舰船用纵向水密电缆关键性能及测试方法研究

李永江

(南京全信传输科技股份有限公司， 南京 211113)

0 引 言

舰船用纵向水密电缆因使用场合的特殊性，需确保基于应用环境的产品性能可靠性[1]。但现有的相关标准中关于纵向水密电缆的关键性能试验项目和试验方法的规定不够细化，甚至存在缺失，无法准确反映实际工况的需求。因此，有必要对国内外军用标准和行业标准进行比较分析，开展舰船用纵向水密电缆可靠性试验研究。本工作探讨相关标准，就舰船用纵向水密电缆的试验项目和试验方法的差异与不足，结合舰船实际工况需求，给出舰船用纵向水密电缆的可靠性试验建议，供行业参考。

1 水下舰船对水密电缆密封性能的本质需求

水下舰船对水密电缆的密封性能需求在不同阶段有本质的不同，主要包括船舶建造时、正常工况下和事故工况下3种情况。

1.1 舰船建造时

舰船在建造完毕时需验证整体舱室的密封效果，进行气密试验。因穿舱缆已敷设完成，与水密舱室构为一体，密封验证需将其包含在内。此时，要求电缆具备纵向气密性能，否则须对电缆进行特殊密封处理，确认其端头完全密封后再进行舱室密封验证，以避免舱室气密缺陷无法及时确认。基于提高建造施工效果验证效率，客户会对纵向水密电缆提出纵向气密性能要求。

1.2 正常工况下

船舶交付后，正常工况下电缆端部与水密连接器密封良好，电缆内部实际构成类似密闭空间。舰船在上浮、下潜作业时，外部水压会对舱外电缆形成径向作用力，此时主要是电缆的横向密封起作用，避免高压水从电缆护套外进入电缆内部，影响绝缘，进而影响绝缘电阻和耐电压性能。可通过考核材料吸水性能和成品承压后横向水密及绝缘性能，确定产品性能的优劣。

1.3 事故工况下

事故工况下，电缆护套或端部一般已发生损坏，造成水直接作用于电缆内部，为避免水沿电缆纵向长度延伸渗透进入船舱内，需要依靠纵向水密性能为救援赢取时间。比如处在深海的潜艇受到外界攻击或发生故障，事故区域的电缆外护套破损甚至伤及电缆内部结构时，高压海水直接作用于电缆内部结构元件，若其他结构元件相对于护套发生位移，且当位移达到一定数值时，便可能穿透水密填料函造成水密隔舱失效。因此，可通过考核端头渗水及位移指标确定产品的水压开端性能(即电缆承受高压水时的纵向水密性能)。

2 舰船纵向水密电缆关键性能及标准比较

目前涉及纵向舰船用水密电缆的标准主要有：国内军用标准GJB 774A—2020、GJB 1916—1994、GJB 774—1989和行业标准CB 1157—1986、CB 1158—1986；美国军用标准MIL-DTL-24643C：2011、MIL-DTL-24640C：2011和MIL-DTL-915G：2002等3个通用规范及相关单篇规范；德国军用标准VG95218-2：2017和VG95218-29：2020；英国军用标准DEF STAN02-517：2008 PART 1；俄罗斯标准GOST20.57.406-81[2-13]。此外，电线电缆手册、用户技术条件中也有水密电缆的相关描述。相关标准、规范和文献对水密电缆提出的技术指标、试验项目、试验方法等各有不同。

2.1 静态纵向水密

2.1.1 试验方法比较

静态纵向水密性能也称为静水压力密封性能，其试验结果除受产品的固有质量影响外，还与试验方法有关，如样品长度、布置、升降压速度、保压时间等。目前主要的电缆纵向水密试验方法比较见表1。我国军用标准等同采纳美国军用标准试验方法，分为水密性试验和水压开端试验。其中，水密性试验用于低压水，针对水面舰船。

表1 静态纵向水密试验方法比较

目前行业内所说的纵向水密电缆主要指针对水下舰船的可承受高压水的纵向水密电缆，对应的测试方法是水压开端试验。我国目前并无有效的国家军用标准单篇规范，高压水密性能多为制造厂根据用户使用需求在企业标准中进行规定，包括时间和压力。

表1(续)

从表1可以看出，各标准规定的试验方法各有不同，或存有不足。其中，我国军用标准和美国军用标准均未规定水压罐内试样长度、升压速度，未考虑其可能对试验结果的产生影响。德国军用标准、英国军用标准和俄罗斯标准则未规定取样端头截取方法。针对水下舰船，所有标准均未明确采取海水介质，未考虑海水可能对水密性能的影响。此外，已有标准规定的均为静态水压测试，实际舰船在航行过程中存在上浮下潜，因此有必要考虑动态水压下电缆的纵向水密性能，即循环水压纵向水密性能。

2.1.2 水压罐内长度影响

根据前期开展的相关试验，选取不同的样品，在按GJB 774A—2020规定的水压开端测试方法操作基础上，将水压罐内的试样长度分别设置为不同的值进行试验，结果显示：测试时罐内的试样长度越短，越容易出现电缆自由端渗水现象。说明在其他条件相同的情况下，罐内的试样长度越短，水的延伸越长，试验环境越严苛。其原因在于如果罐体内的试样长度较长，其在承压试验时，除电缆端头承受纵向水压外，罐内试样的护套还会承受径向水压力。若电缆内部密封填充欠均存在空隙时，径向压力可能会压缩电缆，发生形变，缩小空隙，从而助力纵向密封性能。

2.1.3 海水影响及介质配比

已有的大量研究结果表明，对于常用的遇水膨胀阻水材料而言，海水中的金属盐离子会造成其膨胀速率和膨胀高度下降，进而影响实际工况下电缆的纵向阻水效果[2,10-12,14-17]。因此，高压水纵向密封电缆应尽可能选择耐海水腐蚀阻水带材。海水介质应尽可能采取标准实验室海水替代溶液，即含盐量3%～5%的盐溶液。国内外标准中涉及实验室海水替代溶液的主要有ASTM D 1141-98(R2021)、DIN 50905-4—2018和IEEE Std 1580—2010等[18-20]。3个标准规定的海水替代溶液成分构成如下。

(1) ASTM D 1141-98(R2021)。

ASTM D 1141-98(R2021)通过在8～9 L水中溶解245.34 g NaCl和40.94 g Na2SO4，然后加入200 mL的1号原液化学成分及浓度见表2和100 mL的2号原液化学成分及其浓度见表3，稀释至10 L，最后再滴入几毫升的0.1 N的NaOH溶液，将其pH调节至8.2，最终的海水替代溶液化学成分构成见表4，其中前4种化合物的合计质量浓度为35 g·L-1。表2中该海水替代溶液氯含量为19.38 g·L-1。pH为8.2。

表2 ASTM D1141-98(R2021) 1号原液化学成分构成

表3 ASTM D1141-98(R2021) 2号原液化学成分构成

表4 ASTM D1141-98(R2021)海水替代溶液化学成分构成

(2) DIN 50905-4—2018。

该标准规定的人工海水制备程序为：将表5中标记为A的化合物溶于885 mL去离子水中，制成溶液1；将标记为B的化合物溶于100 mL去离子水中，制成溶液2。将溶液2倒入溶液1，静止一天，去掉杂质，滴入NaOH溶液，调节pH为7～8，前4种化合物的合计质量浓度为42 g·L-1。

表5 DIN 50905-4—2018人工海水溶液化学成分构成

(3) IEEE Std 1580—2010。

该标准采用的NaCl溶液含盐(NaCl)质量浓度为200 g·L-1，采取人为加大浓度、提高温度、缩短时间的加严测试方法，不具备自然海水的模拟性。

各产品详细标准对海水替代溶液的采纳情况：美国军用标准MIL-DTL-24643C：2011采标ASTM D 1141-98(R2021)，德军标VG 95218-2:2017采标DIN 50905-4—2018，IEEE Std 1580—2010针对民品船用和海洋工程用电缆自行规定了浓度要求。我国军用标准GJB 774—1989规定的盐水溶液含盐(NaCl)质量浓度为(30±2.5)g·L-1；GJB774A—2020提出要采取海水替代溶液，但未给出成分要求。报批的GJB 1916A给出了海水替代溶液制作方法，但规定不完整，只给出了pH为8.2，未给出成分构成。由于GJB 1916A基本采用MIL-DTL-24643C：2011，因此可知其实际要求同MIL-DTL-24643C：2011，成分配比可以采用ASTM D 1141-98(R2021)。此外，用户对消磁电缆提出的耐海水性能的试验溶液实际采标也是ASTM D 1411-98(R2021)。

通过对比可知，除IEEE Std 1580—2010外，已有国内外标准和用户技术要求中规定的海水替代溶液中前4种主要化学成分(NaCl、MgCl2、Na2SO4、CaCl2)的质量浓度合计约为(35～42) g·L-1(其中以NaCl为主，兼顾其他金属离子)，这与自然海水中一般(30～50) g·L-1的含盐量基本吻合。因此，耐海水测试中经常采用该浓度的溶液，但溶质存在两种情况：①采用NaCl、MgCl2、Na2SO4、CaCl2的混合物；②只采用NaCl，且其更普遍。根据实际情况，产品的鉴定检验推荐采用混合溶质，材料入厂检验可采用纯NaCl溶液。

2.2 动态纵向水密

动态纵向水密的目的是模拟水下船只反复上浮、下潜作业时电缆的纵向水密可靠性。目前的电缆标准中尚无相应的试验方法。

虽然标准无规定，但动态水密有着重要的现实意义。可以将标准中规定的循环水压试验和静态纵向水密试验方法相结合，延伸出试验操作：即在原水压开端试验的基础上，通过反复升压、保压、降压的压力循环后，确定电缆的纵向水密性能和护套相对位移情况，而非确定绝缘电阻(因为高压水密试验时试样一端在压力容器外，一端在压力容器内，内端弯曲遇水接触)。具体升压数值、循环次数等可根据装备的实际需求确定。

2.3 静态横向水密

电缆的静态横向水密性能考核的是正常工况下电缆所具备的承受确定径向压力的阻水性能，避免水从电缆护套表面渗入电缆内部乃至导体，进而影响电缆性能。横向水密主要依靠材料的吸水性能和结构设计实现。相关的国内外标准CB 1157—1986、CB 1158—1986、VG 95218-2—2017以及行业用户技术条件等规定中有相关的试验方法，但多适合测试用于恒定深度或压力下的产品。具体方法比较见表6。

由表6可知，已有标准规定的静态横向水密测试程序基本相同，即将电缆置于水压容器内，电缆两个端头通过密封填料函伸出容器外，然后对容器施加规定压力并保持规定时间。但各标准对试样的预处理和承压后的考核不同，电缆敷设安装时一般需进行弯曲操作，而横向水密性能则是固定敷设后电缆在实际工况下的要求。预处理弯曲相当于敷设中可能遇到的弯曲，因此，进行横向水密性能测试时对试样进行弯曲预处理有重要意义。

表6 静态横向水密试验方法比较

目前的横向水密考核要求分为两种(非同时考核)：两端头不滴水或测试绝缘电阻。从实际工况角度出发，这两项指标均有考核必要。因为水一旦透过护套进入电缆内部，如果绝缘防水性差，即便端头不滴水，也极有可能造成绝缘电阻大幅度下降，存在安全隐患。同时，如果在内部水沿电缆轴向延伸至端头，则可能会导致端部连接装置失效，影响系统。此外，经受横向压力后，还应考虑电缆的耐电压性能，其同样涉及安全问题。

因此，应对横向水密试验方法和考核指标进行优化，试样放入水压容器前先进行弯曲预处理，弯曲半径按照电缆的最小允许弯曲半径，弯曲次数可参照CB 1157—1986，取双向180°弯曲10次，或按客户要求，水压承压完成后端头应不滴水，并进行耐电压和绝缘电阻测试。

2.4 动态横向水密

已有标准规定的试验方法主要针对静态横向水密性能测试。尽管CB 1157—1986等标准在横向水密试验前会进行弯曲处理，但其本质仍为静态试验。这与水下船只的实际工况对电缆的径向阻水需求有很大的偏差。对于水下船只而言，正常工况下电缆的动态横向水密性能更加重要。

国家军用标准GJB 774—1989基本翻译采用MIL-C-915F:1989[22]，其中曾提出本质为动态横向水密的循环水压试验，规定取样(18±3)m成品置于水压容器，由于实际操作性较差，且未考虑可能存在的弯曲影响，GJB 774A—2020将该试验删除了。虽然如此，其仍可为制定切实可行的动态横向水密试验方法提供借鉴。

动态横向水密性能包括两层含义：①电缆在实际工况下遭受径向压力时可能会存在弯曲，因此，横向水密试验前应先对电缆进行弯曲处理；②船只作业深度变化时会导致电缆承受的径向压力变化，因此，横向水密试验还应采取循环水压作用于护套。

2.5 耐海水

不管是军品舰船电缆还是民品船用电缆，凡是长时间接触海水的电缆均应考虑耐海水性能，以确保电缆长期使用的可靠性。实际上，国内舰船电缆行业早已意识到该性能的重要性，但国内尚无国家标准或行业标准进行专门规定，只是各家企业自行规定或在-54 ℃低温操作试验中有相关描述；国外标准则给出了详细的试验方法和测试项目，但相互之间有所差异。通过借鉴国外标准，结合行业内目前的相关试验验证，可以确定固化的测试方法。

国外涉及耐海水的船舰用电缆标准主要有IEEE Std 1580—2010、VG 95218-2等，国内GJB 774—1989在-54℃低温操作试验方法中有部分相关规定(仅用于鉴定试验)。国内外标准的具体相关规定见表7。

从表7可以看出，不同标准规定基本上是两种策略：①提高溶液含盐量和温度，缩短浸泡时间；②降低浓度和温度，延长浸泡时间。考核项目包括外观、耐电压和绝缘电阻，并要考虑弯曲对电缆的影响。

表7 耐海水试验方法比较

结合一般船舶出海时长及海水自然温度，建议耐海水试验采取电缆弯曲状态浸泡室温海水替代溶液，溶液含盐量3.5%，浸泡时长90 d；同时作为摸底试验，可采取VG 95218-2—2017或IEEE Std 1580—2010方法进行加速测试。

2.6 气密性能

纵向气密是为应对实际造船的新需求，在GJB 774A中新增加的性能，结合了实际工况需求制定相应的检测方法。该方法规定采取长为(10±0.5)m成品电缆，将一端与氮气瓶相连接，另一端头置于水下150 mm以下的水槽，然后对电缆施加(0.5±0.05)MPa的气压，并保持30 min，深入水中的电缆端头应无气泡逸出。

作为标准新提要求，值得相关者对此进行深入研究，理解背后的现实意义和对产品提出的挑战，提早谋划，革新工艺，以确保产品切实符合用户需求和标准要求。

2.7 电缆贯穿密封试验

电缆贯穿密封试验主要针对穿舱缆，目的是为检验填料函或杯型管节件与电缆护套之间是否形成紧密黏结，确保承压安全，不发生位移和黏结处漏水。国内外标准和实际环境均有此要求，但标准规定的试验方法却很少。从工程角度出发，贯穿密封试验具有重要意义，其不但可反映电缆、贯穿件和密封胶三者之间的匹配性；也可模拟在穿舱密封过程中水密电缆与密封函之间密封工艺的适应性，如电缆是否会被溶胀或软化变形，以及电缆在长期使用时与密封函的相容性。由于贯穿密封涉及总装厂对电缆实际装配工艺的可靠性，因此电缆厂家可与用户一起开展该试验验证的相关研究。

3 建 议

从基于工况的产品可靠性验证角度出发，应关注舰船实际工况、国内外水密电缆标准、用户技术条件和第三方机构测试经验，克服现有规范和标准的不足，确定针对舰船用纵向水密电缆的可靠性试验项目，并优化或制定切实可行的试验方法。除现有国家军用标准规定的静态纵向水密试验外，建议还应进行如表8所示的可靠性试验。

表8 纵向水密可靠性试验项目

4 结束语

舰船用纵向水密电缆直接关系水下舰船的性能和安全，基于性能需求和试验规定之间的矛盾，本文对中、美、德、英、俄等军用标准和行业标准进行了比较，指出相关标准就舰船用纵向水密电缆的试验项目和试验方法的不同规定，并给出舰船用纵向水密电缆的可靠性试验项目、方法和建议。