電纜杯形管節(jié)密封強(qiáng)度分析

方 斌，陳 淼，海 潔，趙朋遠(yuǎn)

（1.武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北武漢430056；2.哈爾濱理工大學(xué)電工電子教學(xué)與實訓(xùn)中心，黑龍江哈爾濱150020；3.哈爾濱化工研究所，黑龍江哈爾濱150020）

電纜密封是密封技術(shù)中的一種特殊技術(shù)。它正處于不斷發(fā)展之中，并且越來越多的被應(yīng)用在生產(chǎn)、生活和軍事等方面，如大壩、電纜、地下建筑、過江穿海通道、深潛器、石油開采和船舶等多個領(lǐng)域[1]。

通常，碳纖維增強(qiáng)聚氨酯（PU）復(fù)合密封膠是專門針對處于海洋環(huán)境中的電纜與密封殼體之間研制的一種新型材料，具有操作簡便、耐老化性能優(yōu)異等特點。碳纖維增強(qiáng)PU復(fù)合密封膠在壓縮強(qiáng)度達(dá)到7Mpa條件下，其耐酸性、耐堿性和抗輻射性等明顯優(yōu)于目前常用的傳統(tǒng)密封填料。

我國在電纜與密封殼體密封的力學(xué)性能研究、密封材料在動態(tài)壓力下的作用研究方面尚處于空白階段。本文擬將靜態(tài)力學(xué)中的某些計算方法和理論用于電纜環(huán)型管節(jié)密封膠強(qiáng)度的計算（見圖1），并結(jié)合壓力實驗過程及密封材料的破壞型式，對膠粘劑的密封性能進(jìn)行評價。

1 電纜密封膠環(huán)型管節(jié)強(qiáng)度計算

1.1 電纜密封強(qiáng)度指標(biāo)

軸向壓縮強(qiáng)度、環(huán)向拉伸強(qiáng)度和徑向壓縮強(qiáng)度均大于7MPa。

圖1 電纜密封示意圖Fig.1 Sketch of cable sealant systems

1.2 計算步驟

①應(yīng)用復(fù)合材料層合板理論，將強(qiáng)度指標(biāo)視為相同壓力施加于殼體上，計算出殼體材料的軸向（z）和環(huán)向（θ）材料彈性常數(shù)；②根據(jù)應(yīng)力和彈性常數(shù)計算殼體的軸向（z）和環(huán)向（θ）應(yīng)變；③根據(jù)殼體的軸向（z）和環(huán)向（θ）應(yīng)變，計算殼體材料的軸向和環(huán)向應(yīng)力；④將殼體材料所受應(yīng)力與單向板的材料強(qiáng)度進(jìn)行比較，按照線彈性理論（應(yīng)力與應(yīng)變成比例），得出殼體材料與單向板的材料強(qiáng)度成比例，從而按比例關(guān)系反推出殼體強(qiáng)度。

1.3 計算過程

1.3.1 基本數(shù)據(jù)

T700碳纖維復(fù)合材料單向板性能數(shù)：0°、90°方向的拉伸強(qiáng)度分別為Xt=1830MPa和Yt=37.2MPa；0°、90°方向的壓縮強(qiáng)度分別為 Xc=615MPa和Yc=137MPa；0°、90°方向的拉伸模量分別為E1t=133GPa和E2t=10.4GPa；0°、90°方向的壓縮模量分別為 E1c=118GPa和 E2c=10.4GPa；剪切模量G=4.14GPa；柏松比μ1=0.29，μ2=0.0227。

1.3.2 基本假設(shè)

層合板是由兩層或兩層以上單層板按不同方向?qū)雍隙傻恼w結(jié)構(gòu)。經(jīng)典層合理論主要假設(shè)各單層之間粘接牢固，層與層之間沒有相對位移；討論是在線彈性和小變形范圍內(nèi)進(jìn)行；經(jīng)典層合理論只考慮平面應(yīng)力狀態(tài)，不考慮各單層之間的層間應(yīng)力。

1.3.3 殼體材料軸（環(huán)）向材料彈性常數(shù)計算

層合板的面內(nèi)剛度計算假設(shè)為：①層合板只承受面內(nèi)力作用，由于層合板剛度的中面對稱性（管狀），層合板將引起面內(nèi)變形，不引起彎曲變形；②層合板為薄板，即h≤a，h≤b[其中h為厚度（m），a為長度（m），b為寬度（m）]；③層合板各單層間粘接牢固，具有相同的變形。則層合板面內(nèi)剛性系數(shù)（單位為N/m）計算公式如式（1）所示。

按照層合板內(nèi)剛度計算公式及其與材料彈性常數(shù)之間的關(guān)系，利用計算軟件，可求得殼體材料的軸向（z）和環(huán)向（θ）材料彈性常數(shù)。該計算數(shù)據(jù)由西安43所提供。

軸向彈性模量E,環(huán)向彈性模量Eθ=71.6 GPa；剪切模量G=15.6 GPa；柏松比μz=0.31，μθ=0.19。

1.3.4 殼體的軸向和環(huán)向應(yīng)變計算

軸向應(yīng)力：δZ=-7MPa（符號表示壓縮）

環(huán)向應(yīng)力：δθ=23MPa

殼體軸向應(yīng)變εZ和環(huán)向應(yīng)變分別如式（3）、式（4）所示。

1.3.5 殼體材料軸向和環(huán)向應(yīng)力計算

1.3.6 填料環(huán)強(qiáng)度計算

1.3.6.1 軸向壓縮強(qiáng)度

將殼體材料的軸向應(yīng)力δ1=34.229MPa與單向板0°方向的壓縮強(qiáng)度XC進(jìn)行比較。按照線彈性理論，殼體強(qiáng)度與單向板的材料強(qiáng)度成比例，因此，軸向壓縮強(qiáng)度PZ=δz(XC/δ1)=125.77MPa。

1.3.6.2 環(huán)向拉伸強(qiáng)度

將殼體材料的環(huán)向應(yīng)力δ2=46.816MPa與單向板0°方向的壓縮強(qiáng)度X1=1830MPa進(jìn)行比較。按照線彈性理論，殼體強(qiáng)度與單向板的材料強(qiáng)度成比例，因此，環(huán)向拉伸強(qiáng)度Pθ=δθ(Xt/δ2)=899.05MPa。

1.3.6.3 徑向壓縮強(qiáng)度

徑向壓縮強(qiáng)度與單向板90°方向的壓縮強(qiáng)度相同，即Pr=Yc=137MPa。

由計算結(jié)果分析可知：應(yīng)用層合板理論得到的復(fù)合材料環(huán)體的軸向壓縮強(qiáng)度PZ、環(huán)向拉伸強(qiáng)度Pθ、徑向壓縮強(qiáng)度Pr及受力情況均滿足設(shè)計要求。但是，上述計算均以碳纖維增強(qiáng)PU膠粘劑材料的靜態(tài)力學(xué)性能為依據(jù)的，而復(fù)合材料環(huán)體在工作時成動態(tài)力學(xué)狀態(tài)，故應(yīng)用層合板理論進(jìn)行相關(guān)性能的計算還存在著一定的誤差。

2 試驗結(jié)果簡單分析

從電纜環(huán)型管節(jié)的密封壓力測試結(jié)果可知：在給定壓力7 MPa的條件下，均未出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。這是由于碳纖維與PU之間粘接力很強(qiáng)，同時形成填料環(huán)的長度為35mm,在海水壓力過程中軸向受壓；軸向受壓的纖維呈微屈曲狀，薄弱處應(yīng)力集中易斷裂，但界面壓裂、樹脂壓碎和纖維壓斷等情況并沒有發(fā)生，這是由于填料環(huán)較長，沒有發(fā)生層間斷裂，因此電纜密封材料碳纖維增強(qiáng)PU密封膠體系并沒有發(fā)生破壞和泄漏現(xiàn)象。

3 結(jié)論

根據(jù)壓力試驗結(jié)果可知：目前采用碳纖維增強(qiáng)PU纏繞工藝、輔以表面處理劑和凈水隔離劑后所制備的電纜密封膠，在7MPa壓力作用下，環(huán)型管節(jié)沒有泄露，與計算結(jié)果預(yù)測一致。該項目2007年5月通過部級鑒定，達(dá)到國際先進(jìn)水平，已成功應(yīng)用于某些重點工程中，為今后的工程應(yīng)用起到預(yù)測和指導(dǎo)作用。

[1]王訓(xùn)鉅.帶壓堵漏技術(shù)[M].北京:中國石化出版社,2000.