電傳信需求

經(jīng)過近20年的跨越式發(fā)展，我國在載人潛水器領(lǐng)域已經(jīng)建成了完整的技術(shù)體系、測試體系、應(yīng)用體系、維保體系和培訓(xùn)體系。

水密接插件和水密纜組件主要用于載人球艙貫穿、供電主干路、單臺(tái)設(shè)備接線、多路信號(hào)匯總。安裝位置涉及載人球艙、耐壓罐、接線箱、電池箱、作業(yè)工具等多種形態(tài)。此外，超強(qiáng)光場陣列、高清圖像視頻、精細(xì)聲學(xué)成像等設(shè)備對(duì)深海供電傳信提出了供電和大數(shù)據(jù)流的需求，高速水聲通信等設(shè)備對(duì)深海供電傳信提出了防信號(hào)串?dāng)_的需求，深海極端應(yīng)用環(huán)境同時(shí)提出了可靠應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

載人潛水器“載人球艙-中繼接線箱-終端設(shè)備”的典型供電傳信應(yīng)用工況如圖3所示。

圖3 載人潛水器典型供電傳信應(yīng)用工況

1.3 全海深水密接插件

受載人潛水器、無人潛水器、著陸器等深海裝備與技術(shù)的牽引，國際上水密接插件的應(yīng)用深度主要集中在6000 m及以內(nèi)，可用于全海深的型號(hào)比較少，主要包括IMPULSE公司和SEACON公司的MS金屬系列，SubConn公司、BIRNS公司、IMPULSE公司和SEACON公司的BH/IL系列橡膠型，其它還有德國JOWO公司以及IMPULSE公司的光纖水密插座和水密光纜。

表2 國外全海深水密接插件（11000 m級(jí)）主要性能

MS金屬系列（如圖4所示），以IMPULSE公司產(chǎn)品為例[9]，有“G，K，L，M，O，Q”等不同尺寸，從1芯到96芯不同芯數(shù)的系列產(chǎn)品，采用徑向和軸向兩道O型圈密封，組件可以最高承受144 MPa外壓。MS金屬系列水密接插件用途廣泛，既可用于高電壓（最高3000 V）、大電流（250 A）供電，也可用于大密度電氣信息流傳輸，有的型號(hào)還內(nèi)置同軸接插件，可用來傳輸高清視頻信號(hào)和射頻信號(hào)。MS金屬系列水密接插件還具有可靠性高、安全性好、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是成本高、體積大、重量重、操作維護(hù)空間要求高。

圖4 MS系列金屬型水密接插件

SubConn公司的BH/IL系列橡膠型水密接插件[7]，有常規(guī)型、分體型和直角型3種樣式，如圖5所示。具有1芯到16芯共14種型號(hào)，采用緊密粘貼在插針根部的橡膠套擠壓插孔前段的橡膠圍壁，從而實(shí)現(xiàn)接插件之間水密，組件可以最高承受144 Mpa外壓。電纜由柔性防水氯丁橡膠或聚安酯制成，鎖套由注塑聚甲醛或不銹鋼制成，并配有不銹鋼扣環(huán)?？梢詡鬟f供電信號(hào)（600VDC，10 A/芯，可并聯(lián)使用），也可以用來傳遞大量通訊、控制和檢測電氣信息。橡膠型水密接插件經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，重量輕，體積小，易于維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)高密度分布。

圖5 BH/IL系列橡膠型水密接插件

德國JOWO公司的四通道（圖6左圖）和美國IMPULSE公司的單通道（圖6右圖）水密光纖連接器，是近年來少數(shù)的成功應(yīng)用于全海深潛水器的產(chǎn)品，可靠性得到初步驗(yàn)證[10]。

圖6 全海深水密光纖連接器

2 水密接插件組件應(yīng)用分析

2.1 在線性能檢測技術(shù)

載人潛水器方案設(shè)計(jì)結(jié)束之后，訂購了一批水密接插件樣機(jī)組件進(jìn)行多輪全海深壓力考核，以及可靠性測試，同時(shí)也為后期其他終端設(shè)備的全海深壓力考核試驗(yàn)提供測試水密接插件和水密纜。美國在靜水壓力試驗(yàn)方面有專門的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范MIL-STD-1344，Method 1006。我國2011年正式頒布國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《潛水電連接器通用規(guī)范》（GJB 7244-2011），作為國內(nèi)水密連接器設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)的主要依據(jù)。

載人潛水器在總裝集成階段時(shí)，水密接插件和水密纜主要通過模擬壓力試驗(yàn)進(jìn)行性能測試。通過檢測裝置實(shí)時(shí)檢測全海深接插件組件的線纜阻抗、絕緣性能、信號(hào)傳輸性能。

在線性能檢測技術(shù)的壓力筒和原理如圖7所示。

載人潛水器上的所有設(shè)備，包括水密接插件和水密電纜，在海試及應(yīng)用過程中得到充分考驗(yàn)。本文將對(duì)一些典型失效故障進(jìn)行分析，這也將是全海深水密接插件組件應(yīng)用的共性問題[11]。

2.2 電纜外護(hù)層老化腐蝕變形

載人潛水器所涉及的深海環(huán)境為水下0～11000 m，這也是水密接插件的工作環(huán)境。水密電纜，尤其是橡膠外皮的水密電纜，長期在高溫、日曬、高鹽、充油環(huán)境下使用，容易出現(xiàn)鼓包、變形、開裂等現(xiàn)象。使用超過10年的水密電纜，陸續(xù)出現(xiàn)老化、鼓包等現(xiàn)象，如圖8所示。

水密電纜老化的原因主要有：1）溫度，電纜所處的外界高溫環(huán)境和熱源，會(huì)造成電纜溫度過高，過高的溫度會(huì)加速絕緣的老化；2）超負(fù)荷運(yùn)行，長期超負(fù)荷運(yùn)行，由于電流的熱效應(yīng)，負(fù)載電流通過電纜時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致電纜導(dǎo)體發(fā)熱，同時(shí)電荷的集膚效應(yīng)、絕緣介質(zhì)損耗等也會(huì)產(chǎn)生附加熱量，從而導(dǎo)致電纜溫度升高；3）外力損傷，電纜敷設(shè)安裝時(shí)的不規(guī)范施工等造成機(jī)械損傷，會(huì)導(dǎo)致電纜變形，加速電纜的老化；4）絕緣受潮，水密插頭或插座長時(shí)間使用后，滲水或混入水蒸氣，累積后在電場作用下形成水樹枝，逐漸損害電纜的絕緣強(qiáng)度；5）化學(xué)腐蝕，海洋環(huán)境往往會(huì)造成電纜的鎧裝或外護(hù)層被腐蝕，外護(hù)層因長期遭受化學(xué)腐蝕或電解腐蝕，致使外護(hù)層失效，絕緣降低.。

根據(jù)載人潛水器長期的維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，為減緩水密電纜外護(hù)層老化、腐蝕、變形等問題，提高水密電纜使用壽命，操作維護(hù)人員可采用如下必要措施：1）避免水密電纜長期直接暴露在日曬之中，無法避免時(shí)可將暴露在潛水器外的水密電纜上包裹反光布；2）保證水密電纜的最小彎曲半徑，不低于電纜直徑的8倍；3）潛水器返回水面后，及時(shí)以淡水沖洗，避免高濃度鹽溶液聚集在水密電纜外皮上；4）保證水密電纜的清潔，尤其是橡膠型水密電纜避免長時(shí)間和各種油類、酸堿性溶液接觸。

圖8 水密電纜外護(hù)層老化鼓包

除水密電纜外護(hù)層老化導(dǎo)致絕緣下降外，水密插座芯線也存在老化導(dǎo)致絕緣下降的問題。

某次陸上通電測試過程中，載人潛水器上某個(gè)水密插座由于使用年限超過12年，芯線之間絕緣下降，通電工作之后電流異常上升，將供電回路保險(xiǎn)絲熔斷。

水密接插件和水密電纜的使用壽命長久以來沒有確切的期限規(guī)定，主要取決于水密接插件和水密電纜的使用頻率（下潛頻率）和工作環(huán)境（日曬、浸油、酸堿鹽浸結(jié)）?；诋?dāng)前載人潛水器下潛應(yīng)用情況，建議使用時(shí)間不超過10年。

2.3 電纜外護(hù)層海水?dāng)_動(dòng)刺破

載人潛水器電纜敷設(shè)安裝時(shí)的不規(guī)范施工等因素，容易造成電纜的機(jī)械損傷。如果機(jī)械損傷不嚴(yán)重，要幾個(gè)月甚至幾年才會(huì)導(dǎo)致電纜損傷部位徹底擊穿形成故障；機(jī)械損傷嚴(yán)重的可能會(huì)立刻發(fā)生短路故障。

某次海試過程中，載人潛水器出現(xiàn)過24V供電回路接地絕緣電流異常升高的故障。

經(jīng)現(xiàn)場檢查分析，載人潛水器供電回路中一根水密電纜與外部捆扎電纜的尼龍?jiān)鷰Ъ羟锌诮佑|，潛水器下潛過程中，海水持續(xù)擾動(dòng)，尼龍?jiān)鷰М惓ｄh利的剪切口，將水密電纜外護(hù)層刺穿，海水進(jìn)入水密電纜的內(nèi)部，并且沿著電纜內(nèi)部的導(dǎo)線滲透到水密插頭和水密插座的連接處，最終造成電纜內(nèi)部芯線絕緣下降。水密電纜破口位置、水密插座進(jìn)水情況如圖9所示。

圖9 水密電纜外護(hù)層表皮海水?dāng)_動(dòng)刺穿進(jìn)水

2.4 金屬型插座反向凸起變形

某次模擬壓力試驗(yàn)過程中，金屬型插座發(fā)生反向凸起變形的故障：（1）金屬型插座，連接充油接線箱形式時(shí)，在進(jìn)行兩次以上模擬壓力循環(huán)試驗(yàn)后，內(nèi)部均會(huì)發(fā)生反向凸起變形；（2）金屬型插座，發(fā)生反向凸起變形后，多次模擬壓力循環(huán)試驗(yàn)后凸起變形基本不再增大，不會(huì)發(fā)生破壞，絕緣和通斷均正常；（3）金屬型插座，連接耐壓罐形式時(shí)，在模擬壓力試驗(yàn)中均工作正常，證明了這種連接形式的可靠性。

針對(duì)安裝在充油箱體上的金屬型插座反向凸起變形的問題，水密插頭受力作用分析如圖10所示，水密插座觸點(diǎn)和水密插頭觸孔之間有約1 mm縫隙，模擬壓力循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，充油箱體內(nèi)壓逐漸增大時(shí)，水密插座環(huán)氧內(nèi)核鑄件受壓會(huì)向外頂出，進(jìn)而導(dǎo)致水密插座反向凸起變形。

圖10 金屬型水密插座受力變形分析

2.5 橡膠型插座內(nèi)圓芯線斷路/短路

某次模擬壓力試驗(yàn)過程中，水密電纜插頭出現(xiàn)短路故障。

對(duì)水密插頭受力情況進(jìn)行分析，短路故障是由于芯線焊接點(diǎn)受力擠壓造成的。該水密插頭中，電纜總屏蔽和四對(duì)屏蔽雙絞線的屏蔽線在水密插頭處匯總焊接到一根芯線后接到插頭的一根插針上，匯總焊接處雖然用熱縮套管包好，但在模擬壓力作用下，屏蔽線的焊點(diǎn)擠壓到旁邊的電源線，導(dǎo)致短路。

某次模擬壓力試驗(yàn)過程中，有多個(gè)橡膠型水密插座均出現(xiàn)芯線斷路現(xiàn)象，并且均集中在插座內(nèi)圓的1-5#芯線上，如圖11所示。

對(duì)水密插座受力情況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：1）橡膠型水密插座加工制造時(shí)，芯線焊接的過程中一般首先焊接1#芯線，并以1#芯線為基準(zhǔn)進(jìn)行其他芯線的焊接，因此通常1#芯線是最短的芯線。2）在外界壓力逐漸上升時(shí)，橡膠型水密插座受壓拉緊，橡膠柱體部分向中間擠壓，電氣觸點(diǎn)沿軸向向外產(chǎn)生位移，其尾線會(huì)逐漸拉緊，處于繃緊狀態(tài)，容易在焊點(diǎn)處發(fā)生斷裂，發(fā)生斷路。3）實(shí)際應(yīng)用過程中，避免使用1#芯，同時(shí)增加重要信號(hào)的芯線備份。

圖11 橡膠型水密插座高壓下內(nèi)圓芯線斷路

3 結(jié)論

以水密接插件組件在載人潛水器上的可靠應(yīng)用為目標(biāo)，本文一方面梳理了載人潛水器高頻次應(yīng)用過程中水密接插件組件的典型共性失效故障，另一方面設(shè)計(jì)了水密接插件組件在線性能檢測方法。

全面總結(jié)水密接插件和水密電纜組件模擬壓力試驗(yàn)及海上實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，得到結(jié)論如下：1）海洋復(fù)雜環(huán)境影響。海水?dāng)_動(dòng)可能引起水密纜與外界尖銳物體的摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械損傷；海上高頻次應(yīng)用10年以上，電纜橡膠外護(hù)層易出現(xiàn)老化、腐蝕、變形、鼓包、開裂等現(xiàn)象，插座內(nèi)部芯線由于老化也會(huì)導(dǎo)致絕緣下降。2）海水循環(huán)壓力影響。插頭多條芯線匯總焊接點(diǎn)在高壓下可能擠壓變形，進(jìn)而與其他芯線接觸導(dǎo)致短路；金屬型插座連接充油接線箱形式時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反向凸起變形，基本不累加也不發(fā)生破壞；金屬型插座連接耐壓結(jié)構(gòu)形式時(shí)，工作正常；橡膠型插座內(nèi)圓的1-5#芯線中，最短的焊接基準(zhǔn)芯線有斷路風(fēng)險(xiǎn)，1#芯線要規(guī)避使用，2-5#芯線要有冗余設(shè)計(jì)。

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[6] Birns公司官網(wǎng)[EB/OL]. https://birns.com/product-category/marine.

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

[8] 美國 WHOI 官網(wǎng)[EB/OL]. http://www.whoi.edu.

[9] Impulse公司官網(wǎng)[EB/OL]. http://www.teledynemarine.com/impulse.

[10] JOWO公司官網(wǎng)[EB/OL]. https://jowo.ag/portfolio_category/unterwasser-steckverbinder.

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A

1003-4862（2022）04-0001-06

2021-09-09

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0300600）（2018YFC0308200）

曹?。?987-），男，博士，高級(jí)工程師。研究方向：信號(hào)與信息處理。E-mail: caojun1105@sina.cn