全海深ROV臍帶纜用非金屬鎧裝絲應用性能研究

顧春飛張建民謝書鴻蔡炳余裴 民

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1 引言

隨著我國海洋裝備研制能力和配套水平的提高，正在建設覆蓋全海深、面向不同需求的深海探測作業體系，全海深纜系遙控潛水器(ROV)是全海深探測作業體系重要組成部分。我國全海深ROV系統的研究尚屬空白，而全海深ROV臍帶纜是全海深ROV系統的關鍵技術之一，率先啟動全海深ROV臍帶纜關鍵技術研究成為我國深海關鍵技術與裝備研究的當務之急。傳統的ROV臍帶纜為金屬鎧裝纜，采用鋼絲作為鎧裝材料，由于鋼絲密度較大，致使金屬鎧裝纜自重較重，通常只能用于6000米以內[1]。更大深度ROV使用的臍帶纜是一項國際技術難題，是制約我國全海深ROV 系統研發瓶頸。據資料介紹，1994年日本研制的一種非金屬鎧裝臍帶纜成功應用于11000米“海溝”號ROV系統，但也曾因為臍帶纜斷裂而導致ROV丟失[2]，其關鍵技術公開甚少。因此，開展全海深ROV 臍帶纜非金屬鎧裝絲的研究是關鍵技術基礎。

2 非金屬鎧裝絲制備及機械性能研究

全海深ROV臍帶纜主要由纜芯單元(包含動力單元、控制單元、不銹鋼管光纖單元、內護層等)、非金屬鎧裝層及外護層組成。其中非金屬鎧裝層采用多層非金屬鎧裝絲絞合而成，非金屬鎧裝絲又由纖維、樹脂及耐磨層組成，如圖1所示。

圖1 全海深ROV臍帶纜及非金屬鎧裝絲結構示意圖

非金屬鎧裝絲是全海深ROV臍帶纜不可或缺的承力結構件，充分利用了非金屬高性能復合材料重量輕、比強度高、優良的耐腐蝕性的優異特性。非金屬鎧裝絲以高性能合成纖維為增強材料，以高分子聚合物樹脂為基體材料，采用連續拉擠成型工藝復合耐磨材料而成。經過分析比較，本項目選取A纖維、B纖維、C纖維三種高性能合成纖維構成的非金屬鎧裝絲開展研究。A纖維具有強度高、模量高、耐高溫、優良的阻燃性和化學穩定性等特點，是目前應用面較廣的高性能合成纖維；B纖維具有極其優異的力學性能和耐熱性能，是目前高性能合成纖維中強度和模量最高的纖維；C纖維具有高度的去向結構和結晶程度，因其耐熱性能不佳，限制了其在某些特定領域的應用[4]。三種纖維的非金屬鎧裝絲機械性能如表1所示，C纖維非金屬鎧裝絲抗拉強度最小，延伸率最大，B纖維非金屬鎧裝絲抗拉強度最大，延伸率最小，A纖維非金屬鎧裝絲各項指標居中，應通過進一步的試驗篩選最佳材料。

表1 三種纖維制成非金屬鎧裝絲機械性能指標

3 非金屬鎧裝絲應用性能研究

非金屬鎧裝絲的應用環境為110 MPa高水壓海水環境、60℃左右高溫甲板及多種復雜工作載荷環境，其抗拉、抗壓、抗彎曲等性能應在上述工況下基本保持不變[3]。同時非金屬鎧裝絲與海水、油等介質接觸，因此必須研究非金屬鎧裝絲與海水、油等介質的相容性，為全海深ROV 臍帶纜鎧裝材料的選型提供依據。

3.1 高水壓循環試驗 全海深ROV非金屬鎧裝臍帶纜從母船甲板至萬米海底反復收放使用，承受高水壓循環疲勞工況，因此對表1所示的三種非金屬鎧裝絲進行高水壓循環試驗：在應用水壓110 MPa基礎上增加安全裕度，最大試驗水壓設定為127 MPa，反復循環200次，試驗后測試樣品吸水率及抗拉強度。

三種非金屬絲試驗后抗拉強度幾乎沒有降低，吸水率在1‰以下(吸水率=樣品增重/樣品原重量×1000‰)，高水壓循環對非金屬鎧裝絲絲的影響較小。

3.2 反復曲撓性能研究 為驗證非金屬鎧裝絲在多組導輪反復收放時的影響，將試樣置于曲撓試驗裝置中，如圖2[5]所示，彎曲直徑分別為40D、100D(D=滑輪直徑/試樣直徑)，循環次數分別為500 次、1500 次及3000次，試驗過程目視檢查試樣表面狀態。2

圖 非金屬鎧裝絲反復曲撓試驗示意圖[5]

對于不含耐磨層的非金屬鎧裝絲試樣，均出現了不同程度的表面磨損。其中A纖維非金屬鎧裝絲磨損情況相對較好，B纖維非金屬鎧裝絲磨損情況相對較差，在500次左右便由于磨損而導致試樣斷裂。彎曲直徑對非金屬絲反復曲撓性能影響較大，彎曲直徑增大時，磨損情況較好，不易斷裂。

涂覆了耐磨層的非金屬鎧裝絲試樣均通過了3000次循環試驗，目視檢查表面正常，但在50倍目鏡下的B纖維非金屬鎧裝絲試樣表面發現部分絲狀毛刺。三種非金屬鎧裝絲在反復曲撓試驗后進行了拉伸試驗，抗拉強度降低5%左右，效果較好。

3.3 高溫性能研究 全海深ROV 臍帶纜在甲板上受陽光直射，最高溫度可達60℃左右，因此在25～100℃不同溫度下開展拉伸試驗，研究不同溫度對非金屬鎧裝絲機械性能的影響。隨著試驗溫度的升高，三種非金屬鎧裝絲的抗拉強度呈下降趨勢，C纖維受溫度的影響最大。溫度達到60℃時，A纖維及B纖維非金屬鎧裝絲能保證1550 MPa以上的抗拉強度，而C纖維僅為1350 MPa，對非金屬鎧裝臍帶纜的整體機械性能影響較大。

3.4 環境相容性研究 為研究非金屬鎧裝絲與其接觸介質的環境相容性，開展三種非金屬鎧裝絲與人工海水(3.5 %NaCl溶液)、淡水、白油的相容性試驗，試樣在室溫條件下分別浸泡10天、20天、30天，然后分析不同介質、浸泡時間對非金屬鎧裝絲機械性能的影響。三種非金屬鎧裝絲抗拉強度變化均不明顯，接近未經浸泡處理的強度，表明三種介質對非金屬鎧裝絲的的抗拉強度影響較小，未產生明顯的性能劣化現象

4 研究結論

本文結合全海深ROV 臍帶纜的承力結構件重量輕、比強度高等的要求，研制了A纖維、B纖維、C纖維三種非金屬鎧裝絲。通過試驗比對分析，C纖維非金屬鎧裝絲比重、抗拉強度最小，機械性能受溫度影響較大；B纖維非金屬鎧裝絲比重、抗拉強度最大，反復曲撓性能相對較差；A 纖維非金屬鎧裝絲各項指標居中，耐溫性、反復曲撓性能較好。三種非金屬鎧裝絲均能滿足127 MPa高水壓循環要求，與人工海水、淡水、白油等接觸介質相容性較好。本文的研究成果為全海深ROV 臍帶纜關鍵承力材料非金屬鎧裝絲的選型提供了參考依據，加快了全海深ROV臍帶纜的研制進程。