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7000米水下,中天科技让海底观测网有了国产“关节”
2019-07-04    来源:科技日报  浏览次数:
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近年来,有关海底观测网的消息层出不穷:北美、西欧和日本等十余个国家已拥有海底观测网。我国最大规模的国家海底科学观测网已于2017年被正式批复建立,项目总投资超20亿元,建设周期年。


除了船舶、遥感卫星,海底观测网已成为第三种海洋观测平台——通过它,人类可以深入到水下观测和认识海洋。


如果将各类缆系观测网的各类缆线比作胳膊、腿,那么水密连接器就好比关节,起到连接各类缆线的作用,对海底观测网系统的建设、运行和维护有着不可替代的作用。此外,水密连接器可广泛应用于深海探测仪器设备和海洋工程,是发展深海技术的重要支撑配套技术,有着广阔的发展前景。


从中天科技集团采访了解到,目前我国已攻克了干插拔水密连接技术,我国有了可用于7000米水深的国产连接器。


水密连接器大多依赖进口


水密连接器又被称为水密接插件。


作为水下设备正常工作的重要部件之一,目前,水密连接器的应用范围相当广泛,包括水下工程机械、作业器具、水下照明、水下电力分配系统、潜水装配装置、海洋石油生产平台以及海底观测网等领域。


近年来,随着我国海洋研究和海洋开发事业的日益发展,水密连接器需求正逐年增大。


中天海洋系统有限公司总经理杨华勇博士告诉记者,按照工作方式的不同,水密连接器可分为干插拔水密连接器和湿插拔水密连接器。


干插拔连接器技术相对容易,其插拔操作是在陆上完成的,然后被放入水下使用。


根据结构形式,干插拔水密连接器又可分为橡胶体水密连接器和金属壳体水密连接器。根据生产工艺的不同,橡胶体水密连接器一般指电连接器(传输电能、电信号),金属壳体水密连接器既可以是电连接器,也可以是光连接器(传输光学通讯信号)。


两种干插拔连接器里,橡胶体水密电连接器是深潜器(包括载人、无人)选型最多、应用最广的水密连接器,同时也是世界范围内应用广泛、性能可靠的主要水密连接器产品系列之一。正因如此,研制橡胶体水密电连接器具有重要的实用意义及代表性。


由于我国水密连接器研制起步较晚,与西方水密连接器技术有相当大的差距,产品存在无固定型号系列、工艺流程不稳定、达不到产品化水平、无标准化检测规则、无通用技术规范等问题,这些不足导致目前我国的水密连接器产品在技术规格标准化、产品性能稳定性、大批量生产能力等方面均存在问题。


正因如此,目前我国深海通用产品大多依赖进口,这严重制约了我国深海技术的发展。从另一方面来说,打破国外技术垄断、实现产品替代进口、降低投资成本,也显得尤为迫切。


攻克深海环境三大技术难点


2017年,中天科技成功转化中科院沈阳自动化所深海系列水密接插件产品技术,开始水密干插拔连接器研发,选择的是橡胶体水密电连接器方向。


如何保证橡胶体水密连接器在深海环境下工作时的水密性能、绝缘性能、耐压性能,是技术难点,除此之外,连接器长期处于深海恶劣环境中,要做到连接器长期可靠连接、可维护也非常难。


在水下工作期间,水密连接器必须能够保持电气性能的正常以及机械连接的可靠。一旦与电缆连接的插头组件失效,连接器头座之间必须保证密封的可靠性,从而确保内部设备安全,绝不允许外界高水压的海水通过连接器进入设备舱内。


所以密封性成为验证水密连接器产品的关键指标,必须保证连接器插头与插座间的密封;连接器与固定面板间的密封;连接器与配接电缆间的密封。


中天海洋系统有限公司总工程师郭朝阳博士举例说,接触件是连接器完成电连接功能、保证密封性的核心零件,由阳性连接器(一般称为插针)和阴性接触件(一般称为插孔)组成接触对,通过阴、阳接触件的插合完成电连接。当电流通过时,电接触件会因存在电阻而发热,当发热量超过一定极限值,将破坏连接器的绝缘及接触性能而导致故障。


郭朝阳告诉记者,在关键技术攻关中,技术人员做了大量的试验和验证工作。


插针使用体电阻较小的黄铜,并在表面镀金、底部镀镍,使插针耐磨损并降低接触电阻。插孔则依靠弹性结构与插针插合时发生弹性变形而产生的接触压力,与插针形成紧密接触,完成连接。


郭朝阳表示,因为使用环境的特殊性,橡胶原材料还要满足深海环境中的其他性能要求:耐海水腐蚀、良好的水密性能与抗水压性能。


在5000米深海中,1平方毫米橡胶表面会有50N的压力,水压也被认为是橡胶体连接器失效的主要情形。在插孔设计时,技术人员将锡青铜套管通过四点压铆安装在插孔弹性部位的外部,从而保护插孔弹性部位,形成接触稳定、可靠的二件组装式插孔,保证电接触的可靠性。


为全海深水密接插件技术打下基础


在完成7000米橡胶体水密连接器省级鉴定后,郭朝阳带领的开发团队正在开展的一项工作,是提高产品的可靠性、稳定性,形成多种不同规格橡胶体水密电连接器产品,实现7000米内深海覆盖(97%海域)、达到稳定的电传输要求,及10年水下长期工作寿命的要求,形成年产5000只(套)橡胶体水密电连接器产品的生产能力。


随着国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项 “全海深水密接插件产品化技术研究及示范应用”项目启动,科研人员将水密连接器的深度目标从7000米提高到万米。


显然,这会带来更多的全新挑战。


郭朝阳说,中天科技集团将联合中国科学院沈阳自动化研究所、北京化工大学、中国电子科技集团第23研究所、沈阳橡胶研究设计院有限公司等,围绕全海深潜水器实际需求,在“十二五”国家863计划相关课题研究的基础上开展研究攻关,满足全海深潜水器通讯和电源传输等方面的实际需求,实现产品国内自主生产,全面替代进口。


项目专家组组长、上海交通大学教授任平指出,作为深海关键通用配套元器件之一,全海深水密连接器对深海探测及全海深潜水器的研制具有不可或缺的作用。项目的实施,将彻底解决全海深水密接插件研制及产品化生产的关键材料、工艺等瓶颈问题,进一步完善水密接插件性能检测技术,对推动我国深海科学技术发展、实现国家深海战略具有重要现实意义。任平希望项目组进一步分析国内外接插件产品差距及全海深水密接插件的特殊要求,从材料、结构、工艺3个方面攻克关键技术难题,加快研发进度,为国内全海深潜水器提供关键器件配套。