水下采油樹設備三段式電纜穿越裝置結構設計研究

許洋，范海濤，宋小海（美鉆能源科技（上海）有限公司，上海 200941）

0 引言

水下采油樹設備電纜穿越裝置作為一種重要的傳送電力和信號的連接裝置，以其安全性能好、密封可靠、操作方便等特點受到廣泛重視并投入應用。

水下采油樹設備三段式電纜穿越裝置，為美鉆能源科技（上海）有限公司（MSP）開發的應用于水下電潛泵與水上控制系統聯系并傳送電力和PSI/PHD 信號的連接裝置[1]。

1 電纜穿越裝置的總體設計

電纜穿越裝置（如圖1 所示），按照部件分類，由三部分組成，包括水下電纜接頭、樹帽跨接纜和油管掛電纜接頭。按照功能分類，可以分為干式連接器和濕式連接器。

2 電氣安全和結構密封要求

電氣安全和結構密封性能是電纜穿越裝置的安全性和可靠性的關鍵。通常要求如下[2]：

（1）水下對接，在DC5 000 ±5 V 電壓下，應保證每個接點之間，接點和地之間的絕緣電阻等級大于10 GΩ。

（2）終端絕緣套耐壓要求。絕緣套應在海水中使用交流15 kv 的電壓持續測試60 s，不應發生擊穿和對地漏電的情況發生。

（3）高電壓測試的交變試驗電壓頻率范圍應當在49 赫茲到61 赫茲之間，測試電壓為2.5 Uo + 2 kV（Uo 為導體與地之間的電壓），Uo 電壓范圍（kV）：2.886，均方根測試電壓（kV）：9.2，直流測試電壓（kV）：22.0，接點之間、接點與地之間的高壓耐壓測試時間為5 min。

（4）升溫要求三芯連接器連接在35 mm2的電纜上，在自由狀態使用700 A 電流變壓器進行測試，電流負載為125 A 時，不高于環境溫度30 ℃。

圖1 采油樹帽示意圖

（5）總裝試驗時，連接器腔體內氦氣壓力為103.4 kPa，氦氣泄漏量為8 h 后內部壓降不應超過6.9 kPa。

（6）插拔過程中，海水不能滲入連接器腔體內，導致海水腐蝕，電插件短路、失效。

（7）通電情況下，接插件與海水不能形成任何回路，即具有可靠的絕緣性。

（8）在插頭和插座分離后，連接器插座端立刻自行密封，避免海水滲入。

（9）在500 次反復插拔后，水下電連接器的結構密封性能仍然相當可靠。

3 多級密封壓力平衡結構設計

如圖2 所示，電纜穿越裝置的插頭和插座均有兩級密封平衡艙，這兩級密封平衡艙的密封件分別為主級隔膜和次級隔膜。主次級隔膜都是橡膠材料，形狀呈圓柱氣囊狀，隔膜兩端內外壁均有多道突出截面為半球型或者方形的環狀密封面。隔膜中間部分凸起，能有效的增長隔膜延展性，增加了隔膜的變形量[3]。

主級隔膜，內部充滿絕緣介質。外部海水通過外筒上的平衡孔接觸主級隔膜外壁。插頭和插座在水下插拔的過程中，外界的海水通過壓力平衡孔進入柔性隔膜的外側。當插頭穿過密封裝置插入插座時，不存在壓力梯度，不產生任何應力。

次級隔膜，該密封隔膜用于包裹插針或插孔的金屬端，相當于密封的雙保險。密封空間內部充滿絕緣介質，外部空間則是主級隔膜內部的絕緣介質。在插拔過程中，次級隔膜內部的絕緣介質會部分少量流失。外部壓力和內部壓力通過隔膜的形變，達到內外平衡的狀態[4]。

圖2 多級密封壓力平衡結構示意圖

4 剛柔配合型密封絕緣結構設計

這種結構的密封，插頭上硫化剛性較強的絕緣橡膠材料，插座密封則采用彈性較大的柔性橡膠材料，所謂的剛柔配合型，就是插頭和插座插合過程中，有一定的韌性，有助于插頭和插座的配合；在插合后靠材料的彈性補償接觸面之間的間隙，使之在濕式或者水下環境中實現對水的密封。對于這種密封結構的設計，剛柔橡膠材料的合理選用是關鍵[5]。

5 濕式電連接器的導通絕緣密封結構設計

濕式電連接器的插頭端和插座端是在水下進行插拔的，這對結構設計的絕緣密封性要求很高。

在插合前，插座端的插孔處主要是依靠往復銷和端面密封進行密封的，同時往復銷與次級隔膜對插孔裸露金屬處進行二級密封保護。

在插合過程中，插針推往復銷直線運動，直到完全替代往復銷插合到位，同時依次與端面密封和次級隔膜形成兩道密封。

當插頭拔出時，往復銷依靠壓縮彈簧復位，同時依次與端面密封和次級隔膜形成兩道密封。

在這個插拔過程中，幾乎是無縫銜接，只會出現極少的海水滲透和內腔絕緣油外漏的情況，影響可以忽略不計，有效的保證的設備的絕緣和密封性能要求。

6 密封絕緣結構設計的對比及具體應用效果

各密封絕緣結構設計對比如下：

（1）多級密封壓力平衡結構設計是利用壓力平衡原理，具有壓力補償和密封防水的雙重作用，應用于濕式電連接器腔體密封。多級結構形式具有兩級以上的密封效果（濕式電連接器是兩級密封隔膜），該結構形式安全性能好，密封可靠，但只適用于低壓設備。

（2）剛柔配合型密封絕緣結構設計是利用剛柔嚙合原理，依靠絕緣體的彈性補償實現密封，應用于插針和插孔的絕緣體的設計。該結構形式使絕緣體之間的配合達到密封的效果，有效的緩解了插拔過程中剛性磨損，但密封的防水效果有限，還要配合其它密封形式使用才可靠。

（3）導通絕緣密封結構設計是利用非接觸式導體替讓的方法，應用于濕式電連接器，實現插針和插座插拔前后的自行密封。但是該密封形式不能完全隔絕海水滲透，而且少量的絕緣油會在分離的過程中泄漏。

7 結語

（1）密封絕緣結構是決定電纜穿越裝置的安全性和可靠性的關鍵技術，設計時，需要滿足相應的結構密封性能和電氣絕緣性能的要求；

（2）水下采油樹設備三段式電纜穿越裝置可以在水下進行插拔操作，耐環境能力強、性能穩定，是理想的水下作業裝置，其結構新穎先進，是海洋石油系統的配套設備。

（3）水下采油樹設備三段式電纜穿越裝置的設計原則是：簡單、可靠、有效、實用。在設計方面，可以多借鑒國外先進技術，這是相關工作人員不斷研制和改進相關設備的有利因素。