呂巖松

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢 430033）

光纜耐壓穿艙結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)

呂巖松

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢 430033）

針對(duì)光纖光柵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)光纜穿過(guò)深潛器耐壓殼體的新需求，提出以電纜杯形管節(jié)作為光纜的耐壓穿艙結(jié)構(gòu)，并以電纜杯形管節(jié)的封裝工藝對(duì)光纜耐壓穿艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝。對(duì)光纜耐壓穿艙結(jié)構(gòu)的耐壓試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)表明，杯形管節(jié)作為光纜的耐壓穿艙結(jié)構(gòu)，可以保證結(jié)構(gòu)水密性。光纜經(jīng)過(guò)杯形管節(jié)的封裝后，其光纖的光損耗低，可以保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通過(guò)試驗(yàn)還得到一些有用的結(jié)論，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正確使用有指導(dǎo)意義。

杯形管節(jié);光纜;穿艙;模型;試驗(yàn)研究

0 引言

近年來(lái)，光柵光纖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在航天、船舶、電力、橋梁、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1－8］，這對(duì)于保證結(jié)構(gòu)的正常使用、確保結(jié)構(gòu)的安全性有著重要意義。水下深潛器的耐壓殼體是保證深潛器安全使用的重要結(jié)構(gòu)，在水下深潛器的耐壓殼體上安裝光柵光纖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)測(cè)量深潛器耐壓殼體的應(yīng)力，保障其長(zhǎng)期安全使用。

為監(jiān)測(cè)深潛器耐壓殼體的應(yīng)力，需要在耐壓殼體的內(nèi)、外表面均布置應(yīng)變傳感器［9］。由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理器設(shè)置在耐壓殼體的內(nèi)部，因此耐壓殼外表面?zhèn)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)需通過(guò)光纜傳送到耐壓殼內(nèi)部，即通過(guò)光纜穿艙實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連接。為保證深潛器的安全性以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，光纜的穿艙結(jié)構(gòu)必須保證水密，且與耐壓殼體具備相同的承壓能力，同時(shí)應(yīng)保證光纖不損壞、無(wú)過(guò)大的光損耗。目前，尚未檢索到有應(yīng)用于深潛器耐壓殼體的光纜穿艙結(jié)構(gòu)的先例?？紤]到杯形管節(jié)在深潛器耐壓殼的電纜穿艙結(jié)構(gòu)中已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用，因此沿用杯形管節(jié)實(shí)現(xiàn)光纜穿艙。與電纜相比，光纜存在光纖斷裂和光損耗的問(wèn)題，因此需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)光纜杯形管節(jié)穿艙結(jié)構(gòu)的適用性。

1 杯形管節(jié)穿艙結(jié)構(gòu)

杯形管節(jié)幾何形狀如圖1所示，照片如圖2所示。在安裝時(shí)，首先在深潛器耐壓殼上開(kāi)適當(dāng)尺寸的圓孔，然后將杯形管節(jié)插入圓孔并與耐壓殼進(jìn)行焊接。杯形管節(jié)既是光纜穿艙的通道，同時(shí)也作為耐壓殼開(kāi)孔的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其尺寸通過(guò)計(jì)算確定［10］。封裝光纜時(shí)，首先將光纜穿過(guò)杯形管節(jié)中間的圓孔，然后兩端塞入墊片和填料，最后通過(guò)填料函壓緊填料，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的水密，這一過(guò)程嚴(yán)格按照電纜杯形管節(jié)的封裝工藝來(lái)進(jìn)行。

圖1 杯形管節(jié)示意圖Fig.1 Cup shape section

圖2 杯形管節(jié)照片F(xiàn)ig.2 Photo of cup shape section

光纜杯形管節(jié)在封裝時(shí)，通過(guò)兩端壓緊填料實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的水密，因而光纜受到很大的徑向擠壓力;同時(shí)在使用過(guò)程中，由于深潛器下潛要承受巨大的靜水壓力作用，光纜的徑向擠壓力也會(huì)增大。在徑向擠壓力作用下，是否會(huì)造成光纖斷裂或者帶來(lái)較大的光損耗，則需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 杯形管節(jié)穿艙結(jié)構(gòu)的耐壓試驗(yàn)

耐壓試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)光纜杯形管節(jié)穿艙結(jié)構(gòu)的水密性以及在加壓過(guò)程中光纜光路的完好性。

2.1 加壓系統(tǒng)和耐壓試驗(yàn)

耐壓試驗(yàn)的加壓系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)可以對(duì)壓力筒內(nèi)加載10 MPa的靜水壓力。將杯形管節(jié)焊接至壓力筒的法蘭盤(pán)，并將光纜與杯形管節(jié)進(jìn)行封裝，如圖4所示。將壓力筒內(nèi)光纜的2根光纖對(duì)接，形成通路，并在壓力筒外相應(yīng)的光纖分別接寬帶光源和光功率計(jì)，由寬帶光源發(fā)射一定功率的光，利用光功率計(jì)測(cè)量在加壓過(guò)程中光的損耗，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。

圖3 試驗(yàn)加載系統(tǒng)Fig.3 Load system of experiment

圖4 杯形管節(jié)和光纜Fig.4 Cup shape section and optical cable

圖5 耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)安裝示意圖Fig.5 Installation of pressure test system

往壓力筒內(nèi)注水，對(duì)杯形管節(jié)進(jìn)行加壓。按照1.0 MPa→1.5 MPa→2.0 MPa→2.5 MPa→3.0 MPa→3.5 MPa→4.0 MPa→4.5 MPa的加載順序進(jìn)行加載，在每一加載載荷均穩(wěn)壓20 min，檢查光路是否暢通并測(cè)量光的損耗。載荷加至4.5 MPa后，保壓6 h，每隔30 min進(jìn)行1次光路的檢查測(cè)量。在加載過(guò)程中，觀察杯形管節(jié)有無(wú)漏水，光纜是否與杯形管節(jié)產(chǎn)生相對(duì)位移。

2.2 耐壓試驗(yàn)結(jié)果

耐壓試驗(yàn)共持續(xù)500 min，在加載過(guò)程中杯形管節(jié)未出現(xiàn)漏水情況，未發(fā)現(xiàn)光纜與杯形管節(jié)有相對(duì)位移。表1列出了在加載過(guò)程中光功率的變化情況。

表1 光功率在加載過(guò)程中的變化情況Tab.1 Optical power with load

由表1可以看出，在加載過(guò)程中，測(cè)得的光功率未發(fā)生變化，光纖未出現(xiàn)斷裂或較大的光損耗。可見(jiàn)，采用杯形管節(jié)作為光纜的穿艙結(jié)構(gòu)，可以保證水密和光纜光路的完好性。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

制作耐壓盒鋼制模型并進(jìn)行加載試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量模型典型位置的應(yīng)變，檢驗(yàn)光柵光纖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

3.1 耐壓盒模型

根據(jù)壓力筒的尺寸，制作1個(gè)耐壓盒模型，模型尺寸如圖6所示。

圖6 耐壓盒模型示意圖Fig.6 Pressure box

模型是1個(gè)由6塊鋼板焊接制成的長(zhǎng)方體水密盒，其中測(cè)試面的尺寸為300 mm×400 mm×16 mm;其余各面的厚度為30 mm，模型材料為921A鋼。模型加工后進(jìn)行密性試驗(yàn)。在模型測(cè)試面布置光柵光纖應(yīng)變傳感器和電阻應(yīng)變片，布片情況如圖7所示，貼片后的模型如圖8所示。

圖7 模型測(cè)試面?zhèn)鞲衅鞑计瑘DFig.7 Sensors on the test surface ofmodel

圖8 模型測(cè)試面貼片后的照片F(xiàn)ig.8 Test surface ofmodel

3.2 耐壓盒模型受靜水外壓力作用下的數(shù)值計(jì)算

對(duì)模型在靜水壓力作用下的應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，應(yīng)用MSC/Patran建立有限元模型，應(yīng)用MSC/Marc對(duì)模型在靜水壓力作用下的應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。圖9為模型測(cè)試面在1 MPa靜水外壓力作用下應(yīng)變計(jì)算值。

圖9 外載荷1 MPa作用下模型測(cè)試面應(yīng)變計(jì)算值Fig.9 Strain on the test surface ofmodel under 1 MPa pressure

3.3 聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

耐壓盒模型吊入壓力筒后，將各光柵傳感器與光纜連接，光纜通過(guò)杯形管節(jié)穿出壓力筒后與解調(diào)測(cè)試設(shè)備連接。電阻應(yīng)變片的導(dǎo)線穿出壓力筒后與應(yīng)變采集設(shè)備連接。吊入壓力筒的模型如圖10所示，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

圖10 模型吊入壓力筒Fig.10 Model in pressure cylinder

圖11 模型試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 View of experiment

按照0→1.0 MPa→1.5 MPa→2.0 MPa→2.5 MPa→3.0 MPa→3.5 MPa→4.0 MPa→4.5 MPa的加載次序?qū)δＰ瓦M(jìn)行加壓，在每一加載載荷穩(wěn)壓10 min，記錄測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

表2列出了在加載過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變變化情況，其中#3和#4測(cè)點(diǎn)位置的電阻應(yīng)變片失效，表中列出了有限元的計(jì)算結(jié)果。圖12為各測(cè)點(diǎn)的載荷－應(yīng)變曲線。

圖12 各測(cè)點(diǎn)的載荷－應(yīng)變曲線Fig.12 Load-strain curves ofmeasuring points

表2 各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變Tab.2 The strain ofmeasuring points

從表2和圖12可以看出，光柵光纖傳感器的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與電阻應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果或有限元計(jì)算結(jié)果較為接近或略高于電阻應(yīng)變片的測(cè)試結(jié)果。究其原因，光柵光纖應(yīng)變傳感器的長(zhǎng)度大于電阻應(yīng)變片的長(zhǎng)度，對(duì)于應(yīng)變梯度較大的測(cè)點(diǎn)，其測(cè)得的應(yīng)變?yōu)槠骄鶓?yīng)變。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于在深潛器耐壓殼體上安裝光柵光纖在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)需要光纜穿艙這一新問(wèn)題，提出了以杯形管節(jié)作為穿艙結(jié)構(gòu)的解決方案。通過(guò)光纜杯形管節(jié)的耐壓試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，得出如下結(jié)論:

1）以杯形管節(jié)作為光纜穿耐壓殼體的穿艙結(jié)構(gòu)可行，按照電纜杯形管節(jié)的封裝工藝進(jìn)行封裝后，光纜杯形管節(jié)可以保證穿艙結(jié)構(gòu)的水密性和光纜光路的完好性。

2）光柵光纖應(yīng)變傳感器的測(cè)試結(jié)果為測(cè)試點(diǎn)附近的平均應(yīng)變，測(cè)試值略低于測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)變峰值，在確定深潛器測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)變閾值時(shí)應(yīng)考慮予以修正。

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Experimental study about crossing cabin structure for optical cable

LV Yan-song
(Department of Naval Architecture，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

In order to link the optical fiber Bragg grating sensing system，the cable cup shape section was proposed to cross the cabin of pressure hull of deep sea vehicle for optical cable.According to electric cable sealing process，the optical cable was sealed with cup shape section.The pressure test of sealing structure and the test of sensing system demonstrated that the optical cable cup shape section waswatertight and the light loss of sensing system is little，so the cable cup shape section could be used as the sealing structure for optical cable to cross cabin of pressure hull.Some conclusionswere drawn by experimentwhich could guide the use of optical fiber Bragg grating sensing system.

cup shape section;optical cable;cross cabin;model;experimental study

U663.1

A

1672－7649(2014）05－0084－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.017

2013－12－27;

2014－02－10

呂巖松(1976－），男，博士，講師，從事船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)研究。