趙 靜， 繆小明， 繆 斌， 譚 楓

（江蘇中天科技股份有限公司，南通 226463）

0 引 言

隨著我國(guó)國(guó)防力量的不斷加強(qiáng)和海洋經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，各類(lèi)海洋裝備的需求也不斷擴(kuò)大，對(duì)其配套設(shè)備和材料的性能要求也越來(lái)越高。 通信用水密光纜廣泛應(yīng)用于潛艇、航母、軍艦、載人潛水器等軍用領(lǐng)域，也應(yīng)用于隧道、水底監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、船舶、水上發(fā)電場(chǎng)、水上平臺(tái)通信等民用領(lǐng)域［1］。 根據(jù)水下裝備用光纜的應(yīng)用環(huán)境，水密光纜須滿足較高的機(jī)械強(qiáng)度，全截面阻水，適應(yīng)狹小設(shè)備空間的同時(shí)又能有效防止動(dòng)物啃咬破壞，在水下環(huán)境中能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。

本工作開(kāi)發(fā)了一種6 芯水密鎧裝光纜，通過(guò)對(duì)光纜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和阻水工藝的研究，滿足4.5 MPa縱向水密性能，提高光纜在水下和艙內(nèi)浸水敷設(shè)環(huán)境中的性能穩(wěn)定性及使用壽命。

1 設(shè)計(jì)與制造

1.1 光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水密性能包括縱向水密和徑向水密兩個(gè)方面，通常光纜的縱向水密性能，即衡量水下用光纜在遇到外物破壞或長(zhǎng)時(shí)間的摩擦導(dǎo)致外護(hù)套破裂時(shí)，阻止水進(jìn)入光纜內(nèi)部及沿光纜軸向滲透進(jìn)設(shè)備儀器的能力［2］。 本工作設(shè)計(jì)的光纜要求在承受縱向4.5 MPa靜水壓下，纜芯不會(huì)發(fā)生明顯滑移，且光纜端面無(wú)水滲出。

根據(jù)GJB 1428B—2009《光纜通用規(guī)范》［3］、MIL-DTL-24643C：2009《艦船用低煙無(wú)鹵電纜通用規(guī)范》［4］，及客戶的實(shí)際應(yīng)用需求，本工作設(shè)計(jì)的6 芯水密鎧裝光纜結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

水密光纜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

（1）通過(guò)在光纜縫隙填充阻水膏，在承受縱向4.5 MPa 靜水壓下，有效地阻止水分向光纜內(nèi)部縱向滲透，同時(shí)光纜端面任何元件相對(duì)護(hù)套的位移不大于6.4 mm。

（2）采用耐水解、耐腐蝕、耐磨損的聚醚類(lèi)阻燃型聚氨酯雙護(hù)套，結(jié)合柔性鋼管鎧裝與金屬編織鎧裝的雙鎧裝設(shè)計(jì)，提高光纜的柔軟性和抗側(cè)壓能力，確保光纜徑向耐水壓能力。

（3）滿足8 倍纜徑的最小彎曲直徑，且具有防動(dòng)物啃咬、耐磨損、耐油、耐鹽、阻燃等性能，保證光纜在惡劣敷設(shè)環(huán)境中的性能穩(wěn)定性和使用壽命。

1.1.1 光單元設(shè)計(jì)

本工作采用G.657.A2 彎曲不敏感單模光纖，制成尼龍緊包光纖，提高光纖的抗沖擊性能和耐化學(xué)性能；同時(shí)在6 根緊包光纖與中心加強(qiáng)件纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料（FRP）之間填充一種阻水膏，采用聚氨酯內(nèi)護(hù)套對(duì)緊包纖單元進(jìn)行擠塑包覆，使得結(jié)構(gòu)緊密無(wú)縫隙，提高光單元的水密性能。 該結(jié)構(gòu)的光單元，具有較好的柔軟性和彎曲性能，適合艙內(nèi)狹小工作環(huán)境中的光纜敷設(shè)，可保證光纜的傳輸性能。

1.1.2 鎧裝層設(shè)計(jì)

為了滿足光纜的抗側(cè)壓、抗拉和彎曲性能，本工作設(shè)計(jì)了內(nèi)層柔性鋼管鎧裝與外層鍍鋅鋼絲編織鎧裝相結(jié)合的鎧裝層結(jié)構(gòu)。 內(nèi)層螺旋繞制的柔性鋼管鎧裝層，其抗壓性能優(yōu)于金屬?gòu)?fù)合帶鎧裝，彎曲性能也優(yōu)于多根平行鋼絲鎧裝結(jié)構(gòu)；外層的鍍鋅鋼絲編織層，編織覆蓋率不小于88%，提高了光纜的抗拉性能，還能有效地防止魚(yú)類(lèi)和嚙齒類(lèi)動(dòng)物的啃咬。

1.2 光纜制造工藝

根據(jù)6 芯水密鎧裝光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要生產(chǎn)工藝包括：①尼龍緊包光纖生產(chǎn)；②光單元成纜擠制內(nèi)護(hù)套；③柔性鋼管鎧裝及編織鎧裝；④聚氨酯外護(hù)套生產(chǎn)。 為了確保光纜的水密性能，光纜生產(chǎn)過(guò)程中阻水工藝的控制是關(guān)鍵。

1.2.1 光單元制造工藝

光單元制造工藝流程見(jiàn)圖2。

光單元制造工藝要點(diǎn)包括：①在緊包光纖生產(chǎn)時(shí)對(duì)緊包層與光纖之間的空隙進(jìn)行抽真空處理，使聚酰胺緊包層能夠緊密包覆光纖，達(dá)到緊包光纖的水密效果；②在緊包光纖和中心加強(qiáng)件絞合的縫隙填滿阻水材料，保證整個(gè)光單元的阻水性能。

1.2.2 鎧裝及護(hù)套工藝

鎧裝及護(hù)套工藝流程見(jiàn)圖3。

鎧裝及護(hù)套工藝控制要點(diǎn)是分別在柔性鋼管鎧裝層縫隙和金屬絲編織鎧裝后的纜芯單元外填充阻水材料，從而保證光纜全截面的阻水性能。

2 阻水工藝

2.1 阻水材料

常見(jiàn)的水密纜用阻水填充膏有3 種類(lèi)型［5］，分別為吸水膨脹型阻水填充膠、半固化型阻水填充膠、密封抗水型阻水填充膠。 本工作分別選用了吸水膨脹型阻水膏（樣品A）、半固化型阻水膏（樣品B）和密封抗水型阻水膏（樣品C）3 種阻水材料在25 ℃下進(jìn)行試驗(yàn)，其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 阻水膏性能參數(shù)

3 種阻水膏都具有優(yōu)異的觸變性和室溫冷填充性能，固化后無(wú)收縮，具有耐水壓沖擊、不黏手、易剝離、柔韌性好，可以與聚酰胺纖維、聚氨酯材料、不銹鋼絲黏合，與光纜材料相容性良好等特點(diǎn)，但存在以下幾點(diǎn)差異：①?gòu)牟牧项?lèi)型上分析，樣品A、樣品B兩種阻水膏均為雙組分室溫交聯(lián)型阻水膏；樣品C阻水膏為單組分室溫硫化硅橡膠。 ②從填充工藝上分析，樣品A、樣品B 阻水膏都需要將雙組份按一定比例混合均勻，混合后剪切強(qiáng)度小、錐入度大，適合直接涂覆或壓力填充；樣品C 阻水膏剪切強(qiáng)度大，不合適直接涂敷，需要壓力填充。 ③從固化后性能特點(diǎn)上分析，樣品A 具有吸水膨脹能力，黏附性最好；樣品B 質(zhì)地柔軟，在高水壓下易發(fā)生形變，黏附性最差；樣品C 表面固化快，但是內(nèi)部完全固化比樣品A、樣品B 慢，使用時(shí)可以添置一個(gè)加熱裝置加速阻水膏固化進(jìn)程。

2.2 填充工藝

傳統(tǒng)的水密纜阻水膏填充工藝一般是將阻水膏直接涂敷在纜芯表面，或者將纜芯穿過(guò)一個(gè)裝有阻水膏的容器，通過(guò)手動(dòng)施加壓力實(shí)現(xiàn)阻水膏填充，簡(jiǎn)易裝置示意見(jiàn)圖4。

圖4 傳統(tǒng)的阻水膏手動(dòng)填充裝置示意圖

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，容易出現(xiàn)以下問(wèn)題：①阻水材料填充不充分，容易出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，耐水壓等級(jí)??；②擠制護(hù)套時(shí)，表面多余阻水材料易阻塞模具；③間接提高了材料和人工成本。

基于以上原因，本工作開(kāi)發(fā)了一種阻水膏自動(dòng)填充工藝，設(shè)計(jì)了一套氣動(dòng)壓力填充裝置，該裝置示意圖見(jiàn)圖5。 在纜芯絞合處采用了一個(gè)帶孔的注膠并線模，方便插入注膠閥的槍嘴；通過(guò)氣壓調(diào)節(jié)出膏速率，保證阻水膏在一定壓力下完全填充在纜芯縫隙中；然后通過(guò)一個(gè)尺寸合適的過(guò)線模將表面多余的阻水膏去除。 該填充工藝自動(dòng)化程度高，能精確控制填充量，保證阻水材料充分填充且均勻穩(wěn)定，更適合工業(yè)化生產(chǎn)，能有效地解決手動(dòng)填充工藝存在的問(wèn)題。

圖5 氣動(dòng)壓力填充裝置示意圖

3 性能測(cè)試

3.1 水密性能

本工作分別選用了樣品A、樣品B、樣品C 3 種類(lèi)型阻水膏，采用阻水膏自動(dòng)填充工藝，制備了6 芯水密鎧裝光纜。 參照GJB 1916—1994《艦船用低煙電纜和軟線通用規(guī)范》［6］對(duì)光纜的縱向水密性進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件為試樣長(zhǎng)度1.5 m、壓力4.5 MPa、時(shí)間6 h，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。 由表2 可以看出，填充樣品B 阻水膏的光纜光單元存在位移且自由端出現(xiàn)漏水，無(wú)法滿足耐4.5 MPa 縱向水密性能要求纜芯端面不漏水的設(shè)計(jì)要求。 因此，在水密光纜的阻水材料選擇上，一般選用吸水膨脹型阻水填充膠或密封抗水型阻水填充膠；而半固化型阻水填充膠固化后呈凝膠狀，質(zhì)地柔軟，黏附力差，在較高水壓下不能起到很好的阻水作用，可導(dǎo)致光纜出現(xiàn)滲水。

表2 6 芯水密鎧裝光纜水密性能檢測(cè)

3.2 其他主要性能

根據(jù)光纜的縱向水密性能測(cè)試結(jié)果，參照GJB 1428B—2009《光纜通用規(guī)范》分別對(duì)填充阻水膏樣品A 和樣品C 的6 芯水密鎧裝光纜的傳輸、機(jī)械和環(huán)境性能進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，主要性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3～表6。

表3 光纜傳輸性能試驗(yàn)結(jié)果

表4 光纜拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

表5 光纜抗側(cè)壓性能試驗(yàn)結(jié)果

表6 光纜溫度循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3～表6 可知：分別采用樣品A、樣品C 兩種阻水膏的6 芯水密鎧裝光纜滿足4.5 MPa 縱向水密的同時(shí)，主要性能指標(biāo)均滿足GJB 1428B—2009《光纜通用規(guī)范》要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本工作采用內(nèi)層柔性鋼管鎧裝、外層不銹鋼絲編織，以及聚氨酯雙護(hù)套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研發(fā)了一種6 芯水密鎧裝光纜。 通過(guò)不同阻水填充材料選型及一種自動(dòng)填充工藝研究，保證了光單元在絞合成纜和金屬鎧裝、編織工藝中的阻水密封性。 為水密光纜的設(shè)計(jì)制造及阻水工藝研究提供經(jīng)驗(yàn)參考。