摘要

河湖深水區(qū)域、近岸近海生態(tài)調(diào)查，水下成像探頭長(zhǎng)期浸泡于水下，殼體水密耐壓、防腐防水性能是設(shè)備穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。本文針對(duì)水生植物高清攝像探頭、底棲生物微距成像探頭，開展20m水深（約0.2MPa）耐壓密封殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；選用耐腐蝕外殼材料、光學(xué)密封鏡片、O型圈雙重密封結(jié)構(gòu)；模擬河湖淡水、近海咸水腐蝕環(huán)境，開展水壓耐壓試驗(yàn)、鹽霧腐蝕老化試驗(yàn)、長(zhǎng)期浸水可靠性測(cè)試；驗(yàn)證雙探頭水下密封性能，保障設(shè)備在淡水湖泊、河流、濱海近海咸淡水交替環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定成像，為野外復(fù)雜水環(huán)境原位勘查設(shè)備水下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：水下成像探頭；耐壓密封；水密殼體；20m水深；鹽霧腐蝕；河湖近海監(jiān)測(cè)；水下光學(xué)設(shè)備；可靠性試驗(yàn)

1 水下光學(xué)探頭密封失效帶來(lái)的設(shè)備故障問(wèn)題

水下成像探頭需要長(zhǎng)期浸泡在水體當(dāng)中，密封失效進(jìn)水是野外設(shè)備失效最主要故障模式。河湖淡水環(huán)境存在泥沙、有機(jī)質(zhì)；近海近岸環(huán)境是咸淡水交替，氯離子腐蝕作用強(qiáng)。如果殼體耐壓密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，水壓作用下水會(huì)滲入殼體內(nèi)部，造成電路板短路、攝像模組燒毀，設(shè)備直接報(bào)廢。密封失效很多時(shí)候不是在第一次下水立刻發(fā)生，而是多次反復(fù)下水、溫度循環(huán)、腐蝕老化之后，密封圈發(fā)生壓縮永變形，出現(xiàn)緩慢滲漏，在野外現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障，直接造成野外調(diào)查任務(wù)中斷。

本套設(shè)備需要同時(shí)適配內(nèi)陸河湖淡水和近岸近海咸淡水交替工況，最大作業(yè)水深20m，靜水壓力0.2MPa。殼體材料不僅要承受水壓，還要具備耐氯離子腐蝕、耐泥沙摩擦沖刷能力。本文開展兩套水下成像探頭耐壓密封殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且開展水壓耐壓、鹽霧腐蝕、長(zhǎng)期浸水可靠性試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備在淡水?近海多場(chǎng)景環(huán)境適應(yīng)性。

2 雙成像探頭水下耐壓殼體總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水生植物攝像探頭、底棲生物微距成像探頭兩套水下探頭殼體結(jié)構(gòu)總體思路一致，外殼選用316L不銹鋼材料，該材料耐淡水腐蝕，在近海低?中等鹽度環(huán)境下具備良好抗氯離子腐蝕能力，機(jī)械強(qiáng)度高，抗泥沙沖刷磕碰。殼體前端為光學(xué)窗口，后端設(shè)置水密接插件接口，殼體采用端蓋壓緊密封結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)外兩道O型圈雙重靜態(tài)密封，實(shí)現(xiàn)雙重密封冗余，提升密封可靠性。

光學(xué)窗口選用高透鋼化玻璃鏡片，鏡片與殼體結(jié)合位置同樣設(shè)置密封橡膠圈，防止水體從鏡片結(jié)合縫隙滲入。殼體內(nèi)部電路板、攝像模組做灌膠防潮處理，即使極少量水汽進(jìn)入殼體內(nèi)部，也可以降低電路損壞風(fēng)險(xiǎn)。水密接插件選用海水適配型防水接頭，接頭內(nèi)部同樣具備多重密封結(jié)構(gòu)；線纜?接頭連接處設(shè)置抗拉緩沖結(jié)構(gòu)，避免拖拽拉力傳遞到殼體密封結(jié)合面，防止密封面受力出現(xiàn)縫隙。殼體整體防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)目標(biāo)IP68，滿足20m水深長(zhǎng)期浸泡作業(yè)。

3 密封材料選型、光學(xué)窗口密封方案

密封O型圈選用氟橡膠FKM材料，對(duì)比普通丁腈橡膠，氟橡膠耐海水腐蝕、耐老化性能更好，壓縮久變形率更低，在長(zhǎng)期水壓壓縮條件下，可以長(zhǎng)時(shí)間保持密封彈性，降低長(zhǎng)期使用后滲漏風(fēng)險(xiǎn)。O型圈硬度控制70±5邵氏A，密封槽尺寸按照水下設(shè)備密封標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，保證合理壓縮量，壓縮量過(guò)大容易造成橡膠加速老化，壓縮量不足會(huì)造成密封失效。

光學(xué)窗口密封：鋼化玻璃鏡片端面設(shè)置密封墊圈，端蓋機(jī)械壓緊鏡片，墊圈均勻受壓，避免鏡片局部應(yīng)力集中造成鏡片開裂；鏡片表面做增透鍍膜處理，提升水下透光率，同時(shí)具備一定抗海洋生物附著能力。

4 水壓耐壓試驗(yàn)、鹽霧腐蝕老化試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證殼體可靠性，開展三類實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬試驗(yàn)：

①水壓耐壓試驗(yàn)：模擬20m水深0.2MPa靜水壓力，對(duì)兩套探頭殼體加壓，保壓時(shí)間4h，試驗(yàn)結(jié)束打開殼體，檢查殼體內(nèi)部是否有水滲入，觀察殼體形變情況；

②鹽霧腐蝕老化試驗(yàn)：按照ASTM B117標(biāo)準(zhǔn)開展鹽霧試驗(yàn)，5%NaCl鹽霧連續(xù)噴霧500h，模擬近海高鹽腐蝕環(huán)境，試驗(yàn)結(jié)束觀察殼體表面腐蝕情況，檢查密封性能；

③長(zhǎng)期浸水浸泡試驗(yàn)：探頭分別放置淡水、人工配置海水當(dāng)中連續(xù)浸泡30天，完成浸泡之后重新做水壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)長(zhǎng)期浸泡之后密封性能是否保持完好。

5 試驗(yàn)結(jié)果與密封可靠性分析

水壓耐壓試驗(yàn)結(jié)果：0.2MPa壓力保壓4h，兩套探頭殼體無(wú)變形，殼體內(nèi)部干燥，沒有滲水，耐壓性能滿足20m水深設(shè)計(jì)要求。

鹽霧腐蝕500h試驗(yàn)結(jié)果：316L不銹鋼殼體表面沒有出現(xiàn)明顯銹蝕；氟橡膠O型圈沒有出現(xiàn)開裂、溶脹老化現(xiàn)象；密封結(jié)構(gòu)完好。

淡水、人工海水30天長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)：浸泡完成之后再次耐壓測(cè)試，殼體仍然保持良好密封，沒有出現(xiàn)滲水。

試驗(yàn)結(jié)果證明殼體結(jié)構(gòu)、材料選型可以滿足20m水深，河湖淡水、近岸近海咸淡水交替環(huán)境使用要求。同時(shí)試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，如果殼體表面出現(xiàn)磕碰劃傷，破壞不銹鋼鈍化層，劃傷位置會(huì)優(yōu)先出現(xiàn)點(diǎn)蝕，野外使用過(guò)程需要注意避免殼體硬物磕碰。

6 淡水?咸水環(huán)境野外使用維護(hù)建議

野外使用維護(hù)要點(diǎn)：

1）每次下水前檢查探頭殼體有無(wú)磕碰劃傷，檢查接插件密封圈完好，接頭擰緊到位；

2）完成近海海水作業(yè)之后，上岸立刻用清水沖洗探頭殼體、水密接頭，沖掉表面鹽分，減少氯離子殘留腐蝕；

3）設(shè)備存放避免陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間暴曬，防止橡膠密封圈加速老化；定期檢查O型圈老化狀態(tài)，達(dá)到使用年限及時(shí)更換密封圈；

4）如果發(fā)生探頭磕碰，需要重點(diǎn)檢查殼體、光學(xué)窗口，必要時(shí)重新開展水壓密封校驗(yàn)之后再下水使用。

7 結(jié)論

本文完成20m水深水生植物、底棲生物雙成像探頭耐壓密封殼體設(shè)計(jì)，外殼選用316L不銹鋼，采用氟橡膠O型圈雙重密封結(jié)構(gòu)，光學(xué)窗口配套密封墊圈。通過(guò)水壓耐壓試驗(yàn)、鹽霧腐蝕試驗(yàn)、淡水?海水長(zhǎng)期浸泡試驗(yàn)，驗(yàn)證殼體密封耐壓、抗腐蝕可靠性，設(shè)備可以適配河湖淡水、近岸近海咸淡水交替環(huán)境。同時(shí)提出野外使用維護(hù)建議，該殼體設(shè)計(jì)思路可為同級(jí)別水深水下光學(xué)勘查設(shè)備提供參考。

參考文獻(xiàn)

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