海底铠装电缆承重锁紧密封装置设计

曲君乐，刘 杰，吴承璇，李正宝

(山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001)

海底铠装电缆承重锁紧密封装置设计

曲君乐，刘 杰，吴承璇，李正宝

(山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001)

针对海底铠装电缆与密封舱的连接部位在承重、密封、拉力等方面存在的问题，设计了一种海底铠装电缆承重锁紧密封装置，该装置能够实现铠装电缆和密封舱的连接。经过试验验证，此装置可满足海底铠装电缆连接部位对承重、拉力和密封的要求，符合现场应用的要求。

海底电缆;铠装;承重;密封

目前，海底铠装电缆被广泛地应用于海底数据通信和电力输送。采用铠装电缆能够增加海底电缆的机械强度，提高防侵蚀能力，但增加了海底铠装电缆与海底设备间的联接难度，需要从承重、密封、缩紧等角度设计相关装置。

海底电缆的铠装由金属丝线沿电缆按照一定的绞合节距绞制而成。目前，海底电缆与设备舱连接处多采用卡子从铠装电缆外面抱紧电缆并固定在设备基座上，遇有外力或海流反复拉扯容易导致电缆防护层和卡子之间的磨损，露出铠装钢丝造成锈蚀影响电缆承载拉力。同时，铠装电缆与密封舱之间通常采用密封胶密封，此种方法在卡子松动电缆受外力拉扯时，容易导致密封失效、海水渗入密封舱，使得水下设备无法正常工作。因此，迫切需要解决海底铠装电缆和水下设备的承重连接密封问题。

本文针对海底铠装电缆与密封舱连接存在的问题，研制了一套海底铠装电缆承重锁紧密封装置。该装置采用倒T型支架实现铠装电缆与密封舱连接处的承重；采用硫化橡胶密封室进行二次密封，选用橡胶O型圈实现与密封舱接触部位的密封；采用半圆沟槽式心形锁紧块锁紧铠装钢丝，利用锥形密封腔加锥形橡胶体机械压紧铠装缆。

1 铠装结构设计

1.1 问题分析

海底铠装电缆是由不同材料导体装在有绝缘材料的金属钢丝防护层中，外部分层缠绕麻披和防水材料被加工成耐腐蚀、抗拉力、耐磨损可弯曲的坚实组合体，断面截图如图1所示。

图1 海底铠装电缆断面截图

如图2所示，铠装电缆和密封舱相连。在进行铠装结构设计时，首先要考虑的因素是装置的机械强度。受铠装电缆的特性和使用环境的影响，铠装电缆与密封舱在连接部位存在压力、张力、扭力等各种力的作用。设计上首先考虑该装置要有较好的机械强度满足电缆的拉伸强度，避免由于装置受外力影响破损，导致铠装电缆断裂。其次，为了防止海水进入密封舱，该装置应该具有较好的密封性，同时还能够避免或减缓在水下长时间放置过程中海水的侵蚀。最后，为了避免铠装电缆的转动，影响密封防水的效果，该装置还应该具有锁紧的功能，并符合铠装电缆内置钢丝承载拉力的要求。

1.2 机械结构设计

通过以上的问题分析，明确了该装置的功能和实际要求，进行材料选型和机械结构设计。该装置选用316L不锈钢作为主材，具有耐压耐腐蚀的特点，能够在深海环境下长期使用。承重功能的机械结构需要考虑机械强度、密封、铠装电缆最大抗拉力等需求，还需要参考海上施工、安装、维护等工程实施要求。采用小型化设计思路，设计了倒T型承重支座装置来解决铠装电缆承重问题（图3所示）。该装置底部是由两块垂直焊接在一起的钢板组成倒T字形，其中垂直钢板上具有一个大小可调的圆孔，可方便安装到海底基座或海底设备上，具有安装方便、承重可调等优点。

图2 海底铠装电缆连接整体示意图

1.2.1 密封设计

海底铠装电缆与设备舱的连接既要保证设备舱不能漏水又要保证铠装电缆外铠装钢丝不暴露在海水中锈蚀，因此在海缆穿过该装置入口处采用锥形橡胶体机械密封，为了使密封更加可靠，在锁紧剥离铠装钢丝处设置了一个密封室，室内充满硫化橡胶作为第二重密封，确保在深海高压下能够安全隔离海水，同时保护裸露的铠装钢丝不会接触到海水锈蚀，密封完成后如图3所示。

图3 海底铠装电缆与设备舱密封示意图

1.2.2 锁紧设计

海底铠装电缆锁紧设计是根据海缆的封装特性考虑的，因为海缆的抗拉强度是通过均匀分布在绝缘层和防水层之间的铠装钢丝实现的（断面截图如图1所示），所以要想将海底铠装电缆锁紧必须将海缆的铠装钢丝锁紧才能实现电缆的最大抗拉力。

根据铠装电缆结构，先将电缆铠装钢丝从密封层中剥离出来，穿过一个带锥形孔的固定基座和中心可穿过铠装电缆的心形实体，将穿过心形实体的铠装电缆中铠装钢丝剥离出来均匀布在心形体外部半圆沟槽内，将心形体连同铠装电缆推入带锥形孔的固定基座，利用物理摩擦原理倾角小于摩擦角具有自锁性，使得铠装电缆在受到外力作用下锁紧装置越拉越紧。

2 测试试验与分析

2.1 铠装电缆钢丝锁紧后拉力试验与分析

为了测试海底铠装电缆使用该装置进行连接后的承重拉力性能，我们进行了承重拉力试验。拉力试验的本质是对试样施加轴向拉力，取一段铠装电缆将两端铠装钢丝剥离出来，两端装夹到该装置锁紧测量试样在变形过程中直至断裂的各项力学性能，试验材料的全面性能反映在拉伸曲线上（图4）。

图4 海底铠装电缆承重拉力试验曲线

从图中可以看出，海底铠装电缆的拉力曲线可以分成6个阶段。

第一阶段：弹性变形阶段[a，b]

弹性变形阶段具有两个特点：

（1）从宏观上看，力与伸长成直线关系，弹性伸长与力的大小和试样标距长短成正比，与材料弹性模量及试样横截面积成反比。

（2）变形是完全可逆的。加力时产生变形，卸力后变形完全恢复。

第二阶段：滞弹性阶段[b,c]

在此阶段，应力-应变出现了非直线关系。

第三阶段：微塑性应变阶段[c,d]

材料在加力过程中屈服前的微塑性变形部分。

第四阶段：屈服阶段[d,e]

这个阶段是金属材料的不连续屈服的阶段，也称间断屈服阶段。

第五阶段：塑性应变硬化阶段[e,f]

屈服阶段结束后，试样在塑性变形下产生应变硬化。

第六阶段：缩颈变形阶段[f,g]

力施加至f点时，试验材料的应变硬化与几何形状导致的软化达到平衡，此时力不再增加。

从以上拉伸曲线上，可以测定金属材料如下性能：

①上屈服强度：（c点）试样发生屈服而力首次下降前的最高应力；

②下屈服强度：（e点）屈服期间的最低应力，注意这里要排除初始瞬时效应最低应力点所对应的应力；

③抗拉强度：（f点）在最大力点所对应的应力；

④屈服点延伸率：(a，e)对于呈现明显屈服现象的材料，从屈服开始至均匀硬化开始之间的延伸率。要注意起点和终点的判断；

⑤最大力总伸长率：f点处作一垂线，横坐标原点与交点长度对应的伸长率；

⑥最大力非比例伸长率：f点处作一平行于弹性段的直线，横坐标原点与交点对应的伸长率；

⑦断裂伸长率：（g点）断裂时刻的试样总伸长率（包括弹性伸长和塑性伸长率）；

⑧规定塑性延伸强度Rp；⑨规定残余延伸强度Rr；

⑩规定总延伸强度Rt：规定总延伸率对应的应力，即在代表伸长的横坐标上取规定的伸长量。

2.2 海试

为了验证本装置在海洋中的实际效果，我们将其应用于海底观测网络的构建中。如图5所示，将铠装电缆连接该装置，并和海底观测节点的密封端盖集成，实现铠装电缆和海底观测节点密封舱内部主控电路板的连接。最后在青岛胶州湾近海进行了长达237 d的试验。在整个海底观测网络组网实验过程中，节点一直通过铠装电缆和岸站保持能源和通信的正常连接，该装置经受住了实验验证。

图5 海试（左为连接实物图，右为海试图）

3 结论

该装置是通过在锥形体上开有与铠装钢丝线径相同的且数量与铠装钢丝相同的半圆槽，将铠装钢丝放入对应的槽内，利用斜面摩擦原理倾角小于摩擦角具有自锁性，实现锁紧。海底铠装电缆密封是采用两种方式密封：首先将没有剥离铠装钢丝的电缆穿入固定基座内的锥形腔，通过套在铠装电缆上的锥形天然橡胶体利用螺纹挤压实现机械密封；再者是从铠装电缆剥离出的铠装钢丝锁紧后的密封是采用常温硫化橡胶硫化，硫化橡胶流动可有效地沁入细小的缝隙确保密封和保护铠装钢丝不锈蚀。通过海底铠装电缆承重锁紧密封装置在胶州湾布放的海底观测网节点中的实际应用，证明该装置具有设计合理、抗拉能力大、密封性好的特点，适用于动力电缆、通信电缆和光电复合缆。此装置在海试过程中发现海底铠装电缆与水下设备连接好后，在陆路运输当中不方便，最好在该装置于水下密封舱法兰连接舱内加装接线端子，以便分开运输现场连接，通过上述改进后，试验证明该装置可广泛应用于海底有缆设备的使用，具有很好的推广应用前景。

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[4]陈德才,崔德荣.机械密封设计制造与使用[M].北京∶机械工业出版社.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

海洋公益性行业科研专项经费资助项目(201105030)

曲君乐（1960-），男，大专，工程师，主要研究方向为海洋仪器仪表。Email：qujunle@163.com

book=39,ebook=119