李永江
(南京全信傳輸科技股份有限公司, 南京 211113)
艦船用縱向水密電纜因使用場(chǎng)合的特殊性,需確保基于應(yīng)用環(huán)境的產(chǎn)品性能可靠性[1]。但現(xiàn)有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于縱向水密電纜的關(guān)鍵性能試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法的規(guī)定不夠細(xì)化,甚至存在缺失,無法準(zhǔn)確反映實(shí)際工況的需求。因此,有必要對(duì)國內(nèi)外軍用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析,開展艦船用縱向水密電纜可靠性試驗(yàn)研究。本工作探討相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),就艦船用縱向水密電纜的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法的差異與不足,結(jié)合艦船實(shí)際工況需求,給出艦船用縱向水密電纜的可靠性試驗(yàn)建議,供行業(yè)參考。
水下艦船對(duì)水密電纜的密封性能需求在不同階段有本質(zhì)的不同,主要包括船舶建造時(shí)、正常工況下和事故工況下3種情況。
艦船在建造完畢時(shí)需驗(yàn)證整體艙室的密封效果,進(jìn)行氣密試驗(yàn)。因穿艙纜已敷設(shè)完成,與水密艙室構(gòu)為一體,密封驗(yàn)證需將其包含在內(nèi)。此時(shí),要求電纜具備縱向氣密性能,否則須對(duì)電纜進(jìn)行特殊密封處理,確認(rèn)其端頭完全密封后再進(jìn)行艙室密封驗(yàn)證,以避免艙室氣密缺陷無法及時(shí)確認(rèn)?;谔岣呓ㄔ焓┕ばЧ?yàn)證效率,客戶會(huì)對(duì)縱向水密電纜提出縱向氣密性能要求。
船舶交付后,正常工況下電纜端部與水密連接器密封良好,電纜內(nèi)部實(shí)際構(gòu)成類似密閉空間。艦船在上浮、下潛作業(yè)時(shí),外部水壓會(huì)對(duì)艙外電纜形成徑向作用力,此時(shí)主要是電纜的橫向密封起作用,避免高壓水從電纜護(hù)套外進(jìn)入電纜內(nèi)部,影響絕緣,進(jìn)而影響絕緣電阻和耐電壓性能??赏ㄟ^考核材料吸水性能和成品承壓后橫向水密及絕緣性能,確定產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。
事故工況下,電纜護(hù)套或端部一般已發(fā)生損壞,造成水直接作用于電纜內(nèi)部,為避免水沿電纜縱向長度延伸滲透進(jìn)入船艙內(nèi),需要依靠縱向水密性能為救援贏取時(shí)間。比如處在深海的潛艇受到外界攻擊或發(fā)生故障,事故區(qū)域的電纜外護(hù)套破損甚至傷及電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí),高壓海水直接作用于電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件,若其他結(jié)構(gòu)元件相對(duì)于護(hù)套發(fā)生位移,且當(dāng)位移達(dá)到一定數(shù)值時(shí),便可能穿透水密填料函造成水密隔艙失效。因此,可通過考核端頭滲水及位移指標(biāo)確定產(chǎn)品的水壓開端性能(即電纜承受高壓水時(shí)的縱向水密性能)。
目前涉及縱向艦船用水密電纜的標(biāo)準(zhǔn)主要有:國內(nèi)軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 774A—2020、GJB 1916—1994、GJB 774—1989和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB 1157—1986、CB 1158—1986;美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-DTL-24643C:2011、MIL-DTL-24640C:2011和MIL-DTL-915G:2002等3個(gè)通用規(guī)范及相關(guān)單篇規(guī)范;德國軍用標(biāo)準(zhǔn)VG95218-2:2017和VG95218-29:2020;英國軍用標(biāo)準(zhǔn)DEF STAN02-517:2008 PART 1;俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)GOST20.57.406-81[2-13]。此外,電線電纜手冊(cè)、用戶技術(shù)條件中也有水密電纜的相關(guān)描述。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和文獻(xiàn)對(duì)水密電纜提出的技術(shù)指標(biāo)、試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)方法等各有不同。
2.1.1 試驗(yàn)方法比較
靜態(tài)縱向水密性能也稱為靜水壓力密封性能,其試驗(yàn)結(jié)果除受產(chǎn)品的固有質(zhì)量影響外,還與試驗(yàn)方法有關(guān),如樣品長度、布置、升降壓速度、保壓時(shí)間等。目前主要的電纜縱向水密試驗(yàn)方法比較見表1。我國軍用標(biāo)準(zhǔn)等同采納美國軍用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,分為水密性試驗(yàn)和水壓開端試驗(yàn)。其中,水密性試驗(yàn)用于低壓水,針對(duì)水面艦船。
表1 靜態(tài)縱向水密試驗(yàn)方法比較
目前行業(yè)內(nèi)所說的縱向水密電纜主要指針對(duì)水下艦船的可承受高壓水的縱向水密電纜,對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法是水壓開端試驗(yàn)。我國目前并無有效的國家軍用標(biāo)準(zhǔn)單篇規(guī)范,高壓水密性能多為制造廠根據(jù)用戶使用需求在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行規(guī)定,包括時(shí)間和壓力。
表1(續(xù))
從表1可以看出,各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法各有不同,或存有不足。其中,我國軍用標(biāo)準(zhǔn)和美國軍用標(biāo)準(zhǔn)均未規(guī)定水壓罐內(nèi)試樣長度、升壓速度,未考慮其可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的產(chǎn)生影響。德國軍用標(biāo)準(zhǔn)、英國軍用標(biāo)準(zhǔn)和俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)則未規(guī)定取樣端頭截取方法。針對(duì)水下艦船,所有標(biāo)準(zhǔn)均未明確采取海水介質(zhì),未考慮海水可能對(duì)水密性能的影響。此外,已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的均為靜態(tài)水壓測(cè)試,實(shí)際艦船在航行過程中存在上浮下潛,因此有必要考慮動(dòng)態(tài)水壓下電纜的縱向水密性能,即循環(huán)水壓縱向水密性能。
2.1.2 水壓罐內(nèi)長度影響
根據(jù)前期開展的相關(guān)試驗(yàn),選取不同的樣品,在按GJB 774A—2020規(guī)定的水壓開端測(cè)試方法操作基礎(chǔ)上,將水壓罐內(nèi)的試樣長度分別設(shè)置為不同的值進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果顯示:測(cè)試時(shí)罐內(nèi)的試樣長度越短,越容易出現(xiàn)電纜自由端滲水現(xiàn)象。說明在其他條件相同的情況下,罐內(nèi)的試樣長度越短,水的延伸越長,試驗(yàn)環(huán)境越嚴(yán)苛。其原因在于如果罐體內(nèi)的試樣長度較長,其在承壓試驗(yàn)時(shí),除電纜端頭承受縱向水壓外,罐內(nèi)試樣的護(hù)套還會(huì)承受徑向水壓力。若電纜內(nèi)部密封填充欠均存在空隙時(shí),徑向壓力可能會(huì)壓縮電纜,發(fā)生形變,縮小空隙,從而助力縱向密封性能。
2.1.3 海水影響及介質(zhì)配比
已有的大量研究結(jié)果表明,對(duì)于常用的遇水膨脹阻水材料而言,海水中的金屬鹽離子會(huì)造成其膨脹速率和膨脹高度下降,進(jìn)而影響實(shí)際工況下電纜的縱向阻水效果[2,10-12,14-17]。因此,高壓水縱向密封電纜應(yīng)盡可能選擇耐海水腐蝕阻水帶材。海水介質(zhì)應(yīng)盡可能采取標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室海水替代溶液,即含鹽量3%~5%的鹽溶液。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中涉及實(shí)驗(yàn)室海水替代溶液的主要有ASTM D 1141-98(R2021)、DIN 50905-4—2018和IEEE Std 1580—2010等[18-20]。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的海水替代溶液成分構(gòu)成如下。
(1) ASTM D 1141-98(R2021)。
ASTM D 1141-98(R2021)通過在8~9 L水中溶解245.34 g NaCl和40.94 g Na2SO4,然后加入200 mL的1號(hào)原液化學(xué)成分及濃度見表2和100 mL的2號(hào)原液化學(xué)成分及其濃度見表3,稀釋至10 L,最后再滴入幾毫升的0.1 N的NaOH溶液,將其pH調(diào)節(jié)至8.2,最終的海水替代溶液化學(xué)成分構(gòu)成見表4,其中前4種化合物的合計(jì)質(zhì)量濃度為35 g·L-1。表2中該海水替代溶液氯含量為19.38 g·L-1。pH為8.2。
表2 ASTM D1141-98(R2021) 1號(hào)原液化學(xué)成分構(gòu)成
表3 ASTM D1141-98(R2021) 2號(hào)原液化學(xué)成分構(gòu)成
表4 ASTM D1141-98(R2021)海水替代溶液化學(xué)成分構(gòu)成
(2) DIN 50905-4—2018。
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人工海水制備程序?yàn)椋簩⒈?中標(biāo)記為A的化合物溶于885 mL去離子水中,制成溶液1;將標(biāo)記為B的化合物溶于100 mL去離子水中,制成溶液2。將溶液2倒入溶液1,靜止一天,去掉雜質(zhì),滴入NaOH溶液,調(diào)節(jié)pH為7~8,前4種化合物的合計(jì)質(zhì)量濃度為42 g·L-1。
表5 DIN 50905-4—2018人工海水溶液化學(xué)成分構(gòu)成
(3) IEEE Std 1580—2010。
該標(biāo)準(zhǔn)采用的NaCl溶液含鹽(NaCl)質(zhì)量濃度為200 g·L-1,采取人為加大濃度、提高溫度、縮短時(shí)間的加嚴(yán)測(cè)試方法,不具備自然海水的模擬性。
各產(chǎn)品詳細(xì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海水替代溶液的采納情況:美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-DTL-24643C:2011采標(biāo)ASTM D 1141-98(R2021),德軍標(biāo)VG 95218-2:2017采標(biāo)DIN 50905-4—2018,IEEE Std 1580—2010針對(duì)民品船用和海洋工程用電纜自行規(guī)定了濃度要求。我國軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 774—1989規(guī)定的鹽水溶液含鹽(NaCl)質(zhì)量濃度為(30±2.5)g·L-1;GJB774A—2020提出要采取海水替代溶液,但未給出成分要求。報(bào)批的GJB 1916A給出了海水替代溶液制作方法,但規(guī)定不完整,只給出了pH為8.2,未給出成分構(gòu)成。由于GJB 1916A基本采用MIL-DTL-24643C:2011,因此可知其實(shí)際要求同MIL-DTL-24643C:2011,成分配比可以采用ASTM D 1141-98(R2021)。此外,用戶對(duì)消磁電纜提出的耐海水性能的試驗(yàn)溶液實(shí)際采標(biāo)也是ASTM D 1411-98(R2021)。
通過對(duì)比可知,除IEEE Std 1580—2010外,已有國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和用戶技術(shù)要求中規(guī)定的海水替代溶液中前4種主要化學(xué)成分(NaCl、MgCl2、Na2SO4、CaCl2)的質(zhì)量濃度合計(jì)約為(35~42) g·L-1(其中以NaCl為主,兼顧其他金屬離子),這與自然海水中一般(30~50) g·L-1的含鹽量基本吻合。因此,耐海水測(cè)試中經(jīng)常采用該濃度的溶液,但溶質(zhì)存在兩種情況:①采用NaCl、MgCl2、Na2SO4、CaCl2的混合物;②只采用NaCl,且其更普遍。根據(jù)實(shí)際情況,產(chǎn)品的鑒定檢驗(yàn)推薦采用混合溶質(zhì),材料入廠檢驗(yàn)可采用純NaCl溶液。
動(dòng)態(tài)縱向水密的目的是模擬水下船只反復(fù)上浮、下潛作業(yè)時(shí)電纜的縱向水密可靠性。目前的電纜標(biāo)準(zhǔn)中尚無相應(yīng)的試驗(yàn)方法。
雖然標(biāo)準(zhǔn)無規(guī)定,但動(dòng)態(tài)水密有著重要的現(xiàn)實(shí)意義??梢詫?biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的循環(huán)水壓試驗(yàn)和靜態(tài)縱向水密試驗(yàn)方法相結(jié)合,延伸出試驗(yàn)操作:即在原水壓開端試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過反復(fù)升壓、保壓、降壓的壓力循環(huán)后,確定電纜的縱向水密性能和護(hù)套相對(duì)位移情況,而非確定絕緣電阻(因?yàn)楦邏核茉囼?yàn)時(shí)試樣一端在壓力容器外,一端在壓力容器內(nèi),內(nèi)端彎曲遇水接觸)。具體升壓數(shù)值、循環(huán)次數(shù)等可根據(jù)裝備的實(shí)際需求確定。
電纜的靜態(tài)橫向水密性能考核的是正常工況下電纜所具備的承受確定徑向壓力的阻水性能,避免水從電纜護(hù)套表面滲入電纜內(nèi)部乃至導(dǎo)體,進(jìn)而影響電纜性能。橫向水密主要依靠材料的吸水性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)CB 1157—1986、CB 1158—1986、VG 95218-2—2017以及行業(yè)用戶技術(shù)條件等規(guī)定中有相關(guān)的試驗(yàn)方法,但多適合測(cè)試用于恒定深度或壓力下的產(chǎn)品。具體方法比較見表6。
由表6可知,已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靜態(tài)橫向水密測(cè)試程序基本相同,即將電纜置于水壓容器內(nèi),電纜兩個(gè)端頭通過密封填料函伸出容器外,然后對(duì)容器施加規(guī)定壓力并保持規(guī)定時(shí)間。但各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試樣的預(yù)處理和承壓后的考核不同,電纜敷設(shè)安裝時(shí)一般需進(jìn)行彎曲操作,而橫向水密性能則是固定敷設(shè)后電纜在實(shí)際工況下的要求。預(yù)處理彎曲相當(dāng)于敷設(shè)中可能遇到的彎曲,因此,進(jìn)行橫向水密性能測(cè)試時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行彎曲預(yù)處理有重要意義。
表6 靜態(tài)橫向水密試驗(yàn)方法比較
目前的橫向水密考核要求分為兩種(非同時(shí)考核):兩端頭不滴水或測(cè)試絕緣電阻。從實(shí)際工況角度出發(fā),這兩項(xiàng)指標(biāo)均有考核必要。因?yàn)樗坏┩高^護(hù)套進(jìn)入電纜內(nèi)部,如果絕緣防水性差,即便端頭不滴水,也極有可能造成絕緣電阻大幅度下降,存在安全隱患。同時(shí),如果在內(nèi)部水沿電纜軸向延伸至端頭,則可能會(huì)導(dǎo)致端部連接裝置失效,影響系統(tǒng)。此外,經(jīng)受橫向壓力后,還應(yīng)考慮電纜的耐電壓性能,其同樣涉及安全問題。
因此,應(yīng)對(duì)橫向水密試驗(yàn)方法和考核指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,試樣放入水壓容器前先進(jìn)行彎曲預(yù)處理,彎曲半徑按照電纜的最小允許彎曲半徑,彎曲次數(shù)可參照CB 1157—1986,取雙向180°彎曲10次,或按客戶要求,水壓承壓完成后端頭應(yīng)不滴水,并進(jìn)行耐電壓和絕緣電阻測(cè)試。
已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法主要針對(duì)靜態(tài)橫向水密性能測(cè)試。盡管CB 1157—1986等標(biāo)準(zhǔn)在橫向水密試驗(yàn)前會(huì)進(jìn)行彎曲處理,但其本質(zhì)仍為靜態(tài)試驗(yàn)。這與水下船只的實(shí)際工況對(duì)電纜的徑向阻水需求有很大的偏差。對(duì)于水下船只而言,正常工況下電纜的動(dòng)態(tài)橫向水密性能更加重要。
國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 774—1989基本翻譯采用MIL-C-915F:1989[22],其中曾提出本質(zhì)為動(dòng)態(tài)橫向水密的循環(huán)水壓試驗(yàn),規(guī)定取樣(18±3)m成品置于水壓容器,由于實(shí)際操作性較差,且未考慮可能存在的彎曲影響,GJB 774A—2020將該試驗(yàn)刪除了。雖然如此,其仍可為制定切實(shí)可行的動(dòng)態(tài)橫向水密試驗(yàn)方法提供借鑒。
動(dòng)態(tài)橫向水密性能包括兩層含義:①電纜在實(shí)際工況下遭受徑向壓力時(shí)可能會(huì)存在彎曲,因此,橫向水密試驗(yàn)前應(yīng)先對(duì)電纜進(jìn)行彎曲處理;②船只作業(yè)深度變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致電纜承受的徑向壓力變化,因此,橫向水密試驗(yàn)還應(yīng)采取循環(huán)水壓作用于護(hù)套。
不管是軍品艦船電纜還是民品船用電纜,凡是長時(shí)間接觸海水的電纜均應(yīng)考慮耐海水性能,以確保電纜長期使用的可靠性。實(shí)際上,國內(nèi)艦船電纜行業(yè)早已意識(shí)到該性能的重要性,但國內(nèi)尚無國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行專門規(guī)定,只是各家企業(yè)自行規(guī)定或在-54 ℃低溫操作試驗(yàn)中有相關(guān)描述;國外標(biāo)準(zhǔn)則給出了詳細(xì)的試驗(yàn)方法和測(cè)試項(xiàng)目,但相互之間有所差異。通過借鑒國外標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合行業(yè)內(nèi)目前的相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證,可以確定固化的測(cè)試方法。
國外涉及耐海水的船艦用電纜標(biāo)準(zhǔn)主要有IEEE Std 1580—2010、VG 95218-2等,國內(nèi)GJB 774—1989在-54℃低溫操作試驗(yàn)方法中有部分相關(guān)規(guī)定(僅用于鑒定試驗(yàn))。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的具體相關(guān)規(guī)定見表7。
從表7可以看出,不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定基本上是兩種策略:①提高溶液含鹽量和溫度,縮短浸泡時(shí)間;②降低濃度和溫度,延長浸泡時(shí)間。考核項(xiàng)目包括外觀、耐電壓和絕緣電阻,并要考慮彎曲對(duì)電纜的影響。
表7 耐海水試驗(yàn)方法比較
結(jié)合一般船舶出海時(shí)長及海水自然溫度,建議耐海水試驗(yàn)采取電纜彎曲狀態(tài)浸泡室溫海水替代溶液,溶液含鹽量3.5%,浸泡時(shí)長90 d;同時(shí)作為摸底試驗(yàn),可采取VG 95218-2—2017或IEEE Std 1580—2010方法進(jìn)行加速測(cè)試。
縱向氣密是為應(yīng)對(duì)實(shí)際造船的新需求,在GJB 774A中新增加的性能,結(jié)合了實(shí)際工況需求制定相應(yīng)的檢測(cè)方法。該方法規(guī)定采取長為(10±0.5)m成品電纜,將一端與氮?dú)馄肯噙B接,另一端頭置于水下150 mm以下的水槽,然后對(duì)電纜施加(0.5±0.05)MPa的氣壓,并保持30 min,深入水中的電纜端頭應(yīng)無氣泡逸出。
作為標(biāo)準(zhǔn)新提要求,值得相關(guān)者對(duì)此進(jìn)行深入研究,理解背后的現(xiàn)實(shí)意義和對(duì)產(chǎn)品提出的挑戰(zhàn),提早謀劃,革新工藝,以確保產(chǎn)品切實(shí)符合用戶需求和標(biāo)準(zhǔn)要求。
電纜貫穿密封試驗(yàn)主要針對(duì)穿艙纜,目的是為檢驗(yàn)填料函或杯型管節(jié)件與電纜護(hù)套之間是否形成緊密黏結(jié),確保承壓安全,不發(fā)生位移和黏結(jié)處漏水。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際環(huán)境均有此要求,但標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法卻很少。從工程角度出發(fā),貫穿密封試驗(yàn)具有重要意義,其不但可反映電纜、貫穿件和密封膠三者之間的匹配性;也可模擬在穿艙密封過程中水密電纜與密封函之間密封工藝的適應(yīng)性,如電纜是否會(huì)被溶脹或軟化變形,以及電纜在長期使用時(shí)與密封函的相容性。由于貫穿密封涉及總裝廠對(duì)電纜實(shí)際裝配工藝的可靠性,因此電纜廠家可與用戶一起開展該試驗(yàn)驗(yàn)證的相關(guān)研究。
從基于工況的產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證角度出發(fā),應(yīng)關(guān)注艦船實(shí)際工況、國內(nèi)外水密電纜標(biāo)準(zhǔn)、用戶技術(shù)條件和第三方機(jī)構(gòu)測(cè)試經(jīng)驗(yàn),克服現(xiàn)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的不足,確定針對(duì)艦船用縱向水密電纜的可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目,并優(yōu)化或制定切實(shí)可行的試驗(yàn)方法。除現(xiàn)有國家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靜態(tài)縱向水密試驗(yàn)外,建議還應(yīng)進(jìn)行如表8所示的可靠性試驗(yàn)。
表8 縱向水密可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目
艦船用縱向水密電纜直接關(guān)系水下艦船的性能和安全,基于性能需求和試驗(yàn)規(guī)定之間的矛盾,本文對(duì)中、美、德、英、俄等軍用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較,指出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)就艦船用縱向水密電纜的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法的不同規(guī)定,并給出艦船用縱向水密電纜的可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目、方法和建議。