深海水密接插件應用情況綜述

齊海濱， 楊一帆， 唐嘉陵

（國家深海基地管理中心，青島266237）

0 引 言

水深在200 m 以下的水域，被科學家稱為深海，因深海特殊的環境特性及廣泛的未被探知的區域，現已成為國際地球科學尤其是海洋科學的最新研究前沿［1］。 隨著科技的不斷發展，越來越多的裝備在深海中得以應用，而深海水密接插件是實現深海環境中裝備系統與系統間電力配電、信號傳輸、通信交流等功能的最有效途徑。 水密接插件在實現以上功能的同時，還要承受外界海水的高壓、腐蝕、低溫等環境影響，甚至需要在深海環境下實現長期駐留，這也給深海水密接插件材料選型、結構設計等帶來了挑戰。 現有深海水密接插件主要以橡膠整體模壓、橡膠或環氧樹脂與金屬黏合等形式為主，圍繞應用場景的不同，深海水密接插件的種類也在不斷拓展。

1 深海水密接插件應用場景

深海水密接插件是實現深海裝備配電及信號傳輸的重要部件，其深海運行性能直接影響深海裝備的水下使用效能及壽命。 如圖1 所示，該插件可以應用在深海的不同場景，并較好地應用在以下裝備中。

圖1 “深海一號”船海上作業示意圖

1.1 船載調查裝備

船載固定式調查裝備，諸如船載多波束探測、側掃聲吶探測、淺層剖面探測等，雖然應用了大量的水密接插件，但應用水深較淺不作為深海水密接插件的應用范疇。 作為船載取樣及近底層作業的一些船載調查設備，其深海水密接插件的應用則較為廣泛。船載深海拖體、溫鹽深探測、海水取樣系統、地質取樣系統，以及可視取樣系統等各類船載設備須要通過水密接插件來實現在深海環境下的電力配給及信號傳輸。 結合使用情況，此類船載設備水密接插件多以鎧裝纜、纖維纜、光電復合纜、臍帶纜等水密電纜為主，并通過不同形式的水密插座來實現水下的可靠鏈接［2-3］。

1.2 水下運載裝備

隨著深海科學技術的發展，水下運載裝備在深海中的應用越來越廣泛，其也成為水密接插件應用的集大成者。 深海水密接插件廣泛應用在載人潛水器（HOV）、遙控式潛水器（ROV）、自主式潛水器（AUV），及各類新型水下運載裝備中［4］。 根據水下運載裝備的實際需要，水密接插件也衍生了諸多的類型，以滿足水下運載裝備不同的作業需要。 比如蛟龍號載人潛水器，據統計其使用的各類水密線纜有150 余根、水密插座300 余只，其中不乏有光纖傳輸用特殊的水密接插件。

1.3 水下原位固定裝備

水密接插件也廣泛應用于各類水下原位固定裝備，深海浮標系統、深海自動觀測站、深海原位探測系統，以及海工油氣資源開采及水下傳輸系統等深海裝備都有較好的應用。 美國伍茲霍爾海洋研究所和新澤西大學海洋與海岸研究所在美國國家科學基金支持下，共同建立了LEO.1 5 長期水下無人觀測站。 LEO.1 5 所配置的傳感器和設備主要有壓力、海流、水溫、電導率、溶解氧、熒光計、輻射計、垂直CTD 剖面儀、寬帶水聽器、聲吶、AUV 接口、光學后向散射儀、透明度計、聲學跟蹤系統、全景攝像機、無人遙控潛器和自持式水下多任務平臺等。 水密接插件的使用有效解決了各傳感器的水密連接、聲學通信等問題［5］。

2 深海水密接插件應用形式

根據不同的應用場景，深海水密接插件結構及水密形式也不盡相同，為了適應大深度海水的高壓環境，深海水密接插件多采取兩種方式抵抗外界高壓。 一是采用充油補償式的水密接插件，多見充油水密電纜，通過把纜線封裝在充油的線管內來實現和外界海水的有效隔離，從而確保電氣性能，外界海水高壓會通過內部的補償油傳遞至線纜內的所有部件，此類水密接插件關鍵在于電纜插拔部分的封裝和密封。 二是采用橡膠整體硫化等形式的水密接插件，通過把線纜整體硫化封裝至橡膠類材料中實現和海水的有效隔離，而橡膠與金屬的黏合是大深度水密接插件的一項關鍵技術，黏合性能的好壞在很大程度上決定水密接插件的壽命。

深海水密接插件需滿足普通信號、高頻信號、高電壓、大電流、光信號等傳輸要求，在穿墻、濕插拔、水下帶電插拔、充油等不同場景得以應用。 結合深海運載裝備在深海中的實際需要，主要類別可以區分如下：

（1） 動力水密接插件，能夠滿足深海裝備大功率供配電需要，主要特點為纜線的直徑較大，傳輸電壓或電流較大，多用于大型深海運載裝備水下配電。

（2） 多芯水密接插件，能夠滿足深海裝備水下信號傳輸需要，因深海裝備傳輸信號較多，此類水密接插件多為定制產品，特點為芯線較多（1 ～203芯），因串口、網絡等不同，通信要求也不同，需要對電纜中的芯線進行諸如雙絞、屏蔽、同軸等特殊結構形式設計。

（3） 高速傳輸類水密接插件，能夠滿足深海裝備的高速信號傳輸，隨著光纖等高速傳輸介質在深海中的應用，使用高速傳輸類水密接插件來進行水下高速信號傳輸，可以減少多芯水密接插件的使用，降低水密接插件使用數量及維護成本。

（4） 水下可插拔類水密接插件，能夠滿足深海裝備水下插拔需要，此類水密接插件多用于海工油氣資源開采，同時也見于部分深海原位固定裝置與其他裝備進行對接的情景。

3 國內外水密接插件應用情況

國外深海水密接插件的發展與應用較早，最早是由美國Marsh ＆Marine 公司在20 世紀50 年代初推出的，其結構為橡膠模壓；后來水密接插件逐漸應用在美國、法國的潛艇上；20 世紀60 年代后期，為了配合著名的“深海開發技術計劃（DOTP）”，美國研制成功1 800 m的大功率水下電力及信號接插件；20 世紀70 年代后期水密接插件相繼出現了充油式水密接插件、NAU-TILUS 水密接插件、水下、水上插拔接插件等；隨著水下裝備的大量應用，伴隨著應用場景的不斷更新，目前，西方國家研制、生產、銷售的水密接插件的著名廠商有30多家，產品系列有 100 多種［6-9］，深海水密接插件技術逐漸成熟，在諸多深海裝備中得到廣泛的應用（如表1 所示），可以滿足全海深各種復雜工況的需要。 同時，國外結合深海裝備應用，在產品標準化方面也開展了大量的工作，多數產品已可以實現不同廠商之間的互換替代。 單以Seaconn 公司產品為例，其圍繞深海裝備，已開發有35 000 余項產品，并可以與Subconn、Impluse 等公司部分通用產品替換使用。

表1 國外深海水密接插件廠商及其應用

我國深海技術發展起步較晚，深海水密接插件相關的研究工作受需求、工藝等方面的制約，一直沒有出現較為成熟的產品，與國外發達國家差距較大。國內海洋科研院所長期依賴進口水密接插件，進口水密接插件具有訂貨周期長、價格昂貴、不能滿足個性定制等缺點，并且在關鍵技術領域的深海水密接插件國外會對我國進行限制出口及技術封鎖。 我國水下接插件的研究最早開始與海洋水下工程方面的需要相關，隨著“蛟龍”號載人潛水器等深海裝備的成功應用，國內加強了深海裝備周邊產品的開發與研制，并陸續開發出多種類型的深海水密接插件。國家“十二五”計劃期間，“863”計劃海洋技術領域主題項目“深海通用技術與產品研制”立項了“深海水密電纜接插件工程化技術”并通過項目驗收，該課題重點解決了深海環境下橡膠材料、接插件結構與密封以及注膠硫化工藝等關鍵技術，完成了系列化設計，固化了生產工藝和材料，開發了14 種深海1 000～7 000 m 水密電纜接插件產品，實現了大深度環境下的可靠應用；中天科技2 000 m 水下插拔連接器項目通過了江蘇省工信廳組織的新產品鑒定，這意味著我國2 000 m 級水下插拔電連接器有望告別國外壟斷［10］；中科院沈陽自動化研究所水下機器人研究中心研制的各種水密接插件較好地應用在深海裝備中；中杭電子YW 系列產品參照國外Seacon 公司產品設計標準，可以與相關產品有效互換，形成標準系列化產品，并制定了相應的執行標準；中國電子科技集團公司（第23 研究所）M 系列水密電纜接插件也較好地應用在深海裝備領域［11］；圍繞深海裝備的應用，國內已經涌現了很多專注深海水密接插件研究及應用的科研院所及企業，國內也在逐漸縮小與國外同行業的差距。

4 深海水密接插件應用及展望

我國深海水密接插件使用及應用較多，在產品研制及生產領域依舊處于起步階段，與國外差距依然很大，在關鍵技術、工藝、可靠性上依然很難達到深海應用需要，國內深海水密接插件研發生產須要從不同方面繼續努力，方能緊跟深海技術發展，不被國外技術壟斷“卡脖子”。

（1） 建設深海水密接插件相關標準體系。 目前，雖然我國部分研究機構已形成自己的深海水密接插件的產品標準體系，但是仍須參照國際標準，形成行業標準和國家標準，進而集中優勢力量，形成產業優勢，進而在深海水密接插件研發生產領域形成全譜系的產品鏈條［12-13］。

（2） 攻關大深度深海水密接插件。 我國現有的深海水密接插件在實際應用中已經有較好的表現，淺海水密接插件已經可以實現國產化，但是在大深度（1 100～6 000 m）裝備應用領域，國產深海水密接插件的穩定性及可靠性依舊需要提高，部分重大深海裝備依舊嚴重依賴進口。

（3） 研制特殊性能要求的深海水密接插件。 近年來，隨著封裝、密封、硫化等工藝的進步，我國在常規深海水密電纜研發與應用領域也進步較快，但是在特殊性能要求的深海水密接插件的研發生產中依舊與國外存在差距，重點集中在光信號傳輸、高頻信號傳輸、信號傳輸屏蔽、復合光電等水密接插件領域。 因為此類產品需求較少，而國外已有同類型的成熟產品，以至于國內需求牽引較小，研發關注度低，須要重點關注［14-17］。

（4） 研制深海濕插拔水密接插件。 近年來，我國在深海裝備方面有了長足的發展，隨著海洋科學技術的進步，深海原位探測也將為深海科學研究的一大方向，尤其是可以搭載多種傳感器實現水下長期駐留，并能進行裝備搭停對接的原位中繼技術將成為裝備應用關鍵技術之一，而深海帶電濕插拔技術將成為主要制約因素［18-19］。

5 結 語

深海裝備依舊在持續發展，多裝備融合發展，不同類型的裝備相互支持和聯合作業，支持深海資源和環境調查及資源開發，已成為國際深海運載與作業技術的發展趨勢。 新型深海運載和作業平臺將不斷涌現，而且功能不斷地完善，性能不斷地提高，作業能力不斷地增強，而所有這些功能的優化和提升都須要深海水密接插件類型的拓展和性能的提升，水下帶電接駁、近距離無線傳輸、大功率無損配電等方面的拓展都是深海水密接插件研發與應用的重點［20］。