水下系留光电组件可靠性分析
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摘要：分析表明水下光电组件应具有耐压、重量轻、防海水渗透与腐蚀等特点，并在复杂深海水环境中具有可靠的工作能力，其水密和系留强度的可靠性，直接影响到其适应海洋、海底复杂环境的能力，同时决定其使用寿命。水下光电组件是信号、动力传输通道，对前端探测仪器装置具有系留和收放的作用。根据用户需要传输的动力、信号、具体应用环境和使用要求来选择适当的载体、材料和设计结构，有利于最大程度满足用户的应用需求。
关键词：水下光电组件；水密可靠性；系留强度可靠性；载体；材料；设计结构
1 概述
随着我国海洋资源开发力度不断加大，海事活动的日趋频繁，水下探测器、水下机器人、水下采矿机、水下地球化学分析仪、潜水器等遥控设备在海洋探测、侦查、打捞、采矿、水下搜索检查以及海底电缆光缆管道的监测等活动中越来越频繁地使用。这些设备仪器在水下的活动不仅需要一定的电力供应，而且还要不断接收岸上或水上舰船指挥平台的指令，并将水下的探测信息和图像反馈到指挥中心，因此，通常采用水下连接器将一根系留缆绳或光电复合缆与相应的测试仪器连接起来，也就是所说的水下光电组件。这类水下光电组件不仅是信号、动力传输通道部分，也对前端探测仪器装置起着系留、收放的作用，因此这类光电组件的可靠性直接关系着水下探测系统的运行和安全，下面我们从几个方面讨论一下影响水下光电组件可靠性因素。
2 水下光电组件可靠性
（1）水下光电组件
水下光电组件主要由插头（座）、传输光电缆组成，如图1所示：
组件插头连接在传输光电缆一端，插座连接在仪器或相应装置耐压壳体上，由光电缆将前端探测扫描的各种图像信息传输到控制指挥中心，供指挥中心计算机处理分析。针对实际应用环境，光电缆组件应具有耐压、重量轻、防海水渗透与腐蚀等特点，应具有在复杂深海水环境中可靠的工作能力，插座以及配插插头后均具有耐静水压的能力等。
（2）水下光电组件水密可靠性
组件的水密可靠性，即是在长期承受水下实际使用环境中各种因素影响后的可靠性。根据水密组件应用的环境条件、贮存、寿命等要求，在应用中可能出现的失效是光电缆组件经过多次压力循环后，包括多次应用和长期老化后，则密封部位就有可能松动，造成组件渗水。水下光电组件为了达到密封的要求，采用多种、多层组合密封结构设计方案。外壳采用钛合金，防海水腐蚀，插头外壳体连接处采用螺纹密封胶与O型圈组合密封；插头、插座连接处采用轴向和径向两种O型圈密封方式；缆与壳体之间采用橡胶垫密封和硫化尾套密封。每种密封均要求具有优良的耐环境性能，如温度冲击、高温、低温、冲击、振动等等。
O形圈密封接触应力近似抛物线分布，如图2所示：
当O形圈的最大接触压力高于流体压力时，即可达到自身密封效果，但并不是越紧越好，如果接触压力超过密封圈自身最大接触应力，则反而会降低密封效果。
光电组件在装配过程中，施加到连接器密封圈压塞上的接触压力取决于我们紧固螺纹的程度。可以通过设计O形圈尺寸和连接器安装尺寸来调节在紧固螺纹时O形圈尺寸变形尺寸，一般在15％到30％之间，以保证密封圈压塞上能有一定接触压力，来达到密封效果。但这种操作经验性很重要，即要使O形圈受力达到一定变形，也不能用力过度，使得O形圈受力过大损坏，甚至连接器自身变形，降低机械性能。
对于硫化尾套密封措施来说，主要考虑光电缆表面护套与硫化胶之间的密封配合问题。光电缆护套材料的选择有多种，较常用的有聚氨酯、PVC弹性体、丁晴橡胶和聚乙烯护套等，这些材料性能各有特点：聚氨酯耐磨性、回弹性好、价格较高。PVC弹性体柔软性好，但耐磨性差。丁晴复合物材料硬度介于前两者之间，但耐侯性差。聚乙烯护套硬度大，柔软性差，耐磨性差。
针对不同光电缆护套材料，应选择不同弹性的硫化尾套橡胶材料，兼顾柔软性和耐磨性，尽量和护套匹配。
最后一点是保证缆芯的圆整，这也影响到组件的装配和密封。根据水下系留光电缆使用环境的特点，在结构设计中要保证：
结构紧凑、圆整，要具有足够的抗拉强度；
要具备良好的柔软性和弯曲性；
要具有足够的抗挤压能力；
外护结构要具有耐磨性、防水和耐海水腐蚀特性。
根据以往的设计经验，在缆芯绞合过程中调节各个子单元的放线张力和绞合节距，使绞合紧密圆整，选择合适护套材料，在保证线缆各项机械性能的基础上尽可能地增加护层厚度，则有利于缆芯圆整和组件密封。
另外光电组件在工作条件下，如果要承受长期的振动和压力变化，其紧固部位和密封元件可能松动，产生不可靠因素。
因此在较深水下应用，应采用多种密封形式叠加密封，使密封单元要求达到系统并联的效果，以增强整个连接器系统的密封可靠性。
按照组件是否可拆装要求，可选择不同种类密封剂应用在不同部位。
采取上述密封措施，经过对样品进行多次水密试验，证明其密封可靠性很好。
（3）水下光电组件系留强度可靠性
一般系留光电复合缆常用芳纶做为加强材料，芳纶纤维质地轻柔，非常适合系留光电复合缆作为加强材料。在弯曲半径允许的条件下，也可采用细圆高强度钢丝作为加强材料，尽可能设计为两层反螺旋绞合结构，保证复合缆在所有负荷下扭矩的平衡，以防止探测设备在收放过程中旋转。
采用芳纶做为加强材料，在与连接器连接时，通常是将其与连接器抗拉部件粘接。
由于芳纶本身存在的延伸率以及在生产中将其以一定的节距绞合在束管外的结构等特性，光电复合缆承载后外护套和芳纶增强层将相应增长，如果连接器内部的光纤及电线在粘接过程中保留的余长不足，将导致缆和连接器内部的光纤及电导线拉应力增加，造成光纤附加损耗增大。
连接器采用双锥形粘接结构设计，通过预紧拉伸粘接的方法，不仅可以保证缆不会拉脱，同时还可以减小芳纶受拉后的延伸，再通过连接器内部的光纤、电线余长对拉力产生的延伸进行补偿，实现大拉力下的低插入损耗、低接触电阻的连接。双锥形粘接结构利用锥形角的自锁原理，在外力的作用下，外壳、芳纶和粘接芯体将会越拉越紧，芳纶丝不会受拉滑脱。同时用专用粘接胶填充三者之间的间隙，杜绝金属零件加工误差造成芳纶丝夹紧不充分的现象。所采用的专用粘接胶抗剪切性能优良，剪切强度超过20MPa以上，同时将芳纶丝的粘接长度适当加长，采用适当的间隙配合将芳纶丝均布粘接于金属外壳中的内孔面上，提高粘接强度。双锥形粘接结构具有结构简单、紧凑连接器等特点，有利于缩小连接器的外径尺寸，其位置设计于壳体内孔处，则与壳体外圆上的螺纹、密封槽处于不同的空间层面，本身不会增加接头的长度尺寸。
采用上述方法，芳纶纤维纱的强度利用率在70%左右，选择合适强度的系留缆，可以保证接头在承受大拉力载荷后密封性能也不会降低。
采用细圆高强度钢丝作为加强材料，在与连接器连接时，通常是采用一种内外圆锥结构，其锥角相同且小于自锁角，利用内外圆锥夹紧后的自锁性及摩擦力固定钢丝。采用这种方法，连接部位强度可达到缆的90%的抗拉强度。
3 结束语
由于海洋系留探测装置的多样化、使用环境的复杂性，因此在水下系留光电组件设计时一定要和用户充分交流，针对用户需要传输的动力、信号来选择适当的载体和材料，再根据具体应用环境和使用要求来设计结构，才能最大程度上满足用户的应用需要。以上只是作一简单的总结，由于能力有限，疏漏之处在所难免，希望得到同行专家的批评指正。