水下跨接電纜濕式接頭多級密封結構設計

朱麟杰, 程 銳,許淑峰

(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

水下跨接電纜用強電濕插連接器是海洋工程設備中的關鍵通用件之一，是海底電纜連接的“活動關節”，廣泛應用于海洋石油生產平臺，例如井下電潛泵、海底多相泵，海底觀測網接駁盒；水下工程機械，例如海底壓縮機、海管加熱系統以及潛艇、深海潛器等。井下電潛泵是一種重要的機械采油設備，具有排量大、揚程高的優點，應用于深井和定向井中，是油田實現高產、穩產的重要手段[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現。濕式電接頭內部結構中電接觸器件數量多，工作電壓高，電流大，工況環境復雜。當其通電時，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腔內電器設備[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、密封以及導電等關鍵技術[3]由國外行業巨頭公司所把持，國內研究進展緩慢。本文針對中國南海某油田開發項目，設計一種水下跨接電纜濕式接頭多級密封結構，對強電濕插連接器的密封結構作了深入研究，對插合過程進行力學分析，并結合有限元分析和氦氣檢漏試驗進行驗證。

1 水下跨接電纜濕式接頭多級密封結構設計

以我國南海某油田開發項目為例，水下跨接電纜干式接頭在平臺上預先插合完畢，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現公、母頭適配插合，陸地終端通過該插合連接實現電潛泵的供電[4-5]。插合全過程均在水下帶壓完成，且插合全過程經受復雜外部環境(包括環境壓力、微生物、顆粒物、咸水)影響，極易出現密封失效。

本文設計的密封結構將傳統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銷密封插合后，再插合至插孔的結構，以及相配合的多級密封結構形式。以三針結構作為具體研究對象，主級隔膜材料選用氟膠彈性體，往復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，密封整體結構如圖1所示。

圖1 多級密封整體結構

該多級密封結構主要包括：

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側，兩端用隔膜套筒壓緊在兩端端蓋上。主級隔膜兩端均設置有多道密封凸起，安裝到位后，形成密封，使電連接器內部形成密封空間。其內部充滿絕緣介質，外部海水通過外筒上的平衡孔接觸主級隔膜外壁。外部壓力和內部壓力通過主級隔膜的形變，達到內外平衡的狀態。結構示意如圖2所示。

圖2 主級隔膜密封結構示意

2) 第2級密封。主要用于插合過程中的動密封，該級密封包括2部分：

①濕式接頭公頭插針、往復銷與前密封之間的密封。前密封被固定安裝在前、后密封定位環之間，具體結構示意如圖3所示。

圖3 第2級密封前密封結構示意

②濕式接頭公頭插針、往復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，相當于密封的雙保險。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銷的過盈配合進行密封。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少量流失。外部壓力和內部壓力通過次級隔膜的形變，達到內外平衡的狀態，結構示意如圖4。

圖4 第2級密封次級隔膜結構

在濕式接頭母頭隨著采油樹帽下入直至安裝插合前，外部環境壓力隨水深增加逐漸變大，此時，往復銷與唇形前密封保持密封，而整個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，起到調節內外腔壓力的作用。

2 密封結構和插合過程力學分析

常見的電連接器采用傳統的插針與插孔直接插合的方式，除配合尺寸和電學性能參數要求等限制條件外，無其他特殊要求。水下跨接電纜濕式接頭則因為需要在水下進行插拔運動，對承壓和密封有更高的要求。

2.1 主級隔膜密封結構及受力分析

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和插座本體上，并由隔膜套筒壓緊，此時橡膠材料發生彈性形變，產生預緊力，形成預密封。

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生更大的應力，保證密封效果；另一方面，通過自身形變調節內、外腔壓力平衡[6]。

2.2 濕式接頭插合過程動態密封及受力分析

以我國南海某油田開發項目所用三芯連接器為例，當濕式接頭公頭插針與往復銷外端貼合后，插合過程開始。

設定整個插合過程為勻速運動，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，則插合過程持續時間t=0.5 s，插合過程示意如圖5。

圖5 插合過程示意

在絕緣油灌注質量確定的情況下，有

(1)

式中：V為絕緣油體積；m為液壓腔內絕緣油的質量；ρ為當前體積下密度。

根據方程關系有

(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，代入數據得C=1 495 m/s

考慮瞬時外圍隔膜體積不變的情況下，插針插入對隔膜內部壓力擾動的情況，下面進行具體分析：

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，當t=0時，p=0，即插針剛與往復銷貼合時而未進行插合時，介質壓差為0，則有C0=-klnV0

方程(5)改寫為

(6)

式中：V0為液壓腔初始體積。

在實際過程中，當插針開始插合的第1個單位時間后，壓力通過絕緣介質傳遞至主級隔膜，主級隔膜發生形變并將壓力反饋至密封位置，此時式(4)應修正為

(7)

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

根據水下跨界電纜濕式接頭實際插合過程及相關資料，所得的最大介質壓差為5 MPa[7]，液壓腔初始體積V0=225 020 mm3，代入式(6)估算得知，最大介質壓差出現時間為0.023 9 s，在整個插合時間占比不足5%，該影響可忽略，可認為在整個插合過程中，介質壓差維持在5 MPa，可以在該壓差進行相關零部件的強度分析。

所用密封件材料氟膠彈性體的拉伸強度為13.4 MPa，所以當最大介質壓差產生時，密封件形態保持穩定，有少量絕緣油被介質壓差擠出，密封性能穩定。

3 多級密封結構插合過程有限元分析

根據實際工況，使用ANSYS軟件對插合過程中產生最大介質壓差時，密封件上的應力、應變分布進行有限元分析，以確定密封性能[8-10]。

給定密封件橫截面內徑與公頭插針尺寸相匹配，插針插合時，由于插針自身的形變量極小，故將其設定為剛體。設定1個軸向載荷作用于公頭插針位于海水一側的一端，使其產生軸向移動(位移長度等同于實際工況位移)，設定1個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際受壓情況，充分表現物理密封特性，得到較為合理的結果。圖6為所設置計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壓差及插合力動態密封及受力分析

設定最大介質壓差為5 MPa，插拔力350 N，對濕式接頭插合過程進行有限元分析，得到圖7所示的應力分布云圖。

圖7 濕式接頭插合過程密封結構應力云圖

由圖7可知，應力峰值出現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度，證明連接器插合過程中產生最大介質壓差時，密封保持穩定、可靠。密封件由于外部結構件約束，其遠離密封位置的一端應力值較小，最小值為0.016 1 MPa。應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密封，且該動密封過程中密封位置處存在較大壓力，因此使用應變作為主要參考因素通常比應力更能體現整體密封性能[12-13]。圖8是插合過程中的密封結構應變云圖。

圖8 濕式接頭插合過程密封結構應變云圖

由圖8可知，應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，密封件最大形變為12.15%，但其由于受外部結構件約束，遠離密封位置的一端應變較小，最小應變為0.30%。密封件的大幅形變使得公頭插針與密封件產生過盈配合，形成有效密封。同時，可以結合圖9所示位移云圖來驗證密封效果。

由圖9可知，最大位移均出現在密封位置，過盈量為0.445 mm，一般設計中的過盈量設置為0.2～0.5 mm，證明該密封結構密封性能能夠滿足實際工況需求。

圖9 濕式接頭插合過程密封結構位移云圖

4 濕式接頭泄漏量測試

常規的分析密封性能的方法是根據接觸應力大于介質壓差來判斷的，但實際上泄露是無法避免的，泄露是絕對的，無泄漏是相對的。因此通過上面的計算分析，仍需要對該多級密封結構進行實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行密封連接，完成后的結構如圖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，壓力達到0.138 MPa(20 psi)并密封，待表顯壓力穩定后進行保壓，保壓時間24 h。

試驗要求：漏率指標≤1×10-6Pa·m3/s。

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

5 結論

1) 密封結構和插合過程力學分析表明，該多級密封結構能夠滿足濕式接頭安裝及插合全過程密封性能需求，并且可以迅速調節內外腔壓力平衡。

2) 有限元分析結果表明，該多級密封結構在插合過程中形態穩定。泄露測試結果表明該多級密封結構在試驗過程中密封可靠。

3) 由于插合過程中介質壓差的存在，每一次插合過程都會導致內腔絕緣油外泄，結合泄露測試，可以表明在濕式接頭的生命周期內，一定次數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多相耦合的復雜過程，本文簡化了其計算模型。更為準確地做法應該是結合多次工況環境下全過程試驗結果、輔以密封性能分析以及泄漏量分析。