水下跨接電纜濕式接頭多級密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

朱麟杰, 程 銳,許淑峰

(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

水下跨接電纜用強(qiáng)電濕插連接器是海洋工程設(shè)備中的關(guān)鍵通用件之一，是海底電纜連接的“活動(dòng)關(guān)節(jié)”，廣泛應(yīng)用于海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)，例如井下電潛泵、海底多相泵，海底觀測網(wǎng)接駁盒；水下工程機(jī)械，例如海底壓縮機(jī)、海管加熱系統(tǒng)以及潛艇、深海潛器等。井下電潛泵是一種重要的機(jī)械采油設(shè)備，具有排量大、揚(yáng)程高的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于深井和定向井中，是油田實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要手段[1]。電潛泵的供電則通過采油樹帽上的濕式電接頭母頭與油管懸掛器電纜穿越通道中的濕式電接頭公頭密封插合實(shí)現(xiàn)。濕式電接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)中電接觸器件數(shù)量多，工作電壓高，電流大，工況環(huán)境復(fù)雜。當(dāng)其通電時(shí)，濕式電接頭公頭插入到母頭腔體，防止海水流入和液壓油流出以保護(hù)腔內(nèi)電器設(shè)備[2]，因此濕式電接頭整體密封要求極高。長期以來，濕式電接頭的絕緣、密封以及導(dǎo)電等關(guān)鍵技術(shù)[3]由國外行業(yè)巨頭公司所把持，國內(nèi)研究進(jìn)展緩慢。本文針對中國南海某油田開發(fā)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)一種水下跨接電纜濕式接頭多級密封結(jié)構(gòu)，對強(qiáng)電濕插連接器的密封結(jié)構(gòu)作了深入研究，對插合過程進(jìn)行力學(xué)分析，并結(jié)合有限元分析和氦氣檢漏試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 水下跨接電纜濕式接頭多級密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以我國南海某油田開發(fā)項(xiàng)目為例，水下跨接電纜干式接頭在平臺(tái)上預(yù)先插合完畢，濕式接頭母頭卡接密封安裝在采油樹帽中，濕式接頭公頭卡接密封安裝在油管懸掛器電纜穿越通道中，濕式接頭隨采油樹帽安裝到位即實(shí)現(xiàn)公、母頭適配插合，陸地終端通過該插合連接實(shí)現(xiàn)電潛泵的供電[4-5]。插合全過程均在水下帶壓完成，且插合全過程經(jīng)受復(fù)雜外部環(huán)境(包括環(huán)境壓力、微生物、顆粒物、咸水)影響，極易出現(xiàn)密封失效。

本文設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)的插針與插孔直接插合并密封的方式改為插針先與中間過渡部件往復(fù)銷密封插合后，再插合至插孔的結(jié)構(gòu)，以及相配合的多級密封結(jié)構(gòu)形式。以三針結(jié)構(gòu)作為具體研究對象，主級隔膜材料選用氟膠彈性體，往復(fù)銷材料選用絕緣材料,唇形前密封材料選用氟膠彈性體,次級隔膜材料選用硅橡膠，密封整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多級密封整體結(jié)構(gòu)

該多級密封結(jié)構(gòu)主要包括：

1) 第1級密封。主級隔膜安裝于水下濕式接頭插孔端外筒內(nèi)側(cè)，兩端用隔膜套筒壓緊在兩端端蓋上。主級隔膜兩端均設(shè)置有多道密封凸起，安裝到位后，形成密封，使電連接器內(nèi)部形成密封空間。其內(nèi)部充滿絕緣介質(zhì)，外部海水通過外筒上的平衡孔接觸主級隔膜外壁。外部壓力和內(nèi)部壓力通過主級隔膜的形變，達(dá)到內(nèi)外平衡的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 主級隔膜密封結(jié)構(gòu)示意

2) 第2級密封。主要用于插合過程中的動(dòng)密封，該級密封包括2部分：

①濕式接頭公頭插針、往復(fù)銷與前密封之間的密封。前密封被固定安裝在前、后密封定位環(huán)之間，具體結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 第2級密封前密封結(jié)構(gòu)示意

②濕式接頭公頭插針、往復(fù)銷與次級隔膜之間的密封。次級隔膜用于包裹插孔的金屬端，相當(dāng)于密封的雙保險(xiǎn)。次級隔膜的一端被端蓋壓緊在絕緣套上，另一端依靠與圓柱狀往復(fù)銷的過盈配合進(jìn)行密封。密封空間內(nèi)部充滿絕緣介質(zhì)，外部空間則是主級隔膜內(nèi)部的絕緣介質(zhì)。在插拔過程中，次級隔膜內(nèi)部的絕緣介質(zhì)會(huì)少量流失。外部壓力和內(nèi)部壓力通過次級隔膜的形變，達(dá)到內(nèi)外平衡的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)示意如圖4。

圖4 第2級密封次級隔膜結(jié)構(gòu)

在濕式接頭母頭隨著采油樹帽下入直至安裝插合前，外部環(huán)境壓力隨水深增加逐漸變大，此時(shí)，往復(fù)銷與唇形前密封保持密封，而整個(gè)電接觸件部分則被主級隔膜包覆其中，保持密封。在濕式接頭母頭下入過程中，外部環(huán)境壓力逐漸變大，主級隔膜受外壓作用，自身形變程度加劇，起到調(diào)節(jié)內(nèi)外腔壓力的作用。

2 密封結(jié)構(gòu)和插合過程力學(xué)分析

常見的電連接器采用傳統(tǒng)的插針與插孔直接插合的方式，除配合尺寸和電學(xué)性能參數(shù)要求等限制條件外，無其他特殊要求。水下跨接電纜濕式接頭則因?yàn)樾枰谒逻M(jìn)行插拔運(yùn)動(dòng)，對承壓和密封有更高的要求。

2.1 主級隔膜密封結(jié)構(gòu)及受力分析

濕式接頭母頭主級隔膜安裝到位后，兩端分別安裝在密封定位環(huán)和插座本體上，并由隔膜套筒壓緊，此時(shí)橡膠材料發(fā)生彈性形變，產(chǎn)生預(yù)緊力，形成預(yù)密封。

濕式接頭母頭整體安裝在采油樹帽中，隨著采油樹帽一起下入。隨著水深加大，外部環(huán)境壓力逐漸增。該過程中，主級隔膜的形變逐漸加劇，一方面在密封位置產(chǎn)生更大的應(yīng)力，保證密封效果；另一方面，通過自身形變調(diào)節(jié)內(nèi)、外腔壓力平衡[6]。

2.2 濕式接頭插合過程動(dòng)態(tài)密封及受力分析

以我國南海某油田開發(fā)項(xiàng)目所用三芯連接器為例，當(dāng)濕式接頭公頭插針與往復(fù)銷外端貼合后，插合過程開始。

設(shè)定整個(gè)插合過程為勻速運(yùn)動(dòng)，插合速度v=100 mm/s,已知侵入單針截面積A=78.54 mm2，插合行程l=50 mm，則插合過程持續(xù)時(shí)間t=0.5 s，插合過程示意如圖5。

圖5 插合過程示意

在絕緣油灌注質(zhì)量確定的情況下，有

(1)

式中：V為絕緣油體積；m為液壓腔內(nèi)絕緣油的質(zhì)量；ρ為當(dāng)前體積下密度。

根據(jù)方程關(guān)系有

(2)

其中：

已知絕緣油的體積模量k=2 000 MPa，絕緣油的密度ρ=8 950 kg/m3，常數(shù)C表征壓力微擾引起密度變化的速率,即絕緣油的聲速，代入數(shù)據(jù)得C=1 495 m/s

考慮瞬時(shí)外圍隔膜體積不變的情況下，插針插入對隔膜內(nèi)部壓力擾動(dòng)的情況，下面進(jìn)行具體分析：

已知l=vt，公頭插針侵入體積Vt=lA=vAt，則

ΔVt=lA=vAΔt

(3)

(4)

兩邊積分可得

p=kln|V0-vAt|+C0

(5)

式中：C0為常數(shù)，當(dāng)t=0時(shí)，p=0，即插針剛與往復(fù)銷貼合時(shí)而未進(jìn)行插合時(shí)，介質(zhì)壓差為0，則有C0=-klnV0

方程(5)改寫為

(6)

式中：V0為液壓腔初始體積。

在實(shí)際過程中，當(dāng)插針開始插合的第1個(gè)單位時(shí)間后，壓力通過絕緣介質(zhì)傳遞至主級隔膜，主級隔膜發(fā)生形變并將壓力反饋至密封位置，此時(shí)式(4)應(yīng)修正為

(7)

式中：Vx是t(0≤t≤0.5 s)時(shí)間主級隔膜形變造成內(nèi)腔整體體積的變量，Vx與主級隔膜的材料及插針插入的時(shí)歷過程有關(guān)。

根據(jù)水下跨界電纜濕式接頭實(shí)際插合過程及相關(guān)資料，所得的最大介質(zhì)壓差為5 MPa[7]，液壓腔初始體積V0=225 020 mm3，代入式(6)估算得知，最大介質(zhì)壓差出現(xiàn)時(shí)間為0.023 9 s，在整個(gè)插合時(shí)間占比不足5%，該影響可忽略，可認(rèn)為在整個(gè)插合過程中，介質(zhì)壓差維持在5 MPa，可以在該壓差進(jìn)行相關(guān)零部件的強(qiáng)度分析。

所用密封件材料氟膠彈性體的拉伸強(qiáng)度為13.4 MPa，所以當(dāng)最大介質(zhì)壓差產(chǎn)生時(shí)，密封件形態(tài)保持穩(wěn)定，有少量絕緣油被介質(zhì)壓差擠出，密封性能穩(wěn)定。

3 多級密封結(jié)構(gòu)插合過程有限元分析

根據(jù)實(shí)際工況，使用ANSYS軟件對插合過程中產(chǎn)生最大介質(zhì)壓差時(shí)，密封件上的應(yīng)力、應(yīng)變分布進(jìn)行有限元分析，以確定密封性能[8-10]。

給定密封件橫截面內(nèi)徑與公頭插針尺寸相匹配，插針插合時(shí)，由于插針自身的形變量極小，故將其設(shè)定為剛體。設(shè)定1個(gè)軸向載荷作用于公頭插針位于海水一側(cè)的一端，使其產(chǎn)生軸向移動(dòng)(位移長度等同于實(shí)際工況位移)，設(shè)定1個(gè)徑向約束用于固定密封件。施加均布載荷作用于唇形密封件與公頭插針插合面，從而最大限度地模擬插合過程實(shí)際受壓情況，充分表現(xiàn)物理密封特性，得到較為合理的結(jié)果。圖6為所設(shè)置計(jì)算模型的簡化二維模型[11]。

圖6 濕式接頭插合過程密封的簡化模型

3.1 濕式接頭插合過程受介質(zhì)壓差及插合力動(dòng)態(tài)密封及受力分析

設(shè)定最大介質(zhì)壓差為5 MPa，插拔力350 N，對濕式接頭插合過程進(jìn)行有限元分析，得到圖7所示的應(yīng)力分布云圖。

圖7 濕式接頭插合過程密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖7可知，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在公頭插針與密封件密封位置的中段，最大值為8.086 9 MPa，小于氟膠彈性體的拉伸強(qiáng)度，證明連接器插合過程中產(chǎn)生最大介質(zhì)壓差時(shí)，密封保持穩(wěn)定、可靠。密封件由于外部結(jié)構(gòu)件約束，其遠(yuǎn)離密封位置的一端應(yīng)力值較小，最小值為0.016 1 MPa。應(yīng)力分布自密封位置呈徑向、軸向逐漸變小，且分布較為均勻。

由于此處密封屬于金屬與橡膠之間的動(dòng)密封，且該動(dòng)密封過程中密封位置處存在較大壓力，因此使用應(yīng)變作為主要參考因素通常比應(yīng)力更能體現(xiàn)整體密封性能[12-13]。圖8是插合過程中的密封結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖。

圖8 濕式接頭插合過程密封結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖

由圖8可知，應(yīng)變峰值位于密封件上公頭插針與密封組件插合的密封位置，密封件最大形變?yōu)?2.15%，但其由于受外部結(jié)構(gòu)件約束，遠(yuǎn)離密封位置的一端應(yīng)變較小，最小應(yīng)變?yōu)?.30%。密封件的大幅形變使得公頭插針與密封件產(chǎn)生過盈配合，形成有效密封。同時(shí)，可以結(jié)合圖9所示位移云圖來驗(yàn)證密封效果。

由圖9可知，最大位移均出現(xiàn)在密封位置，過盈量為0.445 mm，一般設(shè)計(jì)中的過盈量設(shè)置為0.2～0.5 mm，證明該密封結(jié)構(gòu)密封性能能夠滿足實(shí)際工況需求。

圖9 濕式接頭插合過程密封結(jié)構(gòu)位移云圖

4 濕式接頭泄漏量測試

常規(guī)的分析密封性能的方法是根據(jù)接觸應(yīng)力大于介質(zhì)壓差來判斷的，但實(shí)際上泄露是無法避免的，泄露是絕對的，無泄漏是相對的。因此通過上面的計(jì)算分析，仍需要對該多級密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際測試以檢測其密封性能[14-16]。

將濕式接頭母頭與干濕接頭公頭各自裝配完成后，通過電纜穿越及連接裝置進(jìn)行密封連接，完成后的結(jié)構(gòu)如圖10。

圖10 氦氣檢漏測試連接器整體裝配示意

通過濕式接頭母頭上壓孔外加氦氣，壓力達(dá)到0.138 MPa(20 psi)并密封，待表顯壓力穩(wěn)定后進(jìn)行保壓，保壓時(shí)間24 h。

試驗(yàn)要求：漏率指標(biāo)≤1×10-6Pa·m3/s。

實(shí)際保壓過程有壓降，泄露測量值為0.5×10-7Pa·m3/s，證明該多級密封結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用中密封性能良好。

5 結(jié)論

1) 密封結(jié)構(gòu)和插合過程力學(xué)分析表明，該多級密封結(jié)構(gòu)能夠滿足濕式接頭安裝及插合全過程密封性能需求，并且可以迅速調(diào)節(jié)內(nèi)外腔壓力平衡。

2) 有限元分析結(jié)果表明，該多級密封結(jié)構(gòu)在插合過程中形態(tài)穩(wěn)定。泄露測試結(jié)果表明該多級密封結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)過程中密封可靠。

3) 由于插合過程中介質(zhì)壓差的存在，每一次插合過程都會(huì)導(dǎo)致內(nèi)腔絕緣油外泄，結(jié)合泄露測試，可以表明在濕式接頭的生命周期內(nèi)，一定次數(shù)插拔不影響其密封性能及絕緣性能，這即是濕式連接器的插拔壽命。

4) 由于插合過程是一個(gè)多相耦合的復(fù)雜過程，本文簡化了其計(jì)算模型。更為準(zhǔn)確地做法應(yīng)該是結(jié)合多次工況環(huán)境下全過程試驗(yàn)結(jié)果、輔以密封性能分析以及泄漏量分析。