電纜杯形管節密封強度分析

方 斌，陳 淼，海 潔，趙朋遠

（1.武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢430056；2.哈爾濱理工大學電工電子教學與實訓中心，黑龍江哈爾濱150020；3.哈爾濱化工研究所，黑龍江哈爾濱150020）

電纜密封是密封技術中的一種特殊技術。它正處于不斷發展之中，并且越來越多的被應用在生產、生活和軍事等方面，如大壩、電纜、地下建筑、過江穿海通道、深潛器、石油開采和船舶等多個領域[1]。

通常，碳纖維增強聚氨酯（PU）復合密封膠是專門針對處于海洋環境中的電纜與密封殼體之間研制的一種新型材料，具有操作簡便、耐老化性能優異等特點。碳纖維增強PU復合密封膠在壓縮強度達到7Mpa條件下，其耐酸性、耐堿性和抗輻射性等明顯優于目前常用的傳統密封填料。

我國在電纜與密封殼體密封的力學性能研究、密封材料在動態壓力下的作用研究方面尚處于空白階段。本文擬將靜態力學中的某些計算方法和理論用于電纜環型管節密封膠強度的計算（見圖1），并結合壓力實驗過程及密封材料的破壞型式，對膠粘劑的密封性能進行評價。

1 電纜密封膠環型管節強度計算

1.1 電纜密封強度指標

軸向壓縮強度、環向拉伸強度和徑向壓縮強度均大于7MPa。

圖1 電纜密封示意圖Fig.1 Sketch of cable sealant systems

1.2 計算步驟

①應用復合材料層合板理論，將強度指標視為相同壓力施加于殼體上，計算出殼體材料的軸向（z）和環向（θ）材料彈性常數；②根據應力和彈性常數計算殼體的軸向（z）和環向（θ）應變；③根據殼體的軸向（z）和環向（θ）應變，計算殼體材料的軸向和環向應力；④將殼體材料所受應力與單向板的材料強度進行比較，按照線彈性理論（應力與應變成比例），得出殼體材料與單向板的材料強度成比例，從而按比例關系反推出殼體強度。

1.3 計算過程

1.3.1 基本數據

T700碳纖維復合材料單向板性能數：0°、90°方向的拉伸強度分別為Xt=1830MPa和Yt=37.2MPa；0°、90°方向的壓縮強度分別為 Xc=615MPa和Yc=137MPa；0°、90°方向的拉伸模量分別為E1t=133GPa和E2t=10.4GPa；0°、90°方向的壓縮模量分別為 E1c=118GPa和 E2c=10.4GPa；剪切模量G=4.14GPa；柏松比μ1=0.29，μ2=0.0227。

1.3.2 基本假設

層合板是由兩層或兩層以上單層板按不同方向層合而成的整體結構。經典層合理論主要假設各單層之間粘接牢固，層與層之間沒有相對位移；討論是在線彈性和小變形范圍內進行；經典層合理論只考慮平面應力狀態，不考慮各單層之間的層間應力。

1.3.3 殼體材料軸（環）向材料彈性常數計算

層合板的面內剛度計算假設為：①層合板只承受面內力作用，由于層合板剛度的中面對稱性（管狀），層合板將引起面內變形，不引起彎曲變形；②層合板為薄板，即h≤a，h≤b[其中h為厚度（m），a為長度（m），b為寬度（m）]；③層合板各單層間粘接牢固，具有相同的變形。則層合板面內剛性系數（單位為N/m）計算公式如式（1）所示。

按照層合板內剛度計算公式及其與材料彈性常數之間的關系，利用計算軟件，可求得殼體材料的軸向（z）和環向（θ）材料彈性常數。該計算數據由西安43所提供。

軸向彈性模量E,環向彈性模量Eθ=71.6 GPa；剪切模量G=15.6 GPa；柏松比μz=0.31，μθ=0.19。

1.3.4 殼體的軸向和環向應變計算

軸向應力：δZ=-7MPa（符號表示壓縮）

環向應力：δθ=23MPa

殼體軸向應變εZ和環向應變分別如式（3）、式（4）所示。

1.3.5 殼體材料軸向和環向應力計算

1.3.6 填料環強度計算

1.3.6.1 軸向壓縮強度

將殼體材料的軸向應力δ1=34.229MPa與單向板0°方向的壓縮強度XC進行比較。按照線彈性理論，殼體強度與單向板的材料強度成比例，因此，軸向壓縮強度PZ=δz(XC/δ1)=125.77MPa。

1.3.6.2 環向拉伸強度

將殼體材料的環向應力δ2=46.816MPa與單向板0°方向的壓縮強度X1=1830MPa進行比較。按照線彈性理論，殼體強度與單向板的材料強度成比例，因此，環向拉伸強度Pθ=δθ(Xt/δ2)=899.05MPa。

1.3.6.3 徑向壓縮強度

徑向壓縮強度與單向板90°方向的壓縮強度相同，即Pr=Yc=137MPa。

由計算結果分析可知：應用層合板理論得到的復合材料環體的軸向壓縮強度PZ、環向拉伸強度Pθ、徑向壓縮強度Pr及受力情況均滿足設計要求。但是，上述計算均以碳纖維增強PU膠粘劑材料的靜態力學性能為依據的，而復合材料環體在工作時成動態力學狀態，故應用層合板理論進行相關性能的計算還存在著一定的誤差。

2 試驗結果簡單分析

從電纜環型管節的密封壓力測試結果可知：在給定壓力7 MPa的條件下，均未出現泄漏現象。這是由于碳纖維與PU之間粘接力很強，同時形成填料環的長度為35mm,在海水壓力過程中軸向受壓；軸向受壓的纖維呈微屈曲狀，薄弱處應力集中易斷裂，但界面壓裂、樹脂壓碎和纖維壓斷等情況并沒有發生，這是由于填料環較長，沒有發生層間斷裂，因此電纜密封材料碳纖維增強PU密封膠體系并沒有發生破壞和泄漏現象。

3 結論

根據壓力試驗結果可知：目前采用碳纖維增強PU纏繞工藝、輔以表面處理劑和凈水隔離劑后所制備的電纜密封膠，在7MPa壓力作用下，環型管節沒有泄露，與計算結果預測一致。該項目2007年5月通過部級鑒定，達到國際先進水平，已成功應用于某些重點工程中，為今后的工程應用起到預測和指導作用。

[1]王訓鉅.帶壓堵漏技術[M].北京:中國石化出版社,2000.