水下承力探测电缆的研制

/湖南华菱线缆股份有限公司 丁炳湘 李华斌 江南工业集团有限公司 朱连香 杨蓓 张公卓 中南大学 陈钰/

0 引言

随着社会经济的进步与发展，对电缆的特种性能要求也越来越多，电缆逐渐向综合化、特种化发展。水下承力探测电缆是我公司根据某武器装备系统的需要而设计、研制的一种水下用探测型电缆[1]，适用于某型号武器系统的点火、信号传输及控制。

1 电缆的设计原理

承重电缆长度为18m，需能承受3500N的拉力，具有结构紧凑、重量轻、纵向水密、柔软特性，根据以上技术指标，设计电缆的拉力由承重绳来决定，防水性能由护套材料决定，因此，承重绳设计是承重电缆的关键，其次是防水护套。

1.1 材料选择

根据电缆要求重量轻、防水、柔软及承受较大拉力的特点，在设计中选用了以下四种材料：高强度纤维芳纶丝、镀银铜线、氟塑料和聚醚型热塑性聚氨酯。

1.1.1 高强度纤维芳纶丝

高强度纤维芳纶丝具有伸长率小，抗拉强度大，不熔化，不助燃，热稳定性佳、重量轻、耐辐射性优和耐腐蚀等优点，早已运用在海底光缆及军用野战光缆上。因此项目组设计选用了进口高强度芳纶丝作为承重电缆的承重绳。

1.1.2 镀银铜线

承重电缆要求柔软、重量轻，外径要求严格，点火线还要承受一定的瞬时电流，因此，尽量减小导体截面而又能满足承重电缆电性能要求成为导体性能设计的主要依据。而同等截面的镀银铜线比纯铜导体电阻小、防腐性能优越，因此项目组设计采用镀银铜线作为承重电缆的导体材料。

1.1.3 氟塑料

氟塑料绝缘性能好、强度高、耐高低温、防腐性能优越，用氟塑料作为导体的绝缘可以适当减小绝缘厚度，并保持电缆的绝缘性能不变。因此设计采用氟塑料作为承重电缆的绝缘层。

1.1.4 聚氨酯

聚氨酯材料在承重电缆中主要是保证电缆的机械物理性能，同时起到防水的作用。聚氨酯材料具有极好的耐磨性，抗拉强度高，耐油性能极佳，耐弯曲疲劳，基本不长霉，且挤出加工性能好等特点，已广泛用于冶金、石油、汽车、选矿、水利、纺织、印刷、医疗、体育等工业部门。聚氨酯材料早已成熟地应用在电线电缆上，本设计采用聚氨酯材料作为承重电缆的防水层。

1.2 结构设计

1.2.1 承重电缆拉断力性能设计

承重电缆承重绳采用的材料是高强度芳纶丝。其技术指标如表1。

根据表1可以得出:单股高强度芳纶丝断裂负荷（拉断力）= 平均抗拉强度*平均线密度 =20*222=4440 cN=44.4N，即每股高强度纤维丝可承受44.4N的拉力，因此选定80股高强度纤维丝即可承受44.4*80=3552N的拉力。考虑到芳纶丝编织过程中的损耗，设计在16锭编织机上编制承重绳，每锭6股，总计16*6=96股，可承受44.4*96=4262.4N的拉力。对设计结果进行了验证，满足整根电缆的拉断力不小于3500N的要求。

编织芳纶绳在拉力作用下会伸长，而导体的断裂伸长率为14%，所以要求芳纶绳伸长率尽量小，以避免在大的拉力下导体拉细甚至断裂，实验对编织角度与伸长率进行了测试，得到编织角度与伸长率关系见图1。

图1 编织角度与伸长率关系

由图1可以看出，芳纶绳的编织角度与其在拉力下的伸长率基本成反比关系，编织角度越大，伸长率越小，考虑到工艺实现，采用75-78度的编织角。

1.2.2 承重电缆导体电阻性能设计

点火线：承重电缆点火线要求电阻不大于1.60Ω/根，考虑到电缆加工过程中各种工艺因数的影响，导体结构采用7根直径为0.2mm的镀银绞合铜线，计算电阻为78.44Ω/km，换算到电缆使用长度上为1.50Ω/根，满足技术要求。

信号线：与点火线相同同。

屏蔽信号线：承重电缆屏蔽信号线要求电阻不大于0.50Ω/根，考虑到电缆加工过程中各种工艺因数的影响，导体结构设计用7根直径为0.12mm的镀银绞合铜线，计算电阻为217.88Ω/km，换算到电缆使用长度上为0.42Ω/根。

表1 高强度芳纶丝主要技术指标

对以上设计结果进行了验证，导体电阻性能满足承重电缆导体20℃时直流电阻的技术要求。

1.2.3 承重电缆绝缘性能设计

承重电缆绝缘材料为氟塑料，氟塑料主要性能如表2：

a) 承重电缆绝缘电阻性能设计

根据表2，氟塑料体积电阻率为1×1016Ω·cm，设计绝缘厚度为0.25mm。

则1米长电缆绝缘电阻

式中：R—绝缘电阻，Ω·cm；

D—绝缘外径，mm；

d—绝缘内径，mm；

L—电缆长度，cm；

换算到电缆使用长度上，绝缘电阻为5.1×105MΩ，对设计结果进行了验证，满足常温下整根电缆内任意一根绝缘线的绝缘电阻不小于20MΩ的技术要求。

b) 承重电缆绝缘耐压设计

绝缘耐压主要也是由绝缘材料的性能决定，根据表2中击穿电压性能，设计绝缘厚度为0.25mm，则绝缘耐压应为0.25*30=7.5kV，工艺规定绝缘厚度最薄值应不小于0.2mm，因此绝缘耐压为6kV，对设计结果进行了验证，满足电缆绝缘能承受工频交流500V/1min电压试验不击穿的要求。

1.2.4 承重电缆水密性能设计

承重电缆在水下使用，必须具备很好的抗水压性能，承重电缆水密性能除与材料性能相关外，其余由加工工艺决定，对于护套防水材料，采用的是聚氨酯材料。聚氨酯材料主要性能如表3。

表2 氟塑料主要性能

表3 聚氨酯材料主要性能

根据表3，设计防水层最小厚度为0.4mm，则聚氨酯防水层抗拉强度为：0.4*25=10MPa，完全可以满足0.5MPa的水压不破裂。初样经客户进行海洋摸底声探测装置试验，密封性能满足电缆水密要求。

1.2.5 承重电缆耐高温性能、耐低温性能、耐高低温冲击性能、耐盐雾性能、耐霉菌性能、使用寿命设计

承重电缆的耐高温性能、耐低温性能、耐高低温冲击性能、耐盐雾性能、耐霉菌性能、仓储寿命等性能属于功能特性，由承重电缆使用的非金属材料性能决定，承重电缆中使用的非金属材料有高强度芳纶丝、氟塑料和聚醚型热塑性聚氨酯三种。

a) 对于高强度芳纶丝

高强度芳纶丝由于其分子链沿长度方向高度取向，并且具有极强的链间结合力，从而赋予这种纤维空前的高强度、高模量和耐高温特性。高强度芳纶丝具有持久的热稳定性和超强的耐辐射性，在-196℃～204℃范围内可长期正常运行，其电气性能与机械性能的有效性可保持15年之久，用50kV的χ射线辐射100h，其纤维强度保持原来的73%，采用高强度芳纶丝作为承重电缆的承力元件，是完全可以满足承重电缆功能特性的。

b) 对于氟塑料

绝缘用氟塑料材料采用的是进口的氟材料，材料性能见表2，这种氟塑料材料已大量用在军用线缆上，氟塑料具有优异的耐高温性能、超乎寻常的热稳定性、良好的机械化学性能以及优异的电气性能，军工行业使用氟塑料作为电线的绝缘材料已有40多年，因此用氟塑料是完全可以满足承重电缆功能特性的。

c) 对于聚醚型热塑性聚氨酯

聚醚型热塑性聚氨酯材料性能见表3，聚氨酯材料在较宽的硬度范围具有较高的弹性，极好的耐磨性，其磨损是在包括橡胶在内的所有弹性体中最小的，同时，它还具有突出的耐臭氧性能。聚氨酯在3%的臭氧浓度中，在20%的拉伸状态下，500h后虽外观有变色，其机械性能基本不变。

2 电缆制作工艺

承重电缆综合起来共有13个技术指标，制作需要经过10个工序，对产品质量影响较大的主要有：拉断力、耐水密性能，这两个技术指标分别在编织承重绳工序、制作扣环工序和挤包内外防水层工序中实现。承重电缆工艺流程如图2。

生产工艺要点：在电缆制作过程中，各工序均需按照既定工艺，着力与工艺要点，确保工序质量，完善产品性能，关键工序要点如下。

图2 承重电缆工艺流程图

导体：要求导体绞合圆整、无跳丝、无断丝，以防刺破绝缘。

扣环编织：芳纶绳与其他设备的连接一直是工业技术中的一个难题，石秀华等采用制作连接器插头的方式，工艺较为复杂，本产品采用人工的方式，将编织状的芳纶绳两端织成环形，通过一个刚性的连接销使其与连接器连接，在安装时只要将刚性连接销穿过芳纶绳两端织成环形孔即可实现芳纶与连接器的连接，既省时又省力，是一个纯机械的连接方式，不会对芳纶纤维造成任何损伤，解决了承重绳与电缆两端的连接工艺技术难题。

外防水层：因电缆长度为18m，在外防水层挤出时，为满足连续挤出，将已分开并完成编织扣环的半成品串联起来，然后连续挤出外防水层。

3 电缆性能

经制作后的电缆，检测主要技术指标如下：

A、拉断力：整根电缆的拉断力不小于3500N。

B、绝缘电阻

常温下，整根电缆内任意一根绝缘线的绝缘电阻应不小于20MΩ。

C、导体20℃时直流电阻：

点火线：不大于1.60Ω/根。

控制线：不大于0.20Ω/根。

信号屏蔽线：不大于0.50Ω/根。

D、绝缘耐压

整根电缆内所有绝缘能承受工频交流500V/1min电压试验不击穿。

E、耐水密性能

整根电缆安装换能器后，在0.5MPa的水压下，保持5min不渗漏。

F、耐高温性能

整根电缆在+65℃±2℃的条件下保持2h，无物理损伤，并满足1、2、4条的要求。

G、耐低温性能

整根电缆在-28℃±2℃的条件下保持2h，无物理损伤，并满足1、2、4条的要求。

H、耐高低温冲击性能

整根电缆在+65℃±2℃条件下保持4h，然后在-28℃±2℃条件下保持4h，循环三次，无物理损伤，并满足1、2、4条的要求。

I、耐浸渍性能

整根电缆（结合换能器）在常温下浸入1m深的水中，保持2h，电缆两端应无滴水现象，并满足1、2、4条的要求。

J、 耐盐雾性能

整根电缆连续喷盐雾48h后，无物理损伤，并满足1、2、4条的要求。

K、耐霉菌性能

整根电缆经霉菌试验后，试样表面长霉程度符合GJB 150.10-86标准中2级规定，无物理损伤，并满足1、2、4条的要求。

L、结构及外形尺寸

该电缆结构尺寸如图3

如图3中所示，两芯端结构：由承重绳、2根点火线及内防水层组成，端头2根点火线露出长度不小于200mm。

六芯端结构：由两芯端、3根控制线、1根信号屏蔽线及外防水层组成，3根控制线和1根信号屏蔽线应并排紧密绕在两芯端的内防水层上，端头2根点火线，3根控制线、1根信号屏蔽线露出长度不小于200mm。

在两芯端与六芯端交会处，3根控制线、1根信号线露出长度不小于80mm。

M、仓储寿命

在标准军用仓库的条件下保存时间不小于12年。

图3 水下承力探测电缆结构图

N、适用环境范围：-28℃～+65℃。

4 结论

（1）研制了一种总长度18m、承载力3500N以上的承重电缆，该电缆由内防水层和外防水层组成，内防水层包括一根承力元件，两根绝缘线芯，它与外防水层一端结合成梯形接线端；外防水层包括均布于内防水层外的三根绝缘线芯及一根信号线，它与外防水层另一端的内防水层端结合成平齐接线端。

（2）选用芳纶纤维并采用编织方式结成绳状作为承重材料，代替普通绞合的钢丝绳承重，使电缆具有抗拉强度高、柔软性佳、重量轻、耐候性能好等特点。

（3）将编织状的高强度纤维绳两端织成环形，通过人工的方式，发明了一种将编织状的高强度纤维绳两端织成环形的方法，解决了承重绳与电缆两端的连接工艺技术难题。

（4）将整根电缆做独特的成阶梯型，在电缆中间部位安装换能器元件时，无需将电缆剪断，保证了电缆的特性。同时，采用先剪断再连接的方法，实现了短段电缆的连续挤出。

[1] 丁炳湘,崔斌,杨蓓等.中国.水下承力探测电缆.[P]. ZL200810031708.8,2008.

[2] 徐应麟等.电线电缆手册[M]. 机械工业出版社(第二版),2002,319-322.

[3] GB/T 9330-2008 塑料绝缘控制电缆. [S]. 中国国家标准化管理委员会,2008.

[4] GB/T 5023-2008 额定电压450/750V及以下聚氯乙烯绝缘电缆. [S]. 中国国家标准化管理委员会,2008.

[5] 石秀华,孙武斌,李增楠等.承力芳纶电缆连接器技术研究. [J]. 机械设计1997,22-23.