0 引言

海洋水下用电缆是海洋仪器设备的血管和神经。水密耐压电缆具有电气性能良好、水密性能稳定和耐海水腐蚀性能强等特点，是水听器阵、载人深潜器等海洋仪器设备的重要元器件组成，其在水下通信系统中作为系统间连接以及信号传输的馈线，能够为水听器阵提供可靠的通信性能，防止海水沿电缆进入仪器内部，保证载人深潜器等仪器的安全^{[1 -7]}。水密耐压电缆的研制解决了具有水密要求的信号传输问题，满足了海洋通信系统深水通信的需要^[1]。中国船舶工业总公司颁布标准对水密性电缆要求与选择做出了明确的规定：“对于潜艇舷外固定敷设电缆及艇内通过耐压船体、舱壁的电缆，水面舰艇破损线以下并穿过水密舱壁的电缆均应采用符合耐水压要求的纵向密封电缆”^[8]。水静压力试验作为模拟水密耐压电缆水下受压环境的重要试验环节受到海洋方面越来越高的重视。该试验可以真实地模拟水下高压状态，可有效地检测电缆水密性能，具有试验复现性强的特点。目前国内对水密耐压电缆在海洋使用过程中存在的以下问题并未开展相关研究：

1）水密传感器的可靠性受水密耐压电缆橡胶保护套与金属接头粘合性能影响，因为此连接处是海水最易渗入电缆的薄弱位置^[9]。由于电缆的橡胶保护套与金属受力器金属接头在相同水压下的体积收缩变化率不同（见图 1和图 2），电缆橡胶保护套受压收缩变化率大，金属材料受压收缩变化率小，可能导致两者连接处开裂以致电缆渗水从而影响与水密耐压电缆相连接的相关仪器的使用性能。因此应通过水静压力试验检验橡胶和金属的粘合强度，同时还应考虑电缆的耐海水腐蚀性与耐人工气候老化性能等^[10]。直接影响电缆护套与金属接粘合性能的因素还有硫化工艺条件、金属表面处理以及胶粘剂的选择等^[7]。

2）水密耐压电缆由于使用不当，在超出其耐压范围的水压条件下体积会被过度压缩，导致电缆内部传输介质变形，从而影响电缆信号无法正常传输。

3）一般情况下，水密耐压电缆橡胶保护套在水压下并未达到其弹性极限，即使电缆在水压下变形严重，但在水静压力试验卸压过程（即模拟电缆海上回收过程）中电缆橡胶保护套恢复为原来的形状，影响试验人员得出水密耐压电缆的体积收缩变化量，而水密耐压电缆的体积收缩变化量与电缆在水中浮力的变化又息息相关。

4）电缆在交变水压环境下使用，使得原本紧密结合的各部件表层反复产生相对位移，从而出现缝隙，一旦缝隙被外部水压挤破，海水则会沿缝隙进入^[9]。同样，电缆在运输或者安装时由于操作不当等原因使得电缆某些固定部位发生反复弯折等现象，也会使电缆内部产生缝隙，从而导致水密耐压电缆受压进水，影响海洋仪器设备的使用。

以上问题与电缆体积的收缩变化量息息相关，为研究上述问题，本文通过试验来验证电缆体积变化的问题，从而为以后水密耐压电缆设计及制作提供一定的数据参考。

1 试验设备及试验方法

试验样品为1条300 m长水密耐压电缆，主要由耐压电缆和金属接头构成，如图 3所示。采用国家海洋标准计量中心JSA1-1型10 MPa压力试验系统对该电缆进行水静压力试验，选取该试验系统的液位记录模块对试验期间的压力传导液液位变化量进行精确测量，并用压力-液位数据记录模块对试验期间的压力和液位曲线进行记录；采用FLUKE 1508型绝缘电阻测试仪测试该水密耐压电缆试验前后的电性能。

试验过程如下^[11]：

1）首先，在常态条件下对耐压电缆开展性能测试，以保障电缆和各个连接件电气、物理性能正常。

2）将耐压电缆盘好放入压力罐中，如图 4所示。密封好试验系统后，关闭卸压阀并开启增压泵，向压力试验系统内注入压力传导液升压。

3）当升压至目标压力3 MPa时，进入保压阶段。在保压的过程中时刻记录压力曲线的变化，并在保压阶段每隔10 min补压一次，以保障试验压力始终维持在3 MPa，并观察记录压力曲线的变化，记录期间液位的变化。

4）保压1 h后，开启卸压阀卸压至常态，取出电缆。

5）逐一检查电缆各处外观并对电缆进行通电测试，以验证其电性能和物理特性是否发生变化。试验过程示意图如图 4和图 5所示。

2 试验结果及分析

1）电缆外观检查

电缆取出后外观未发生明显变形，电缆表面完整，在3 MPa水压下电缆与受力器金属连接处未发生开裂现象，各连接部件均无开裂，电缆经绝缘电阻测试仪测试后电性能满足使用要求。

2）电缆体积变化

试验结束后，得到如图 6所示试验过程曲线。

图 6中，曲线为试验过程期间压力变化曲线，曲线为试验过程期间压力传导液液位变化曲线。其中AB段为升压阶段；am段为保压阶段，ab段、cd段、ef段、kj段、il段、mn段为依次补压阶段，每次补压至3 MPa；CD段为卸压阶段。在保压3 000 s时由于液位桶中压力传导液过少，为保证试验的准确度，向液位桶中注入174 mm高的压力传导液。将试验中补压过程的压力与液位线试验数据导出，如表 1所示：

随着高压泵不断向压力试验舱内注入压力传导液，试验舱压力逐渐上升。图 4所示，压力从A点开始上升，到达B点时压力达到3 MPa，试验进入保压阶段。在保压阶段，电缆在3 MPa水压作用下变形收缩，导致试验舱压力降低。一般认为压力的降低原因有2个：一是试验舱内试验样品发生渗漏导致试验舱内压力传导液变少，试验舱内压力降低；二是试验样品体积缩小，试验舱内压力降低。由表中数据可以得出，保压阶段压力降低的过程中液位线并未出现明显的上升或下降现象，说明压力传导液流回液位桶并未渗入电缆内部，此时可推断出试验舱压力降低是由于电缆体积收缩引起。压力传导液的注入量与电缆体积收缩变化量相关，因此，该电缆在一个小时内的体积收缩变化率可以用压力传导液的液位变化率进行表征。压力传导液的液位变化率为：

$ {{W}} = \frac{{{L_0} - {L_1}}}{{{L_0}}}{\text {。}} $

(1)

式中：W为压力传导液液位变化率；L₀为初始液位线；L₁为试验后液位线。

由表 1可看出，电缆的体积变化并不呈线性变化。随着补压次数增加，所补压力逐渐变小，这说明电缆的体积收缩变化量越来越小。液位线的总变化量L为18.43 mm，通过式（1）得到液位变化率为6.4%，即在3 MPa压力下保压1 h的电缆体积收缩变化率为6.4%。

3 结语

1）300 m水密耐压电缆在3 MPa水静压力下外观未发生明显变形，电缆与金属受力器连接处未开裂，电缆经测试后电性能满足使用要求。

2）水密耐压电缆的体积收缩变化率可以用压力传导液的液位变化率进行表征，300 m水密耐压电缆在3 MPa水压下保压1 h的体积收缩变化率为6.4%。