齊海濱， 楊一帆， 唐嘉陵

（國家深?；毓芾碇行模鄭u266237）

0 引 言

水深在200 m 以下的水域，被科學(xué)家稱為深海，因深海特殊的環(huán)境特性及廣泛的未被探知的區(qū)域，現(xiàn)已成為國際地球科學(xué)尤其是海洋科學(xué)的最新研究前沿［1］。 隨著科技的不斷發(fā)展，越來越多的裝備在深海中得以應(yīng)用，而深海水密接插件是實(shí)現(xiàn)深海環(huán)境中裝備系統(tǒng)與系統(tǒng)間電力配電、信號傳輸、通信交流等功能的最有效途徑。 水密接插件在實(shí)現(xiàn)以上功能的同時，還要承受外界海水的高壓、腐蝕、低溫等環(huán)境影響，甚至需要在深海環(huán)境下實(shí)現(xiàn)長期駐留，這也給深海水密接插件材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等帶來了挑戰(zhàn)。 現(xiàn)有深海水密接插件主要以橡膠整體模壓、橡膠或環(huán)氧樹脂與金屬黏合等形式為主，圍繞應(yīng)用場景的不同，深海水密接插件的種類也在不斷拓展。

1 深海水密接插件應(yīng)用場景

深海水密接插件是實(shí)現(xiàn)深海裝備配電及信號傳輸?shù)闹匾考?，其深海運(yùn)行性能直接影響深海裝備的水下使用效能及壽命。 如圖1 所示，該插件可以應(yīng)用在深海的不同場景，并較好地應(yīng)用在以下裝備中。

圖1 “深海一號”船海上作業(yè)示意圖

1.1 船載調(diào)查裝備

船載固定式調(diào)查裝備，諸如船載多波束探測、側(cè)掃聲吶探測、淺層剖面探測等，雖然應(yīng)用了大量的水密接插件，但應(yīng)用水深較淺不作為深海水密接插件的應(yīng)用范疇。 作為船載取樣及近底層作業(yè)的一些船載調(diào)查設(shè)備，其深海水密接插件的應(yīng)用則較為廣泛。船載深海拖體、溫鹽深探測、海水取樣系統(tǒng)、地質(zhì)取樣系統(tǒng)，以及可視取樣系統(tǒng)等各類船載設(shè)備須要通過水密接插件來實(shí)現(xiàn)在深海環(huán)境下的電力配給及信號傳輸。 結(jié)合使用情況，此類船載設(shè)備水密接插件多以鎧裝纜、纖維纜、光電復(fù)合纜、臍帶纜等水密電纜為主，并通過不同形式的水密插座來實(shí)現(xiàn)水下的可靠鏈接［2-3］。

1.2 水下運(yùn)載裝備

隨著深?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，水下運(yùn)載裝備在深海中的應(yīng)用越來越廣泛，其也成為水密接插件應(yīng)用的集大成者。 深海水密接插件廣泛應(yīng)用在載人潛水器（HOV）、遙控式潛水器（ROV）、自主式潛水器（AUV），及各類新型水下運(yùn)載裝備中［4］。 根據(jù)水下運(yùn)載裝備的實(shí)際需要，水密接插件也衍生了諸多的類型，以滿足水下運(yùn)載裝備不同的作業(yè)需要。 比如蛟龍?zhí)栞d人潛水器，據(jù)統(tǒng)計(jì)其使用的各類水密線纜有150 余根、水密插座300 余只，其中不乏有光纖傳輸用特殊的水密接插件。

1.3 水下原位固定裝備

水密接插件也廣泛應(yīng)用于各類水下原位固定裝備，深海浮標(biāo)系統(tǒng)、深海自動觀測站、深海原位探測系統(tǒng)，以及海工油氣資源開采及水下傳輸系統(tǒng)等深海裝備都有較好的應(yīng)用。 美國伍茲霍爾海洋研究所和新澤西大學(xué)海洋與海岸研究所在美國國家科學(xué)基金支持下，共同建立了LEO.1 5 長期水下無人觀測站。 LEO.1 5 所配置的傳感器和設(shè)備主要有壓力、海流、水溫、電導(dǎo)率、溶解氧、熒光計(jì)、輻射計(jì)、垂直CTD 剖面儀、寬帶水聽器、聲吶、AUV 接口、光學(xué)后向散射儀、透明度計(jì)、聲學(xué)跟蹤系統(tǒng)、全景攝像機(jī)、無人遙控潛器和自持式水下多任務(wù)平臺等。 水密接插件的使用有效解決了各傳感器的水密連接、聲學(xué)通信等問題［5］。

2 深海水密接插件應(yīng)用形式

根據(jù)不同的應(yīng)用場景，深海水密接插件結(jié)構(gòu)及水密形式也不盡相同，為了適應(yīng)大深度海水的高壓環(huán)境，深海水密接插件多采取兩種方式抵抗外界高壓。 一是采用充油補(bǔ)償式的水密接插件，多見充油水密電纜，通過把纜線封裝在充油的線管內(nèi)來實(shí)現(xiàn)和外界海水的有效隔離，從而確保電氣性能，外界海水高壓會通過內(nèi)部的補(bǔ)償油傳遞至線纜內(nèi)的所有部件，此類水密接插件關(guān)鍵在于電纜插拔部分的封裝和密封。 二是采用橡膠整體硫化等形式的水密接插件，通過把線纜整體硫化封裝至橡膠類材料中實(shí)現(xiàn)和海水的有效隔離，而橡膠與金屬的黏合是大深度水密接插件的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，黏合性能的好壞在很大程度上決定水密接插件的壽命。

深海水密接插件需滿足普通信號、高頻信號、高電壓、大電流、光信號等傳輸要求，在穿墻、濕插拔、水下帶電插拔、充油等不同場景得以應(yīng)用。 結(jié)合深海運(yùn)載裝備在深海中的實(shí)際需要，主要類別可以區(qū)分如下：

（1） 動力水密接插件，能夠滿足深海裝備大功率供配電需要，主要特點(diǎn)為纜線的直徑較大，傳輸電壓或電流較大，多用于大型深海運(yùn)載裝備水下配電。

（2） 多芯水密接插件，能夠滿足深海裝備水下信號傳輸需要，因深海裝備傳輸信號較多，此類水密接插件多為定制產(chǎn)品，特點(diǎn)為芯線較多（1 ～203芯），因串口、網(wǎng)絡(luò)等不同，通信要求也不同，需要對電纜中的芯線進(jìn)行諸如雙絞、屏蔽、同軸等特殊結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)。

（3） 高速傳輸類水密接插件，能夠滿足深海裝備的高速信號傳輸，隨著光纖等高速傳輸介質(zhì)在深海中的應(yīng)用，使用高速傳輸類水密接插件來進(jìn)行水下高速信號傳輸，可以減少多芯水密接插件的使用，降低水密接插件使用數(shù)量及維護(hù)成本。

（4） 水下可插拔類水密接插件，能夠滿足深海裝備水下插拔需要，此類水密接插件多用于海工油氣資源開采，同時也見于部分深海原位固定裝置與其他裝備進(jìn)行對接的情景。

3 國內(nèi)外水密接插件應(yīng)用情況

國外深海水密接插件的發(fā)展與應(yīng)用較早，最早是由美國Marsh ＆Marine 公司在20 世紀(jì)50 年代初推出的，其結(jié)構(gòu)為橡膠模壓；后來水密接插件逐漸應(yīng)用在美國、法國的潛艇上；20 世紀(jì)60 年代后期，為了配合著名的“深海開發(fā)技術(shù)計(jì)劃（DOTP）”，美國研制成功1 800 m的大功率水下電力及信號接插件；20 世紀(jì)70 年代后期水密接插件相繼出現(xiàn)了充油式水密接插件、NAU-TILUS 水密接插件、水下、水上插拔接插件等；隨著水下裝備的大量應(yīng)用，伴隨著應(yīng)用場景的不斷更新，目前，西方國家研制、生產(chǎn)、銷售的水密接插件的著名廠商有30多家，產(chǎn)品系列有 100 多種［6-9］，深海水密接插件技術(shù)逐漸成熟，在諸多深海裝備中得到廣泛的應(yīng)用（如表1 所示），可以滿足全海深各種復(fù)雜工況的需要。 同時，國外結(jié)合深海裝備應(yīng)用，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化方面也開展了大量的工作，多數(shù)產(chǎn)品已可以實(shí)現(xiàn)不同廠商之間的互換替代。 單以Seaconn 公司產(chǎn)品為例，其圍繞深海裝備，已開發(fā)有35 000 余項(xiàng)產(chǎn)品，并可以與Subconn、Impluse 等公司部分通用產(chǎn)品替換使用。

表1 國外深海水密接插件廠商及其應(yīng)用

我國深海技術(shù)發(fā)展起步較晚，深海水密接插件相關(guān)的研究工作受需求、工藝等方面的制約，一直沒有出現(xiàn)較為成熟的產(chǎn)品，與國外發(fā)達(dá)國家差距較大。國內(nèi)海洋科研院所長期依賴進(jìn)口水密接插件，進(jìn)口水密接插件具有訂貨周期長、價格昂貴、不能滿足個性定制等缺點(diǎn)，并且在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的深海水密接插件國外會對我國進(jìn)行限制出口及技術(shù)封鎖。 我國水下接插件的研究最早開始與海洋水下工程方面的需要相關(guān)，隨著“蛟龍”號載人潛水器等深海裝備的成功應(yīng)用，國內(nèi)加強(qiáng)了深海裝備周邊產(chǎn)品的開發(fā)與研制，并陸續(xù)開發(fā)出多種類型的深海水密接插件。國家“十二五”計(jì)劃期間，“863”計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域主題項(xiàng)目“深海通用技術(shù)與產(chǎn)品研制”立項(xiàng)了“深海水密電纜接插件工程化技術(shù)”并通過項(xiàng)目驗(yàn)收，該課題重點(diǎn)解決了深海環(huán)境下橡膠材料、接插件結(jié)構(gòu)與密封以及注膠硫化工藝等關(guān)鍵技術(shù)，完成了系列化設(shè)計(jì)，固化了生產(chǎn)工藝和材料，開發(fā)了14 種深海1 000～7 000 m 水密電纜接插件產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了大深度環(huán)境下的可靠應(yīng)用；中天科技2 000 m 水下插拔連接器項(xiàng)目通過了江蘇省工信廳組織的新產(chǎn)品鑒定，這意味著我國2 000 m 級水下插拔電連接器有望告別國外壟斷［10］；中科院沈陽自動化研究所水下機(jī)器人研究中心研制的各種水密接插件較好地應(yīng)用在深海裝備中；中杭電子YW 系列產(chǎn)品參照國外Seacon 公司產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以與相關(guān)產(chǎn)品有效互換，形成標(biāo)準(zhǔn)系列化產(chǎn)品，并制定了相應(yīng)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)；中國電子科技集團(tuán)公司（第23 研究所）M 系列水密電纜接插件也較好地應(yīng)用在深海裝備領(lǐng)域［11］；圍繞深海裝備的應(yīng)用，國內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)了很多專注深海水密接插件研究及應(yīng)用的科研院所及企業(yè)，國內(nèi)也在逐漸縮小與國外同行業(yè)的差距。

4 深海水密接插件應(yīng)用及展望

我國深海水密接插件使用及應(yīng)用較多，在產(chǎn)品研制及生產(chǎn)領(lǐng)域依舊處于起步階段，與國外差距依然很大，在關(guān)鍵技術(shù)、工藝、可靠性上依然很難達(dá)到深海應(yīng)用需要，國內(nèi)深海水密接插件研發(fā)生產(chǎn)須要從不同方面繼續(xù)努力，方能緊跟深海技術(shù)發(fā)展，不被國外技術(shù)壟斷“卡脖子”。

（1） 建設(shè)深海水密接插件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系。 目前，雖然我國部分研究機(jī)構(gòu)已形成自己的深海水密接插件的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系，但是仍須參照國際標(biāo)準(zhǔn)，形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而集中優(yōu)勢力量，形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，進(jìn)而在深海水密接插件研發(fā)生產(chǎn)領(lǐng)域形成全譜系的產(chǎn)品鏈條［12-13］。

（2） 攻關(guān)大深度深海水密接插件。 我國現(xiàn)有的深海水密接插件在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)有較好的表現(xiàn)，淺海水密接插件已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但是在大深度（1 100～6 000 m）裝備應(yīng)用領(lǐng)域，國產(chǎn)深海水密接插件的穩(wěn)定性及可靠性依舊需要提高，部分重大深海裝備依舊嚴(yán)重依賴進(jìn)口。

（3） 研制特殊性能要求的深海水密接插件。 近年來，隨著封裝、密封、硫化等工藝的進(jìn)步，我國在常規(guī)深海水密電纜研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域也進(jìn)步較快，但是在特殊性能要求的深海水密接插件的研發(fā)生產(chǎn)中依舊與國外存在差距，重點(diǎn)集中在光信號傳輸、高頻信號傳輸、信號傳輸屏蔽、復(fù)合光電等水密接插件領(lǐng)域。 因?yàn)榇祟惍a(chǎn)品需求較少，而國外已有同類型的成熟產(chǎn)品，以至于國內(nèi)需求牽引較小，研發(fā)關(guān)注度低，須要重點(diǎn)關(guān)注［14-17］。

（4） 研制深海濕插拔水密接插件。 近年來，我國在深海裝備方面有了長足的發(fā)展，隨著海洋科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，深海原位探測也將為深?？茖W(xué)研究的一大方向，尤其是可以搭載多種傳感器實(shí)現(xiàn)水下長期駐留，并能進(jìn)行裝備搭停對接的原位中繼技術(shù)將成為裝備應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)之一，而深海帶電濕插拔技術(shù)將成為主要制約因素［18-19］。

5 結(jié) 語

深海裝備依舊在持續(xù)發(fā)展，多裝備融合發(fā)展，不同類型的裝備相互支持和聯(lián)合作業(yè)，支持深海資源和環(huán)境調(diào)查及資源開發(fā)，已成為國際深海運(yùn)載與作業(yè)技術(shù)的發(fā)展趨勢。 新型深海運(yùn)載和作業(yè)平臺將不斷涌現(xiàn)，而且功能不斷地完善，性能不斷地提高，作業(yè)能力不斷地增強(qiáng)，而所有這些功能的優(yōu)化和提升都須要深海水密接插件類型的拓展和性能的提升，水下帶電接駁、近距離無線傳輸、大功率無損配電等方面的拓展都是深海水密接插件研發(fā)與應(yīng)用的重點(diǎn)［20］。