趙文生，張劍冰，范鵬杰，呂文力，葉正浩

(中國船舶集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001)

0 引 言

近年來，隨著裝備數(shù)量增加，因艙外密封電子設(shè)備呼吸效應(yīng)導(dǎo)致凝露、積水出現(xiàn)腐蝕的情況隨著設(shè)備使用時(shí)間的延長，問題暴露的越來越多，因?yàn)槭芎Ｑ篼}霧氣體影響，積水中氯化鈉含量高，會導(dǎo)致設(shè)備器件表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[1-2]，甚至打火釀成事故[3]，導(dǎo)致戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)下降以致失效的事例屢見不鮮[4]。防水透氣閥可有效消除因?yàn)闇囟茸兓?，密封設(shè)備產(chǎn)生內(nèi)外壓差出現(xiàn)呼吸現(xiàn)象和凝露的問題，降低電子元器件的腐蝕和故障,提高設(shè)備可靠性、安全性[5-8]。但有些“防水透氣閥”產(chǎn)品，對于內(nèi)部空間大的設(shè)備，存在適裝性差、可靠性低，濕氣單向過濾功能不明顯,在極端的潮濕、寒冷的夜晚，ePTFE膜會因?yàn)橐后w的覆著或者表面的結(jié)霜（冰），而失去透氣功能[5]，或被灰塵覆蓋，防潮透氣功能效率下降。

針對上述防水透氣閥存在的問題，本文結(jié)合科技創(chuàng)新和質(zhì)量改進(jìn)課題項(xiàng)目，提出用防潮濕調(diào)壓裝置代替常規(guī) “防水透氣閥”改進(jìn)措施，并通過了模擬環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 密封設(shè)備呼吸凝露產(chǎn)生及腐蝕危害原因

艙外設(shè)備尤其是大容積設(shè)備（腔體內(nèi)部空間遠(yuǎn)大于內(nèi)裝器件體積總和），腔體內(nèi)很難做到氣密性密封，例如艙外天線罩如按GJB150.3A/GJB 150.4A-2009軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法：高溫試驗(yàn)/低溫試驗(yàn)，取值溫度范圍-40 ℃～+70 ℃[9-10]，假設(shè)天線罩在-40 ℃打開維修并重新密封好，當(dāng)夏天來到時(shí)，天線罩內(nèi)部溫度上升到70 ℃，根據(jù)克拉伯龍方程PV/T=R(常數(shù))，在天線罩內(nèi)部完全氣密、體積不變前提下，溫度從-40 ℃升到+70 ℃，極端壓強(qiáng)之比大于1.472，內(nèi)外天線罩可產(chǎn)生0.482 kg/cm2的正壓差，在這么大的壓差下，由玻璃鋼等非金屬材料制成的天線罩在經(jīng)過幾年風(fēng)吹日曬老化使用后，一般是承受不了的。

具體計(jì)算如下：

經(jīng)查詢?nèi)珖鞯刂饕鞘泻０胃叨燃按髿鈮簠⒖紨?shù)據(jù)可知，海拔為0時(shí)，大氣壓＞100 kPa，且冬季大氣壓高于夏季。

假設(shè)在-40 ℃，取艦船所處環(huán)境大氣壓值為100 kPa，即

P1= 100 kPa = 1 bar = 1.02 kg/cm2（1 bar=1.02 kg/cm2），T1= 273-40 = 233 K，T2= 273+70 = 343 K，

根據(jù)克拉伯龍方程PV/T=R(常數(shù))P2/P1=T2/T1=343/233 = 1.472，壓差 =P2-P1=P1（T2-T1）/T1= 1.02（343-233）÷ 233 = 0.482 kg/cm2。

上述雖然是在極端情況，但是即使在常規(guī)情況下，隨著季節(jié)、日夜的變化，天線罩某一時(shí)刻內(nèi)外壓差也是很大的。比如一般情況下，天線罩在+30 ℃裝配后交付使用在威海的艦船，在冬季夜晚-10 ℃（威海在2016年1月25日，最低溫度為-13.9 ℃）的溫度下，天線罩如果仍然保護(hù)氣密狀態(tài)，則天線罩可產(chǎn)生極端壓強(qiáng)之比大于0.868和0.135 kg/cm2的負(fù)壓差。

具體計(jì)算如下：

經(jīng)查詢30 ℃時(shí)，揚(yáng)州大氣壓P1= 999 hPa=99.9 kPa =0.999 bar = 1.02×0.999 kg/cm2= 1.019 kg/cm2，

根據(jù)克拉伯龍方程PV/T=R(常數(shù))，

P2/P1=T2/T1= 263/303 = 0.868，壓差 =P2-P1=P1（T2-T1）/T1= 1.019（263-303）÷303 = -0.135 kg/cm2。

天線罩內(nèi)部和外部0.135 kg/cm2的負(fù)壓差相當(dāng)于將天線罩置于1.35 m水下所承受的壓力，目前尚無查到任何針對性的軍用標(biāo)準(zhǔn)來對此進(jìn)行試驗(yàn)和檢查，接近這方面的軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB150.14A-2009軍用裝備試驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 浸漬試驗(yàn)，試驗(yàn)方法應(yīng)用明確定義為：主要適用于在工作或不工作的情況下可能部分或完全地浸漬的設(shè)備，試驗(yàn)主要是檢查裝備防水密封性，而非檢查密封裝備溫度變化對性能的影響，即使這樣，也鮮有單位按此方法將裝備置于1 m水下進(jìn)行檢查，而是按可靠性比其低的沖水試驗(yàn)代替。因?yàn)闆_水試驗(yàn)方向的局限性，無法確定裝備是否水密或者氣密，故浸漬試驗(yàn)可以代替沖水試驗(yàn)，但沖水試驗(yàn)不可以代替浸漬試驗(yàn)。另外浸漬試驗(yàn)時(shí)間也非常有限,一般時(shí)間小于30 min，遠(yuǎn)小于實(shí)際內(nèi)外壓差每日發(fā)生的累積時(shí)間，這也是天線罩等艙外密封電子設(shè)備因?yàn)樵囼?yàn)方法不當(dāng)，設(shè)備裝船時(shí)，可能就處于非水密或非氣密狀態(tài)，造成屢次發(fā)生內(nèi)部進(jìn)水原因之一。還有一種可能，設(shè)備裝船時(shí)，的確處于水密或氣密狀態(tài)，但因?yàn)闀r(shí)間導(dǎo)致材料老化，性能下降，再加上溫度環(huán)境因素，密封設(shè)備內(nèi)外壓強(qiáng)差距過大，導(dǎo)致后期裝備密封失效。

艦載艙外密封電子設(shè)備，因?yàn)槊荛]前和工作時(shí)的溫度不同或者每天日夜溫差不同，密封電子設(shè)備內(nèi)部和外部大氣會產(chǎn)生壓力差，密閉殼體內(nèi)空氣無法排出或者吸入平衡內(nèi)外部壓力差時(shí)，外殼上最薄弱的環(huán)節(jié)比如天線罩厚度最薄處，密封繩接頭處因?yàn)閮?nèi)外壓強(qiáng)相差很大，再加上時(shí)間、日光輻射導(dǎo)致材料老化性能下降而產(chǎn)生損傷，天線罩出現(xiàn)微小裂縫和小孔，密封繩接頭處漏氣，導(dǎo)致密封失效。一旦氣密失效，腔內(nèi)的壓力隨溫度發(fā)生變化,使腔內(nèi)外空氣或進(jìn)或出,稱為呼吸作用[7]。當(dāng)吸入的潮濕空氣達(dá)到一定量, 在露點(diǎn)溫度附近，設(shè)備內(nèi)部器件上就會形成水霧或凝露，密封腔體的呼吸效應(yīng)除了呼吸大氣外, 還可以吸進(jìn)縫隙或小孔附近的液體,形成吸水效應(yīng)[6]。艦載艙外設(shè)備處于海洋環(huán)境，積水中氯化鈉含量高，其不僅提供了電化學(xué)反應(yīng)所需的電解質(zhì)，而且會妨礙或破壞金屬的鈍化，起到了陽極去極化作用[11]，導(dǎo)致設(shè)備器件表面產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，再加上夏天高溫、高濕環(huán)境，更加劇了腐蝕速度。因此如何排除艙外密封電子設(shè)備因?yàn)楹粑饔卯a(chǎn)生凝露和積水現(xiàn)象，平衡設(shè)備內(nèi)外部壓力差已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須面對和需要解決的問題。

2 常規(guī)防水透氣閥介紹

針對密封電子設(shè)備容易產(chǎn)生凝露和內(nèi)外部壓力差的問題，一些公司根據(jù)市場需求推出了防水透氣閥系列產(chǎn)品，雖然各公司防水透氣閥結(jié)構(gòu)封裝形式各異，但防水透氣閥進(jìn)、出氣孔、透氣膜位置及安裝方式類似，圖1為防水透氣閥典型結(jié)構(gòu)形式圖。

圖1 防水透氣閥典型結(jié)構(gòu)形式圖Fig. 1 Typical structure of waterproof-ventilating valve

對各公司產(chǎn)品功能介紹歸納總結(jié)后，主要有如下2點(diǎn)相同點(diǎn)：

1）防水透氣閥產(chǎn)品可以有效阻攔水滴、灰塵、鹽分和其他腐蝕性液體，防止密封產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)霧或凝露；

2）防水透氣閥產(chǎn)品可以有效散熱，平衡密封設(shè)備內(nèi)外部壓力差，提高產(chǎn)品完整性。

注意事項(xiàng)主要有：

1）安裝扭力不能超過規(guī)定范圍；

2）避免暴露于極端溫度或溫度波動大的范圍。

通過對該類型產(chǎn)品咨詢及相關(guān)資料查閱，結(jié)合對其結(jié)構(gòu)分析，該產(chǎn)品比較適用于體積小、溫度高于0 ℃且溫度波動范圍小的具有氣密要求的設(shè)備（除防水透氣閥對外氣體交換通口外，其余部位應(yīng)完全處于氣密狀態(tài)），但不適用于嚴(yán)寒溫度的環(huán)境，也不適用于體積大、溫度波動大，對設(shè)備內(nèi)部濕度要求更高的艙外密封電子設(shè)備。

市場上的防水透氣閥主要核心零件是膨體聚四氟乙烯(EPTFE) 透氣薄膜，該膜具有獨(dú)特的三維立體網(wǎng)狀微孔結(jié)構(gòu)，每個(gè)微孔直徑在0.1～3.0 μm，是灰塵和水滴的1/1 000，是水分子的700多倍[6-7]，利用氣體分子與水汽及灰塵微粒的體積大小數(shù)量級差及對水汽的吸附捕獲能力，讓氣體分子通過，較大直徑的水汽與灰塵無法通過，透氣膜最小可以捕捉到0.1 μm的顆粒，從而達(dá)到有效阻攔水滴、灰塵、鹽分和其他腐蝕性液體，防止密封產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)霧或凝露，平衡密封設(shè)備內(nèi)外部壓力差的目的。但是膨體聚四氟乙烯(EPTFE) 透氣膜對于直徑小于0.1 μm，且具有較大動能的水汽不能做到100%捕獲或阻止進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，尤其是如圖1所示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單的防水透氣閥產(chǎn)品。

3 防潮濕調(diào)壓裝置

3.1 防潮濕調(diào)壓裝置組成

防潮濕調(diào)壓裝置如圖2和圖4所示，主要由殼體1、殼體2、內(nèi)腔、螺套、防水透氣膜、密封圈、接頭、軟管等組成。殼體1上有和殼體2相連接的4個(gè)安裝光孔和透氣小孔，殼體2上有和殼體1相連接的4個(gè)安裝螺絲孔和透氣小孔。內(nèi)腔2面開有透氣矩形孔，矩形孔外沿四周有矩形截面凹槽，凹槽內(nèi)可安裝密封圈，內(nèi)腔中間為十字加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，將腔體內(nèi)部分成4個(gè)空間，4個(gè)空間有通孔相通，內(nèi)腔一面有安裝軟管的凸出接頭，接頭中心有和內(nèi)腔相通的通孔，透氣膜安裝在殼體1、殼體2和密封圈之間，通過4個(gè)螺套將殼體1、透氣膜、密封圈、內(nèi)腔、殼體2組裝成一體。螺套軸心為通孔，可以借用此通孔將防潮濕調(diào)壓裝置固定在設(shè)備內(nèi)部。

圖2 防潮濕調(diào)壓裝置爆炸圖Fig. 2 Explosive view of moisture-proofing pressure-regulating device

3.2 防潮濕調(diào)壓裝置工作原理

防潮濕調(diào)壓裝置和常規(guī)如圖1所示“防水透氣閥”產(chǎn)品明顯不同之處在于：透氣膜面積不受對外安裝孔徑約束，可以任意設(shè)計(jì)，為了提高防護(hù)等級，透氣膜面積一般比常規(guī)“防水透氣閥”面積大10倍以上，透氣膜可以設(shè)置多層。防潮濕調(diào)壓裝置對安裝方向和導(dǎo)管有一定的要求，最佳安裝形式為如圖3所示進(jìn)氣口在下方，進(jìn)氣膠管不能呈積水段形狀。

圖3 防潮濕調(diào)壓裝置安裝示意圖Fig. 3 Schematic diagram of installation of moisture-proofing pressure-regulating device

當(dāng)設(shè)備內(nèi)部氣體壓強(qiáng)小于外部氣體壓強(qiáng)時(shí)，外部氣體如圖4所示向設(shè)備內(nèi)部流動，氣體中包含的水蒸氣通過穿墻接頭小孔徑時(shí)，因?yàn)橥ǖ雷冃?，速度及動能被逐漸加大，在穿過彎曲的軟管時(shí)，尺寸、動能較大的水蒸氣會撞擊到軟管壁而附在上面形成水珠。一部分繼續(xù)上升碰撞到內(nèi)腔上部壁后附在上面，尺寸較小的另一部分向透氣膜方向移動，因水蒸氣進(jìn)入內(nèi)腔時(shí)的初始速度方向和透氣膜安裝面成平行狀態(tài)，且速度逐漸減弱，增加了這部分水蒸氣和透氣膜微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相碰撞被捕獲的幾率，只有數(shù)量微少的水蒸氣穿過多層透氣膜后，可能進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，而空氣中的氮?dú)?、氧氣等其他氣體因?yàn)榉肿又睆胶团蝮w聚四氟乙烯薄膜孔徑相比小許多，容易通過透氣膜進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部[8]。

圖4 防潮濕調(diào)壓裝置進(jìn)氣工作原理示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the working principle of the air intake of moisture-proofing pressure-regulating device

反之設(shè)備內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部時(shí)，內(nèi)部氣體如圖5所示會通過透氣小孔向裝置內(nèi)部流動，氣體中所含的濕氣通過通氣孔時(shí)速度會突然加大，由于慣性作用及速度方向和透氣膜安裝面成垂直狀態(tài)，減少了水蒸氣和透氣膜微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相碰撞被捕獲的幾率，水蒸氣相比前者比較容易穿過防水透氣膜進(jìn)入內(nèi)腔后向設(shè)備外部排出[8]。

圖5 防潮濕調(diào)壓裝置排氣工作原理示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the working principle of the air discharge of moisture-proofing pressure-regulating device

綜上所述，經(jīng)過晝夜溫差變化，設(shè)備通過防潮濕調(diào)壓裝置，內(nèi)外部氣體進(jìn)行了交換，內(nèi)部濕度沒有增加，設(shè)備內(nèi)外部壓強(qiáng)差進(jìn)行了縮小、平衡，有效降低了設(shè)備（比如設(shè)備罩及密封圈）因內(nèi)外部壓力差而產(chǎn)生的損傷及早期失效，延長了壽命，同時(shí)還可避免密封設(shè)備蓋板、門或罩當(dāng)外部壓力大于內(nèi)部壓力時(shí)難打開的弊端，達(dá)到了防潮濕調(diào)壓的目的。

3.3 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

1）防潮濕調(diào)壓裝置和一般“防水透氣閥”相比，具有濕氣難進(jìn)易出單向功能，和對外安裝在設(shè)備上相同孔徑的防水透氣閥相比，透氣量大數(shù)倍。

2）和一般產(chǎn)品安裝在設(shè)備外部，防水透氣閥直接暴露在空氣中相比，裝在設(shè)備內(nèi)部的防潮濕調(diào)壓裝置通過一根軟管、接頭和設(shè)備外空氣連通，灰塵和凝露不易附著在透氣膜上，有效防止了一般防水透氣閥產(chǎn)品ePTFE膜因?yàn)橐后w的覆著或者表面的結(jié)霜（冰），而失去透氣功能產(chǎn)生的隱患。

3）防潮濕調(diào)壓裝置采取O型密封圈壓緊透氣膜結(jié)構(gòu)形式，代替了市場采用的膠接、透氣膜直接焊接在注塑件、透氣膜與金屬外殼通過特殊工藝結(jié)合組裝在一起等其它工藝，結(jié)構(gòu)形式、產(chǎn)品維修性、可靠性相對前者要好些，適用于溫度波動大的環(huán)境，方便透氣膜損壞后多次更換，產(chǎn)品可以反復(fù)使用。

4）現(xiàn)有大容積艙外密封裝備質(zhì)量改進(jìn)，如安裝外購防水透氣閥，孔徑一般要大于M16，現(xiàn)場攻絲螺紋孔施工困難，適裝性差。而采用防潮濕調(diào)壓裝置，安裝在對外的接頭只需打直徑φ6 mm的光孔，固定防潮濕調(diào)壓裝置只需攻絲M3的螺紋孔即可，方便已裝艦的艙外密封裝備進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)。

4 防潮濕調(diào)壓裝置試驗(yàn)方法及結(jié)果

1）溫度試驗(yàn)

按GJB150.3A、4A-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法低溫/高溫試驗(yàn)》規(guī)定的方法進(jìn)行，防潮濕調(diào)壓裝置滿足GJB1448A-2005規(guī)定的環(huán)境溫度要求。在試驗(yàn)箱體除防潮濕調(diào)壓裝置對外接口外，其他部位處于密封狀態(tài)，在表1的環(huán)境溫度下，試驗(yàn)箱體內(nèi)部最大壓強(qiáng)始終滿足小于1 kPa的試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)束后檢查，內(nèi)置變色硅膠干燥劑顏色無明顯變化，防潮濕調(diào)壓裝置透氣膜未損壞和脫落。

表1 溫度試驗(yàn)條件Tab. 1 Temperature test conditions

2）濕熱試驗(yàn)

濕熱試驗(yàn)按GJB150.9A-2009《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 濕熱試驗(yàn)》規(guī)定方法進(jìn)行。試驗(yàn)條件為：溫度：下限30℃，上限60℃；相對濕度：95±3%；試驗(yàn)周期數(shù)：10個(gè)周期240小時(shí)GJB150.9A-2009濕熱交變試驗(yàn)[12]過程中，試驗(yàn)箱體內(nèi)部最大壓強(qiáng)始終滿足小于1 kPa的試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)束后檢查，結(jié)果試驗(yàn)箱體內(nèi)部干燥，變色硅膠顏色未有覺察變化，而箱體外的變色硅膠顏色已成粉紅色。

3）隨機(jī)振動、沖擊

安裝在試驗(yàn)箱體、天線內(nèi)部防潮濕調(diào)壓裝置在頻率范圍20～2000 Hz，功率譜密度0.04 g2/Hz，三方向各振動時(shí)間5 min半正弦波，峰值加速度300 m/s2，脈沖持續(xù)時(shí)間11 ms，三方向各6次試驗(yàn)結(jié)束后檢查，防潮濕調(diào)壓裝置工作正常。

4）浸漬試驗(yàn)

安裝在試驗(yàn)箱體、天線內(nèi)部防潮濕調(diào)壓裝置在完全浸沒1 m深水，時(shí)間持續(xù)15 min試驗(yàn)結(jié)束后檢查，無水進(jìn)入。

5 結(jié) 語

1）防潮濕調(diào)壓裝置課題已通過驗(yàn)收、結(jié)題評審，并在某質(zhì)量改進(jìn)項(xiàng)目上進(jìn)行了驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

2）通過查詢專利及文獻(xiàn)，防潮濕調(diào)壓裝置具有獨(dú)創(chuàng)性和先進(jìn)性，尤其防潮濕調(diào)壓裝置和常規(guī)產(chǎn)品“防水透氣閥”相比，具有透氣量大，調(diào)壓反應(yīng)速度快，防潮濕單向閥功能效果好，可有效防止ePTFE膜因?yàn)橐后w的覆著或者表面的結(jié)霜(冰)而失去透氣功能，結(jié)構(gòu)形式、工藝技術(shù)成熟，可靠性、維修性好，適用于溫度波動大環(huán)境的艦載艙外密封電子設(shè)備，方便已裝艦的裝備質(zhì)量改進(jìn)。

3）通過試驗(yàn)過程中的失敗原因發(fā)現(xiàn)：要使防潮濕調(diào)壓裝置正常工作，確保設(shè)備只能通過防潮濕調(diào)壓裝置進(jìn)行氣體流通交換，必要的氣密檢查是必須的，否則其他地方漏氣無法察覺，防水透氣閥就會形同虛設(shè)。