全海深ROV脐带缆用非金属铠装丝应用性能研究

顾春飞张建民谢书鸿蔡炳余裴 民

1.中天科技海缆有限公司 江苏 南通226010

2.上海晓宝增强塑料有限公司 江苏省 盐城224100

1 引言

随着我国海洋装备研制能力和配套水平的提高，正在建设覆盖全海深、面向不同需求的深海探测作业体系，全海深缆系遥控潜水器(ROV)是全海深探测作业体系重要组成部分。我国全海深ROV系统的研究尚属空白，而全海深ROV脐带缆是全海深ROV系统的关键技术之一，率先启动全海深ROV脐带缆关键技术研究成为我国深海关键技术与装备研究的当务之急。传统的ROV脐带缆为金属铠装缆，采用钢丝作为铠装材料，由于钢丝密度较大，致使金属铠装缆自重较重，通常只能用于6000米以内[1]。更大深度ROV使用的脐带缆是一项国际技术难题，是制约我国全海深ROV 系统研发瓶颈。据资料介绍，1994年日本研制的一种非金属铠装脐带缆成功应用于11000米“海沟”号ROV系统，但也曾因为脐带缆断裂而导致ROV丢失[2]，其关键技术公开甚少。因此，开展全海深ROV 脐带缆非金属铠装丝的研究是关键技术基础。

2 非金属铠装丝制备及机械性能研究

全海深ROV脐带缆主要由缆芯单元(包含动力单元、控制单元、不锈钢管光纤单元、内护层等)、非金属铠装层及外护层组成。其中非金属铠装层采用多层非金属铠装丝绞合而成，非金属铠装丝又由纤维、树脂及耐磨层组成，如图1所示。

图1 全海深ROV脐带缆及非金属铠装丝结构示意图

非金属铠装丝是全海深ROV脐带缆不可或缺的承力结构件，充分利用了非金属高性能复合材料重量轻、比强度高、优良的耐腐蚀性的优异特性。非金属铠装丝以高性能合成纤维为增强材料，以高分子聚合物树脂为基体材料，采用连续拉挤成型工艺复合耐磨材料而成。经过分析比较，本项目选取A纤维、B纤维、C纤维三种高性能合成纤维构成的非金属铠装丝开展研究。A纤维具有强度高、模量高、耐高温、优良的阻燃性和化学稳定性等特点，是目前应用面较广的高性能合成纤维；B纤维具有极其优异的力学性能和耐热性能，是目前高性能合成纤维中强度和模量最高的纤维；C纤维具有高度的去向结构和结晶程度，因其耐热性能不佳，限制了其在某些特定领域的应用[4]。三种纤维的非金属铠装丝机械性能如表1所示，C纤维非金属铠装丝抗拉强度最小，延伸率最大，B纤维非金属铠装丝抗拉强度最大，延伸率最小，A纤维非金属铠装丝各项指标居中，应通过进一步的试验筛选最佳材料。

表1 三种纤维制成非金属铠装丝机械性能指标

3 非金属铠装丝应用性能研究

非金属铠装丝的应用环境为110 MPa高水压海水环境、60℃左右高温甲板及多种复杂工作载荷环境，其抗拉、抗压、抗弯曲等性能应在上述工况下基本保持不变[3]。同时非金属铠装丝与海水、油等介质接触，因此必须研究非金属铠装丝与海水、油等介质的相容性，为全海深ROV 脐带缆铠装材料的选型提供依据。

3.1 高水压循环试验 全海深ROV非金属铠装脐带缆从母船甲板至万米海底反复收放使用，承受高水压循环疲劳工况，因此对表1所示的三种非金属铠装丝进行高水压循环试验：在应用水压110 MPa基础上增加安全裕度，最大试验水压设定为127 MPa，反复循环200次，试验后测试样品吸水率及抗拉强度。

三种非金属丝试验后抗拉强度几乎没有降低，吸水率在1‰以下(吸水率=样品增重/样品原重量×1000‰)，高水压循环对非金属铠装丝丝的影响较小。

3.2 反复曲挠性能研究 为验证非金属铠装丝在多组导轮反复收放时的影响，将试样置于曲挠试验装置中，如图2[5]所示，弯曲直径分别为40D、100D(D=滑轮直径/试样直径)，循环次数分别为500 次、1500 次及3000次，试验过程目视检查试样表面状态。2

图 非金属铠装丝反复曲挠试验示意图[5]

对于不含耐磨层的非金属铠装丝试样，均出现了不同程度的表面磨损。其中A纤维非金属铠装丝磨损情况相对较好，B纤维非金属铠装丝磨损情况相对较差，在500次左右便由于磨损而导致试样断裂。弯曲直径对非金属丝反复曲挠性能影响较大，弯曲直径增大时，磨损情况较好，不易断裂。

涂覆了耐磨层的非金属铠装丝试样均通过了3000次循环试验，目视检查表面正常，但在50倍目镜下的B纤维非金属铠装丝试样表面发现部分丝状毛刺。三种非金属铠装丝在反复曲挠试验后进行了拉伸试验，抗拉强度降低5%左右，效果较好。

3.3 高温性能研究 全海深ROV 脐带缆在甲板上受阳光直射，最高温度可达60℃左右，因此在25～100℃不同温度下开展拉伸试验，研究不同温度对非金属铠装丝机械性能的影响。随着试验温度的升高，三种非金属铠装丝的抗拉强度呈下降趋势，C纤维受温度的影响最大。温度达到60℃时，A纤维及B纤维非金属铠装丝能保证1550 MPa以上的抗拉强度，而C纤维仅为1350 MPa，对非金属铠装脐带缆的整体机械性能影响较大。

3.4 环境相容性研究 为研究非金属铠装丝与其接触介质的环境相容性，开展三种非金属铠装丝与人工海水(3.5 %NaCl溶液)、淡水、白油的相容性试验，试样在室温条件下分别浸泡10天、20天、30天，然后分析不同介质、浸泡时间对非金属铠装丝机械性能的影响。三种非金属铠装丝抗拉强度变化均不明显，接近未经浸泡处理的强度，表明三种介质对非金属铠装丝的的抗拉强度影响较小，未产生明显的性能劣化现象

4 研究结论

本文结合全海深ROV 脐带缆的承力结构件重量轻、比强度高等的要求，研制了A纤维、B纤维、C纤维三种非金属铠装丝。通过试验比对分析，C纤维非金属铠装丝比重、抗拉强度最小，机械性能受温度影响较大；B纤维非金属铠装丝比重、抗拉强度最大，反复曲挠性能相对较差；A 纤维非金属铠装丝各项指标居中，耐温性、反复曲挠性能较好。三种非金属铠装丝均能满足127 MPa高水压循环要求，与人工海水、淡水、白油等接触介质相容性较好。本文的研究成果为全海深ROV 脐带缆关键承力材料非金属铠装丝的选型提供了参考依据，加快了全海深ROV脐带缆的研制进程。