水下強(qiáng)電濕插電連接器電插件的設(shè)計(jì)

程銳，朱麟杰，許淑峰，丁翠紅，文歡(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)，特別是低壓油田，水下井口采油樹常常需要依賴電潛泵提供舉升動力保證油井產(chǎn)量，為了保證水下井口裝置和采油樹的安全需要采集流道內(nèi)的溫度和壓力等信息并進(jìn)行對應(yīng)的控制信號操作，這類情況往往不可避免地需要使用電連接器。水下干式電連接器，應(yīng)用于水下井口采油樹的電潛泵的動力通道中，不便于維護(hù)，不能在海水環(huán)境下進(jìn)行對接分離操作。應(yīng)用于水下井口裝置和采油樹流道內(nèi)的溫度和壓力等信息采集及控制信號操作，必須搭建相應(yīng)的密封和絕緣環(huán)境，在深水作業(yè)中，這是非常困難的。因此，常常需要用到水下濕插電連接器。

文章介紹了一種水下強(qiáng)電濕插電連接器，它采用了非接觸式導(dǎo)通絕緣密封結(jié)構(gòu)形式，可以有效解決水下濕插電連接器公插頭和母插頭在插接和分離過程中的非接觸式導(dǎo)通、絕緣、密封的問題，保證了水下濕插電連接器的水下插接和分離過程的安全可靠以及插拔壽命。

1 水下強(qiáng)電濕插電連接器電插件功能介紹

水下強(qiáng)電濕插電連接器由公插和母插組成，水下濕插電連接器通過公插和母插的插拔運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)水下濕插電連接在水下插合與分離過程中的公插與母插導(dǎo)通以及電插件與外部環(huán)境絕緣、密封。

1.1 公插與母插接觸部分結(jié)構(gòu)說明

公插的前端為插銷，它由導(dǎo)芯和絕緣層整體構(gòu)成，前端裸露導(dǎo)芯為公端插合導(dǎo)通的導(dǎo)電件，非裸露部分由絕緣層絕緣，尾端連接電纜，安裝于水下濕插電連接器公插上，其中部由非金屬密封件對插銷插合端與電纜連接端隔離，確保對外部環(huán)境的密封隔離。

母插前端為前端密封，其安裝于密封定位環(huán)上，其內(nèi)部密封往復(fù)銷；往復(fù)銷由彈簧支撐，安裝于母插接觸桿開口槽內(nèi)，在公端插銷的插拔運(yùn)動下，可以進(jìn)行前后往復(fù)運(yùn)動，由絕緣材料制成；母插接觸桿端部設(shè)有環(huán)槽，并在軸向上分布開口，使其端部具備一定的彈性，其尾端連接電纜；接觸網(wǎng)安裝于母插接觸桿端部環(huán)槽內(nèi)，接觸網(wǎng)為C 型收腰結(jié)構(gòu)的開口薄環(huán)片，也具備一定的彈性，為電的良導(dǎo)體；在公端插銷推動往復(fù)銷壓縮彈簧向內(nèi)運(yùn)行，公端插銷導(dǎo)芯裸露部分進(jìn)入接觸網(wǎng)，過盈壓緊在母插接觸桿端部環(huán)槽內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了公插和母插的電導(dǎo)通，母端導(dǎo)電件為母插接觸桿和接觸網(wǎng)；彈簧內(nèi)部安裝有彈簧支撐桿，避免彈簧在工作過程中失穩(wěn)屈服失效；母插接觸桿與母插本體之間由絕緣套絕緣，且母插接觸桿的插合端與電纜連接端由非金屬密封件進(jìn)行隔離密封；絕緣套的外部安裝有次級隔膜，其內(nèi)部充滿絕緣重油，并將母端導(dǎo)電件始終隔離在內(nèi)部絕緣重油環(huán)境中；次級隔膜由精選的非金屬密封材料制成，在插拔運(yùn)動過程中，它可以通過自身的形狀變化，保證內(nèi)外壓力腔壓力平衡；次級隔膜端部安裝有次級隔膜鎖環(huán)，確保其端部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免其在插拔運(yùn)動過程中因壓力的快速變化功能性失穩(wěn)；次級隔膜的外圍由主級隔膜形成充滿絕緣重油腔，主級隔膜與外界環(huán)境壓力相通，由精選的非金屬密封材料制成，在插拔運(yùn)動過程中，它可以通過自身的形狀變化，保證內(nèi)外壓力腔壓力平衡；主級隔膜由隔膜套壓緊于密封定位環(huán)和母插本體上，隔膜套底部有定位孔，通過定位銷定位于母插本體上。

1.2 功能介紹

母插有兩組功能模塊，分別為非接觸式導(dǎo)體替讓結(jié)構(gòu)和多級壓力平衡與密封結(jié)構(gòu)。非接觸式導(dǎo)體替讓結(jié)構(gòu)由母插接觸桿、彈簧支撐桿、彈簧、接觸網(wǎng)、往復(fù)銷組成，其中母插接觸桿和接觸網(wǎng)是母端的插合導(dǎo)通的導(dǎo)電件，往復(fù)銷為公端插銷非接觸式絕緣替讓件。多級壓力平衡與密封結(jié)構(gòu)由主級隔膜、次級隔膜、絕緣套、前端密封組成，其中主級隔膜和次級隔膜內(nèi)腔均充滿絕緣重油，主級隔膜直接接觸外部水環(huán)境，可以隨著內(nèi)外力的變化收縮或者膨脹，以保證內(nèi)外壓力平衡，同前端密封一起，構(gòu)成了三級密封壓力平衡環(huán)境[1]。

前端密封在插合前與往復(fù)銷一起隔絕外界水環(huán)境；在插合過程中，在公端插銷替換退讓的往復(fù)銷，前端密封和公端插銷一起隔絕外界水環(huán)境，并且在這個過程中，前端密封對公端插銷裸露導(dǎo)芯表面的水進(jìn)行了剔除，主級隔膜內(nèi)腔的絕緣重油由于內(nèi)壓的增大和高密度環(huán)境，對外部相對低壓、低密度的水環(huán)境進(jìn)行拒止，絕緣重油少量溢出，這個過程中沒有進(jìn)行電導(dǎo)通動作；公端插銷進(jìn)入到次級隔膜，繼續(xù)替換退讓的往復(fù)銷，往復(fù)銷與次級隔膜形成的內(nèi)部絕緣重油隔離密封逐漸替換為公端插銷與次級隔膜的絕緣重油隔離密封，這個過程中次級隔膜繼續(xù)對公端插銷裸露導(dǎo)芯表面的水進(jìn)行二次剔除，次級隔膜內(nèi)腔的絕緣重油由于內(nèi)壓的增大，對外部相對低壓環(huán)境進(jìn)行拒止，絕緣重油少量溢出，這個過程中沒有進(jìn)行電導(dǎo)通動作；公端插銷的裸露導(dǎo)芯很短，很快就完全進(jìn)入次級隔膜內(nèi)腔，與主級隔膜腔和前端密封外部環(huán)境形成兩道絕緣隔離；當(dāng)完全插合時，公端插銷的裸露導(dǎo)芯撐開接觸網(wǎng)，過盈壓緊在母插接觸桿端部環(huán)槽內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了公插和母插的電導(dǎo)通[2]。當(dāng)公端插銷拔出時，往復(fù)銷在彈簧作用下，重新復(fù)位，實(shí)現(xiàn)電絕緣和密封。

2 影響電插件功能的主要因素

水下強(qiáng)電濕插電連接器工作要求：

(1)分離時，公插與母插的內(nèi)部環(huán)境要與外部隔離，即獨(dú)立密封。(2)對接過程中，公插侵入母插，母插有體積膨脹的趨勢，必須保證母插壓力平衡，確保公插對接過程順利，并且該過程必須保證母插對外界的密封。(3)插合后，要保證公插和母插的導(dǎo)電件與外部環(huán)境的絕緣，同時具有規(guī)定的足夠小的接觸電阻，保證插合導(dǎo)通良好。(4)公插與母插可以保證多次插拔的插拔壽命。

影響電插件功能的主要因素有：

(1)母插壓力平衡腔，必須采用大密度、高絕緣性的絕緣油，確保其能夠以最小的體積變化為代價，快速感知外部壓力變化，并迅速實(shí)現(xiàn)壓力平衡；這在電插件對接和分離時，減少絕緣油的溢出或海水的侵入。(2)為了保證足夠的內(nèi)部與外部環(huán)境的電絕緣，母插應(yīng)至少設(shè)計(jì)成兩級壓力平衡腔，確保接合后電插件與外接環(huán)境的完全絕緣；且需確保，在多次插合后，依然能保證壓力平衡腔內(nèi)的介電參數(shù)滿足使用要求，在設(shè)計(jì)的使用壽命內(nèi)絕緣性能不失效。(3)公插與母插的導(dǎo)電件，必須有良好的導(dǎo)電性能，避免其熱量積累溫度持續(xù)升高引起的功能失效；同時避免在對接導(dǎo)通后，由于過大的接觸電阻引起的功能失效。

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 多級壓力平衡腔設(shè)計(jì)

多級壓力平衡腔壓力傳導(dǎo)方程：

式中：P 為壓力(MPa)；K 為填充介質(zhì)(重油)的壓縮模量(MPa)；ρ 為重油的密度( kg/m3)

重油壓力平衡重建速度：

式中：C 為壓力微擾傳播的速度(重油的聲速)( m/s)。

從上述分析可知，電連接器密封腔內(nèi)應(yīng)盡量采用高絕緣性的絕緣重油作為多級壓力平衡腔的壓力平衡介質(zhì)。

3.2 導(dǎo)電件導(dǎo)通設(shè)計(jì)

導(dǎo)電件的導(dǎo)通能力，關(guān)鍵在于接觸網(wǎng)與母插接觸桿和插銷的界面配合關(guān)系，接觸網(wǎng)為一開口環(huán)(如圖1 所示)，其展開圖如圖2 所示，其外徑od 與母插接觸桿內(nèi)徑ID 相配，內(nèi)徑id 與插銷外徑OD 相配(如圖3 所示)。

圖1 接觸網(wǎng)成型圖

圖2 接觸網(wǎng)展開圖

圖3 接觸網(wǎng)與母插接觸桿和插銷配合界面圖

接觸網(wǎng)內(nèi)接觸面與外接觸面高度h1：

母插接觸桿導(dǎo)電槽與插銷外緣徑向高度h2：

接觸網(wǎng)凸緣徑向位移：

接觸電阻包括集中電阻、膜層電阻、導(dǎo)體電阻。其中，集中電阻與膜層電阻之和為真實(shí)接觸電阻；真實(shí)接觸電阻與導(dǎo)體電阻之和為總接觸電阻。

為了保證接觸件間具有良好的電接觸應(yīng)有Δr<0，在確保接觸件接觸的前提下，接觸件間應(yīng)有良好的接觸應(yīng)力，確保接觸過盈量取得合適Δr值，降低接觸電阻。

4 結(jié)語

我司依托1 500 m 水下智能井口和采油樹項(xiàng)目，對水下強(qiáng)電濕插電連接器進(jìn)行了合理化設(shè)計(jì)、制造、測試，完成了水下強(qiáng)電濕插電連接器(5 KV&125 A)的開發(fā)，投入了中國南海某油田水下采油樹動力電纜動力傳輸使用，并在實(shí)踐應(yīng)用中運(yùn)行良好，滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。