水下電連接器新型密封技術(shù)

趙宏力(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

近幾十年由于經(jīng)濟(jì)全球化，全球經(jīng)濟(jì)得到高速發(fā)展，在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中石油、天然氣的消耗也是巨大的，這就促使石油、天然氣開采由陸地走向海洋，由淺海走向深海。水下電連接器(以下簡(jiǎn)稱電連接器)是水下采油氣裝備中關(guān)鍵部件，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的電連接器基本被國(guó)外SEACON、SOURIAU、GISMA、BEDIX 等公司產(chǎn)品所壟斷[1-3]。電連接器廣泛使用在石油天然氣、軍事等領(lǐng)域[4]，而且其密封技術(shù)是保密的。電連接器國(guó)產(chǎn)化是必然趨勢(shì)。電連接器在國(guó)內(nèi)近十年來(lái)早有公司及科研單位進(jìn)行研究，性能穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品極少。

電連接器應(yīng)用在非常惡劣的深水環(huán)境，水密性是急需解決的關(guān)鍵技術(shù)，其中胡曉東等[5]針對(duì)O 型密封圈應(yīng)用在電連接器上的靜態(tài)密封進(jìn)行了研究，但胡曉東等未針對(duì)電連接器插合工況下的密封進(jìn)行研究。趙宏林等針對(duì)電連接器插合工況下進(jìn)行了研究[6]，得出在理想環(huán)境電連接器插合過(guò)程中密封是可靠的。以上研究未針對(duì)電連接器電纜端密封進(jìn)行研究。電纜端常規(guī)的密封方法為硫化，但這種密封對(duì)硫化要求較高，一旦硫化過(guò)程出現(xiàn)瑕疵，就導(dǎo)致密封或電絕緣失效，而且采用硫化密封電連接器維修不方便，一旦出現(xiàn)短路或水密性問(wèn)題查找根源較為困難。本文針對(duì)電連接器后端電纜提出一種新型的密封方法。

1 電纜及電連接器密封結(jié)構(gòu)

電纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，其中外護(hù)套1 是電纜的承力件。電連接器的關(guān)鍵技術(shù)之一就是如何在保證不損壞電纜線同時(shí)把電纜固定在電連接器內(nèi)，同時(shí)還要保證在水下拉拽電連接器電纜時(shí)不脫線，即電連接器在拉拽的情況下完好無(wú)損。

電連接器插頭、插座均需把電纜固定在電連接器后端殼體內(nèi)，兩者的固定方式相同。本文以插頭后端殼體內(nèi)固定電纜方式為例進(jìn)行闡述。如圖5 電連接器電纜鎖緊結(jié)構(gòu)局部剖視圖所示，電纜5 通過(guò)鎖緊電纜鎖緊壓板2 和電纜鎖緊環(huán)3 將電纜線固定在電連接器后端殼體內(nèi)部。電連接器后端殼體與插頭前端殼體用螺釘連接起來(lái)，兩者之間采用O 型密封圈進(jìn)行密封，O 型密封圈是經(jīng)典的密封方式，密封可靠性強(qiáng)，插頭前端殼體與后端殼體對(duì)接處密封的可靠性得以保障。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

電連接器后端電纜線密封采用硫化密封是較為常見的密封方式。本文研究的電連接器電纜端密封方式為非硫化密封。

由于電連接器長(zhǎng)期工作在水下惡劣的環(huán)境中，為了保證電連接器的水密性，如圖2 所示，電連接器采用二級(jí)密封。

圖2 二級(jí)密封位置示意圖

圖3 電連接器電纜線端密封局部剖視圖

如圖3 所示，第一級(jí)密封為電纜后端殼體1 與密封環(huán)載體3 之間均為金屬采用O 型密封圈4 密封。因密封環(huán)載體3 與電纜2 之間為金屬和剛度較弱的非金屬，所以在水深1 500 m 的工況下此處采用O 型密封圈是不可能密封住的。因此密封環(huán)載體與電纜之間的密封是否可靠是電連接器水密封的關(guān)鍵技術(shù)，此處本文所研究的密封方式為具有彈性的硅膠密封。電連接器電纜在拉扯的情況下此處可能會(huì)松動(dòng)，為了保證硅膠始終與電纜及密封環(huán)載體處于彈性壓緊狀態(tài)，由壓緊螺母5 壓緊彈性硅膠使硅膠與密封環(huán)載體及電纜始終保持貼合狀態(tài)確保電連接器的水密性。第二級(jí)密封與第一級(jí)密封方法相同，不再贅述。

如圖4 電連接器插頭前端結(jié)構(gòu)剖視圖所示，電纜線與插針的焊杯采用焊接連接，由線距保持架1 保證線之間的距離防止短路。絕緣體3 由定位銷8 定位在電連接器前端殼體5 內(nèi)。壓緊螺母2 把絕緣體固定在電連接器前端殼體內(nèi)，絕緣體與電連接器前端殼體之間采用O 型密封圈7 密封，絕緣體與插針4之間采用O 型密封圈6 密封，O 型密封圈密封是比較成熟的密封方式，能夠確保電連接器的水密性。

圖4 電連接器插頭前端結(jié)構(gòu)剖視圖

2 電纜夾緊固定密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖5 所示，電纜是由密封環(huán)載體1 壓緊電纜鎖緊壓板2，壓緊螺母4 為電纜鎖緊環(huán)3 的限位件，然后電纜鎖緊壓板擠壓電纜鎖緊環(huán)3 把電纜固定起來(lái)，防止電纜受載荷的情況下軸向位移。在這種固定電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中固定電纜是設(shè)計(jì)意圖的主要功能，密封是次要功能。

電纜夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要注意以下兩個(gè)問(wèn)題：第一、電纜鎖緊壓板設(shè)計(jì)成錐面，錐面的錐角大小設(shè)計(jì)要合理。錐度太大裝配后不易自鎖，預(yù)緊力過(guò)大電纜易夾壞。錐面錐度太小，電纜被夾緊力不足，固定電纜功能失效，且夾緊行程過(guò)大導(dǎo)致電連接器尺寸過(guò)大，對(duì)裝配及成本都會(huì)造成影響。第二、電纜鎖緊環(huán)的材料選擇很重要，剛度不能太高，太高在電纜鎖緊的過(guò)程中容易破壞電纜，剛度太小造成預(yù)緊力小軸向摩擦力變小，固定電纜作用失效。

圖5 電連接器電纜鎖緊結(jié)構(gòu)局部剖視圖

3 電纜夾緊結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析

如圖6 電纜夾緊結(jié)構(gòu)受力示意圖所示。把電纜受力簡(jiǎn)化等效成平面力，P為沿電纜軸方所受載荷，N為沿電纜徑向鎖緊壓板對(duì)電纜鎖緊環(huán)的預(yù)緊力的分力。電纜所受載荷P由電纜鎖緊環(huán)與電纜外護(hù)套之間的摩擦力Fm所提供，摩擦力Fm應(yīng)始終大于電纜的最大載荷Pmax才能確保電連接器正常工作，即有公式(1)：

公式(1)中為電纜鎖緊環(huán)2 與電纜外護(hù)套3 之間的摩擦系數(shù)，電纜鎖緊環(huán)與電纜外護(hù)套之間的摩擦系數(shù)在0.45 左右，裝配擠壓后與電纜外護(hù)套粘結(jié)，電纜鎖緊環(huán)與電纜外護(hù)套之間的摩擦系數(shù)很大近乎固定連接。在裝配時(shí)，電纜鎖緊壓板對(duì)電纜鎖緊環(huán)施加一定的力，根據(jù)壓力角大于摩擦角會(huì)自鎖原理設(shè)計(jì)的錐面，能夠確保有穩(wěn)定足夠的預(yù)計(jì)力N。電纜夾緊后，電纜在拉扯的過(guò)程中只要載荷P小于等于電纜的允許載荷就可以確保電連接器與電纜連接的可靠性。

圖6 電纜夾緊結(jié)構(gòu)受力圖

4 測(cè)試試驗(yàn)

4.1 密封測(cè)試

本文所介紹水下電連接器后端密封方式，已通過(guò)密封測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)方法：外加氦氣壓力16.5 MPa，使用氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行漏率檢測(cè)，要求漏率指標(biāo)不大于1.0×10-6Pa·m3/s，實(shí)際測(cè)量值為小于0.5×10-7Pa·m3/s。

4.2 電纜拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

電纜拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，電連接器插頭固定在面板上，電連接器電纜固定在測(cè)力裝置上拉拽電纜。電連接器電纜的額定載荷為6 kN，在加載至6.5 kN 時(shí)，電纜被拉斷。電纜與電連接器焊接點(diǎn)及電連接器完好無(wú)損。通過(guò)研究，這種電連接器后端密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，維修方便，具有良好的水密性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以水下電連接器密封研究為切入點(diǎn)，詳細(xì)介紹了電連接器后端二級(jí)密封方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了密封的可靠性。該密封方式彌補(bǔ)了連接器后端硫化密封的不足，有很強(qiáng)的實(shí)用性。本文還詳細(xì)介紹了電纜固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，具有很好的參考價(jià)值。