20米水深水下成像探头耐压密封结构设计及河湖‑近海多场景可靠性试验研究

摘要

河湖深水区域、近岸近海生态调查，水下成像探头长期浸泡于水下，壳体水密耐压、防腐防水性能是设备稳定工作的关键。本文针对水生植物高清摄像探头、底栖生物微距成像探头，开展20m水深（约0.2MPa）耐压密封壳体结构设计；选用耐腐蚀外壳材料、光学密封镜片、O型圈双重密封结构；模拟河湖淡水、近海咸水腐蚀环境，开展水压耐压试验、盐雾腐蚀老化试验、长期浸水可靠性测试；验证双探头水下密封性能，保障设备在淡水湖泊、河流、滨海近海咸淡水交替环境下长期稳定成像，为野外复杂水环境原位勘查设备水下结构设计提供参考。

关键词：水下成像探头；耐压密封；水密壳体；20m水深；盐雾腐蚀；河湖近海监测；水下光学设备；可靠性试验

1 水下光学探头密封失效带来的设备故障问题

水下成像探头需要长期浸泡在水体当中，密封失效进水是野外设备失效最主要故障模式。河湖淡水环境存在泥沙、有机质；近海近岸环境是咸淡水交替，氯离子腐蚀作用强。如果壳体耐压密封结构设计不合理，水压作用下水会渗入壳体内部，造成电路板短路、摄像模组烧毁，设备直接报废。密封失效很多时候不是在第一次下水立刻发生，而是多次反复下水、温度循环、腐蚀老化之后，密封圈发生压缩永变形，出现缓慢渗漏，在野外现场出现故障，直接造成野外调查任务中断。

本套设备需要同时适配内陆河湖淡水和近岸近海咸淡水交替工况，最大作业水深20m，静水压力0.2MPa。壳体材料不仅要承受水压，还要具备耐氯离子腐蚀、耐泥沙摩擦冲刷能力。本文开展两套水下成像探头耐压密封壳体结构设计，并且开展水压耐压、盐雾腐蚀、长期浸水可靠性试验，验证设备在淡水‑近海多场景环境适应性。

2 双成像探头水下耐压壳体总体结构设计

水生植物摄像探头、底栖生物微距成像探头两套水下探头壳体结构总体思路一致，外壳选用316L不锈钢材料，该材料耐淡水腐蚀，在近海低‑中等盐度环境下具备良好抗氯离子腐蚀能力，机械强度高，抗泥沙冲刷磕碰。壳体前端为光学窗口，后端设置水密接插件接口，壳体采用端盖压紧密封结构，采用内外两道O型圈双重静态密封，实现双重密封冗余，提升密封可靠性。

光学窗口选用高透钢化玻璃镜片，镜片与壳体结合位置同样设置密封橡胶圈，防止水体从镜片结合缝隙渗入。壳体内部电路板、摄像模组做灌胶防潮处理，即使极少量水汽进入壳体内部，也可以降低电路损坏风险。水密接插件选用海水适配型防水接头，接头内部同样具备多重密封结构；线缆‑接头连接处设置抗拉缓冲结构，避免拖拽拉力传递到壳体密封结合面，防止密封面受力出现缝隙。壳体整体防护等级设计目标IP68，满足20m水深长期浸泡作业。

3 密封材料选型、光学窗口密封方案

密封O型圈选用氟橡胶FKM材料，对比普通丁腈橡胶，氟橡胶耐海水腐蚀、耐老化性能更好，压缩久变形率更低，在长期水压压缩条件下，可以长时间保持密封弹性，降低长期使用后渗漏风险。O型圈硬度控制70±5邵氏A，密封槽尺寸按照水下设备密封标准设计，保证合理压缩量，压缩量过大容易造成橡胶加速老化，压缩量不足会造成密封失效。

光学窗口密封：钢化玻璃镜片端面设置密封垫圈，端盖机械压紧镜片，垫圈均匀受压，避免镜片局部应力集中造成镜片开裂；镜片表面做增透镀膜处理，提升水下透光率，同时具备一定抗海洋生物附着能力。

4 水压耐压试验、盐雾腐蚀老化试验方案

为验证壳体可靠性，开展三类实验室环境模拟试验：

①水压耐压试验：模拟20m水深0.2MPa静水压力，对两套探头壳体加压，保压时间4h，试验结束打开壳体，检查壳体内部是否有水渗入，观察壳体形变情况；

②盐雾腐蚀老化试验：按照ASTM B117标准开展盐雾试验，5%NaCl盐雾连续喷雾500h，模拟近海高盐腐蚀环境，试验结束观察壳体表面腐蚀情况，检查密封性能；

③长期浸水浸泡试验：探头分别放置淡水、人工配置海水当中连续浸泡30天，完成浸泡之后重新做水压试验，检验长期浸泡之后密封性能是否保持完好。

5 试验结果与密封可靠性分析

水压耐压试验结果：0.2MPa压力保压4h，两套探头壳体无变形，壳体内部干燥，没有渗水，耐压性能满足20m水深设计要求。

盐雾腐蚀500h试验结果：316L不锈钢壳体表面没有出现明显锈蚀；氟橡胶O型圈没有出现开裂、溶胀老化现象；密封结构完好。

淡水、人工海水30天长期浸泡试验：浸泡完成之后再次耐压测试，壳体仍然保持良好密封，没有出现渗水。

试验结果证明壳体结构、材料选型可以满足20m水深，河湖淡水、近岸近海咸淡水交替环境使用要求。同时试验也发现，如果壳体表面出现磕碰划伤，破坏不锈钢钝化层，划伤位置会优先出现点蚀，野外使用过程需要注意避免壳体硬物磕碰。

6 淡水‑咸水环境野外使用维护建议

野外使用维护要点：

1）每次下水前检查探头壳体有无磕碰划伤，检查接插件密封圈完好，接头拧紧到位；

2）完成近海海水作业之后，上岸立刻用清水冲洗探头壳体、水密接头，冲掉表面盐分，减少氯离子残留腐蚀；

3）设备存放避免阳光长时间暴晒，防止橡胶密封圈加速老化；定期检查O型圈老化状态，达到使用年限及时更换密封圈；

4）如果发生探头磕碰，需要重点检查壳体、光学窗口，必要时重新开展水压密封校验之后再下水使用。

7 结论

本文完成20m水深水生植物、底栖生物双成像探头耐压密封壳体设计，外壳选用316L不锈钢，采用氟橡胶O型圈双重密封结构，光学窗口配套密封垫圈。通过水压耐压试验、盐雾腐蚀试验、淡水‑海水长期浸泡试验，验证壳体密封耐压、抗腐蚀可靠性，设备可以适配河湖淡水、近岸近海咸淡水交替环境。同时提出野外使用维护建议，该壳体设计思路可为同级别水深水下光学勘查设备提供参考。

参考文献

[1] 周磊,等.浅海水下观测设备密封结构设计与试验[J].海洋技术学报,2020,39(03):45‑50.

[2] 张勇.水下设备O型圈密封设计与可靠性分析[J].液压与气动,2021(06):134‑138.