國(guó)外水下插拔連接器密封設(shè)計(jì)及分析

朱家遠(yuǎn),葉楊高

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所，合肥 232001)

0 引 言

海洋蘊(yùn)含資源豐富，開(kāi)發(fā)和利用海洋對(duì)于國(guó)家的發(fā)展具有及其重要的戰(zhàn)略意義，因此人類(lèi)一直都在不斷開(kāi)提高海洋開(kāi)發(fā)手段：從自由潛水到派發(fā)各種潛器以及組建海底工程項(xiàng)目等，在探測(cè)能力以及開(kāi)發(fā)能力上得到飛躍發(fā)展，這一切離不開(kāi)水下工程項(xiàng)目的組建，而連接器則是其中的重要連接點(diǎn)。隨著海底勘測(cè)手段、綜合參數(shù)探測(cè)能力以及通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，使得大型水下探測(cè)項(xiàng)目的組建在大范圍探測(cè)能力、遠(yuǎn)距離信息傳輸成為可能，也使得人類(lèi)具備遠(yuǎn)海海域的開(kāi)發(fā)和利用能力。對(duì)于大型海底工程項(xiàng)目，其海洋施工組建成為頭號(hào)難題，采用整體方式進(jìn)行海面布放幾乎不可能完成，因此水下插拔連接器的使用成為關(guān)鍵，它可以將這些工程項(xiàng)目分割成數(shù)塊，采用分塊布放方式進(jìn)行海面布放，然后通過(guò)潛水員或者水下ROV完成系統(tǒng)的連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大型水下工程項(xiàng)目的遠(yuǎn)距離通信及電源輸送連接。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，水下插拔連接器也由單一的水下插拔電連接器擴(kuò)展到水下插拔光纖連接器及水下插拔光電復(fù)合連接器，目前，美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等都已具備水下插拔連接器的研發(fā)及生產(chǎn)。

1 水下插拔連接器的發(fā)展歷程

水下插拔連接器的提出源自國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家海軍要求，他們最初通過(guò)組建水下監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)水下潛艇、水面艦船的監(jiān)視，水下聲吶探測(cè)技術(shù)的發(fā)展也使得水下監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)對(duì)于海軍越來(lái)越重要，在此背景下國(guó)外軍方提出了一種適應(yīng)復(fù)雜水下系統(tǒng)的新型連接器，具備水下插拔功能，因此軍事應(yīng)用對(duì)于水下插拔連接器的初期發(fā)展影響較大。隨著海洋油氣開(kāi)發(fā)，海洋工程項(xiàng)目對(duì)于水下插拔連接器的發(fā)展導(dǎo)向起著確定性的作用，連接器的后期發(fā)展方向偏重于工程應(yīng)用[1]。水下插拔連接器最早出現(xiàn)于電連接器中，當(dāng)前仍在采用的包括兩種密封技術(shù)：一種是利用橡膠密封機(jī)理，通過(guò)對(duì)插頭針體進(jìn)行耐腐蝕處理、插座插孔采用橡膠包裹的電連接器，通過(guò)針體將海水從插孔內(nèi)擠出并實(shí)現(xiàn)密封，該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，所以目前仍在廣泛使用，但不能實(shí)現(xiàn)通電狀態(tài)下的水下插拔；另一種則是利用壓力平衡原理的充油密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)使用水深大大提高，能夠適應(yīng)任意的水深，這一設(shè)計(jì)目前也廣泛應(yīng)用到深海的多種連接器中。

水下插拔光纖連接器出現(xiàn)于上個(gè)世紀(jì)90年代早期，開(kāi)始出現(xiàn)較早采用擴(kuò)束棱鏡的工作原理連接光纖信號(hào)，“移植”水下插拔電連接器設(shè)計(jì)思路，在充油密封艙中實(shí)現(xiàn)光纖對(duì)接耦合，解決連接器水下使用的整體密封性能，但缺陷是端面清潔困難，插損不穩(wěn)定；另一類(lèi)型水下連接與分離光纖連接器采用普通光纖連接器改造而成的，主要在水下連接之前，在光纖連接器的插頭與插座端面涂有光學(xué)匹配液，通過(guò)擠出光學(xué)匹配液清除光接口的污染，保證光纖端面接觸[2-4]。

2 水下插拔連接器的密封原理

水下連接器的密封基本利用橡膠的自緊密封機(jī)理實(shí)現(xiàn)密封，對(duì)于水下插拔密封端面，目前主流密封結(jié)構(gòu)也基本采用此原理。自緊密封源自于橡膠的體積在常壓下很難被壓縮變小，相關(guān)數(shù)據(jù)表明：碳氟化合物(FPM)在壓力達(dá)到1000 MPa時(shí)，測(cè)試寬度縮小率僅為5%，當(dāng)橡膠密封體受到軸向壓力會(huì)產(chǎn)生變形，由于橡膠密封材料的泊松比比較大，它將會(huì)在兩外兩個(gè)方向也產(chǎn)生變形，用方程可以描述為：

式中：E為密封材料楊氏彈性模量；εi為外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變；ν為密封材料泊松比；σi為接觸應(yīng)力。

利用外壓的力量將其轉(zhuǎn)換為密封件的接觸應(yīng)力，這就是自緊密封機(jī)理。取密封件上的任意微小單元作為分析對(duì)象，見(jiàn)圖1所示。

圖1 壓力作用下的貼合面接觸應(yīng)力

在預(yù)緊力和工作水深壓力的作用下，兩層貼合面之間產(chǎn)生的接觸應(yīng)力為：

式中：P為工作水深壓力；σ0為預(yù)緊接觸應(yīng)力；σp為貼合面接觸應(yīng)力。

選用的密封橡膠材料在實(shí)際工作壓力下的體積變化率是非常小的，可以忽略不計(jì)，一般密封材料的泊松比接近0.5，所以采用橡膠材料的密封結(jié)構(gòu)，其貼合面接觸應(yīng)力σp永遠(yuǎn)會(huì)比工作水深的壓力P大，實(shí)現(xiàn)自緊密封原理。

3 水下插拔連接器的密封設(shè)計(jì)

水下插拔連接器的重要作用體現(xiàn)在海洋探測(cè)及組網(wǎng)裝備中，為其外接接口提供穩(wěn)定可靠的水下插拔接口及擴(kuò)展口，因此，水下插拔技術(shù)中，主要難點(diǎn)也體現(xiàn)在光纖及光電復(fù)合狀態(tài)下的水下插拔功能結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。目前，具備獨(dú)立研制光電復(fù)合功能的水下插拔連接器廠家也不多，如：Deutsch、Hydro Group、Ge Oil and Gas、GISMA、MacArtney、POWERSEA、RMSpumptools、Schlumberger、SEA CON Group、Siemens、Souriau、Teledyne ODI等均可以提供水下插拔電連接器，但對(duì)于光電復(fù)合的水下插拔連接器，卻只有Hydro Group、MacArtney、SEA CON Group、Teledyne ODI等為數(shù)不多的廠家可以提供。

普通水下連接器采用人工方式實(shí)現(xiàn)插拔或者連接，因而可以采用相對(duì)較為復(fù)雜的連接方式，如螺紋、卡口等，并通過(guò)操作人員通過(guò)眼與手的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)連接。而水下插拔連接器在深海環(huán)境下必須由操作人員通過(guò)水下機(jī)器人進(jìn)行操作對(duì)接或者分離，并通過(guò)攝像頭進(jìn)行觀察，因此，在動(dòng)作上上無(wú)法達(dá)到人工操作的靈活性、精確性及快速性。在適應(yīng)水下機(jī)器人操作的接口上，如下圖2所示連接器尾部通過(guò)安裝不同手柄，適應(yīng)水下機(jī)器人的機(jī)械手抓??；另一方面，密封結(jié)構(gòu)也必須適應(yīng)機(jī)器人的操作工藝要求。

圖2 推拉式工作原理圖

3.1 端面密封結(jié)構(gòu)

連接器的端面密封結(jié)構(gòu)是一個(gè)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)端口打開(kāi)/閉合動(dòng)作不能過(guò)于復(fù)雜，這就要求密封結(jié)構(gòu)應(yīng)小巧、緊湊，以免連接器本身太重或者操作程序復(fù)雜，導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法實(shí)現(xiàn)插拔功能。正常情況下，機(jī)器人只能實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要求機(jī)器人通過(guò)簡(jiǎn)單的直線運(yùn)動(dòng)，連接器內(nèi)部根據(jù)需要可以自行將端口打開(kāi)或者閉合。對(duì)于插拔過(guò)程中的密封控制技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一，普通水下連接器由于在岸上進(jìn)行連接，所以?xún)H需要考慮連接后的密封性能即可，但水下插拔連接器的插拔及分離始終處于海水環(huán)境中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生密封失效將導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

3.2 密封可靠性

水下插拔連接器主要應(yīng)用于大型水下探測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，需要面臨工作在遠(yuǎn)海海域，所以耐高水壓密封性能非常重要，同時(shí)密封性能需要考慮到海水腐蝕、海生物生長(zhǎng)、海流沖擊等影響。在密封原理上，一般預(yù)緊力愈大密封效果越好，但在端口部位的過(guò)大的預(yù)緊力往往會(huì)造成連接器插拔力的成倍增加，導(dǎo)致水下機(jī)器人難以實(shí)現(xiàn)操作。深海環(huán)境下的水下設(shè)備基本采用充油壓力平衡模式以提高密封可靠性能，不僅可以保護(hù)原有的密封體系免受過(guò)大壓差的作用，同時(shí)利用填充的特種膠體可以增加一層密封保護(hù)層，其示意圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 自適應(yīng)裝置原理示意圖

4 國(guó)外典型水下插拔連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于水下插拔連接器的研發(fā)起步較早，產(chǎn)品成熟度和可靠性較高，并已投入工程化應(yīng)用，作為水下連接器中的高端產(chǎn)品，水下插拔連接器的核心就是端面密封技術(shù)，通過(guò)穩(wěn)定可靠的端面自動(dòng)閉合密封/打開(kāi)結(jié)構(gòu)，確保連接器能夠在水下實(shí)現(xiàn)耐水壓插拔功能。

4.1 Rolling-Seal連接器及NRH連接器

Rolling-Seal連接器及NRH連接器的光單元密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖4a所示，非工作狀態(tài)下，密封件中的光通道與端面平行，阻止海水滲入，因此可以保證內(nèi)部密封；需要進(jìn)入對(duì)接狀態(tài)前，隨著插頭插入插座過(guò)程中，通過(guò)連接器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)控制密封件旋轉(zhuǎn)，在保證密封條件下完成光通道連通、對(duì)接。NRH連接器內(nèi)部的大功率電源導(dǎo)體密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖4b所示。

圖4 Rolling-Seal連接器及NRH連接器端面密封原理示意圖

4.2 I-CONN連接器

I-CONN在結(jié)構(gòu)尺寸上及空間利用率上高于Rolling-Seal連接器及NRH連接器，密封原理圖如圖4所示。連接器的插頭及插座通過(guò)各自的鎖緊機(jī)構(gòu)將其內(nèi)部密封體的工作端口閉合，防止外界污染物進(jìn)入光插芯周?chē)?，通過(guò)充油實(shí)現(xiàn)二次密封。對(duì)接的過(guò)程中，插頭、插座內(nèi)密封體的端面首先貼合，隔離外界污染物；在操作力作用下，插頭向插座內(nèi)部沿軸向移動(dòng)，此時(shí)插頭、插座內(nèi)部的密封體相對(duì)鎖口部位產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)；當(dāng)密封體的工作端口滑離鎖口部位時(shí)，鎖口機(jī)構(gòu)不再對(duì)密封體的工作端口提供閉合作用力，插頭、插座內(nèi)部的工作端口全部打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的光纖插芯對(duì)接耦合。

圖5 I-CON連接器端面密封原理示意圖

4.3 Hydralight連接器

Hydralight連接器具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，密封原理圖如圖6所示，插頭的光纖及電插芯安裝于外殼中，其開(kāi)口通過(guò)內(nèi)部的可滑動(dòng)的活塞軸進(jìn)行密封，而插座中的光纖插芯及電插芯則安裝于軸芯中，開(kāi)口通過(guò)軸芯外部的可滑動(dòng)套筒進(jìn)行密封，這樣在分離狀態(tài)下，兩者均可以防止外界污染物進(jìn)入光插芯周?chē)?，并通過(guò)填充隔水光學(xué)匹配液實(shí)現(xiàn)二次密封效果；進(jìn)行連接時(shí)，插頭在插座導(dǎo)向孔的作用下前進(jìn)，將插頭的活塞軸和插座的密封套筒推動(dòng)滑行，直至將各自的插芯端口打開(kāi)，然后完成光纖對(duì)接耦合及電插芯的對(duì)接。

圖6 Hydralight連接器端面密封原理示意圖

5 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)已經(jīng)開(kāi)啟海洋大規(guī)模建設(shè)，這為光電復(fù)合水下插拔連接器的應(yīng)用提供了較大的技術(shù)平臺(tái)，水下插拔光電復(fù)合連接器在今后的海洋工業(yè)以及海防軍事建設(shè)中是擁有自己空間，通過(guò)水下插拔光電復(fù)合連接器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、電源以及控制信號(hào)的透明復(fù)接，為用戶(hù)提供方便、快捷的操作使用，大大提升整體功能；同時(shí)水下插拔連接器可以在水下自由拆除或者增加需要的設(shè)備儀器，方便水下工程升級(jí)換代，同時(shí)為維護(hù)提供新的方式。隨著海洋開(kāi)發(fā)與建設(shè)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，未來(lái)將海洋系統(tǒng)工程在工作水深、離岸距離都在不斷增加，規(guī)?；?、復(fù)雜化上的提升都會(huì)給平臺(tái)搭建帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)水下插拔連接器可以大幅降低系統(tǒng)工程的組建風(fēng)險(xiǎn)和改進(jìn)維護(hù)、維修性能，因此水下插拔連接器也是這些系統(tǒng)工程的關(guān)鍵部件，它對(duì)于我國(guó)今后的海洋建設(shè)起著重要的作用。

我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域處于起步階段，與國(guó)外差距較大，在關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上及可靠性上目前仍無(wú)法達(dá)到工程應(yīng)用要求，體現(xiàn)在容納的光電芯數(shù)、工作水深、實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用驗(yàn)證等。希望通過(guò)借鑒國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)，可以啟發(fā)我們的設(shè)計(jì)靈感，縮短研發(fā)周期，為海洋建設(shè)而盡早研發(fā)出我們自己的水下插拔連接器。

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