用于智能封堵器的耐壓連接器的開發應用

趙東輝，王建偉，張曼曼，陸 瑤，李 寵，李立軍

1.中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司，河北廊坊 065001

2.河北省特種設備監督檢驗研究院廊坊分院，河北廊坊 065001

天然氣運輸主要通過管道運輸和液化后運輸。管道運輸的優勢是經濟、運輸量大、安全、無污染、發生泄漏危害小、設備易維護等。由于各種原因，天然氣管道存在著泄漏風險，當管道出現泄漏事故時，需要對管道進行搶修，而封堵器是重要的搶修設備。

目前世界著名的智能封堵器公司有兩家：TD Williamson和Stats Group，它們的產品比較先進和成熟，在世界范圍也有很多成功的施工案例，目前國外的智能封堵器對國內企業只租不賣。本文介紹中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司開發的具有自主產權的一種新型智能封堵器，它有助于突破外國技術封鎖，提高國產石油設備制造能力。

1 智能封堵器

該公司自行開發的智能封堵器目前已通過評審，填補了我國在智能封堵施工方面的空白。智能封堵器的外形結構如圖1所示，分為左清管器、右清管器和液壓油缸單元，這三個單元均是耐壓結構，工作壓力10 MPa。

圖1 智能封堵器

左清管器內主要設備為超低頻通訊單元和壓力傳感器；右清管器內主要設備是液壓系統、控制系統和電源模塊；液壓油缸單元主要由膠桶、驅動油缸和卡瓦組成。

管外發送命令給控制系統，經過左清管器通訊單元轉發給右清管器內控制系統，同時右清管器內控制系統也需要經過左清管器把各種參數發到管外，系統通訊和控制系統相互配合完成對智能封堵器的控制。由于工作環境是高壓天然氣，各個單元件之間需要通過耐壓電纜和耐壓連接器連接。當耐壓電纜和耐壓連接器穿越中間的液壓油缸單元時，由于空間有限，耐壓電纜需要從油缸桿中“穿堂而過”。油缸活塞桿內布置著油道，電纜外徑不超過12 mm，電纜比較容易穿過活塞桿內部孔，但連接器因外形比較大而無法穿越，需要另辟蹊徑。

2 耐壓連接器

在工程應用中，連接器可使連接簡單便捷，但是修理或更換所需的時間和成本都比較高，因此連接器必須在其壽命周期內不出現任何故障。

市場上不同類型的連接器有很多，但完全符合項目需求的不多，需要做適當改造，使連接器的可靠性更高，以滿足搶修項目的需求。市場上可用的耐壓連接器主要可分為四個類別：橡膠模制連接器、剛性殼體連接器、充油水下配合連接器、電感耦合連接器。

本文涉及的連接器是剛性殼體連接器，將橡膠模制到剛性體內，可以提供足夠的強度和穩定性，并且可以更好地配合，這種連接器能夠在惡劣的環境中使用。插頭插座配合后通過鎖緊套筒鎖定，通過O型圈實現密封[1]。對于常規連接器，如RM（橡膠材質）和PM（塑料材質）連接器，其額定電壓通常高達600 V，對于經過特殊設計的連接器，其額定電壓則高達3 kV[2]。但是剛性殼組件尺寸小且成本低，比模制連接器重。穿艙材料通常是金屬、塑料或玻璃纖維增強的環氧樹脂。

智能封堵器上的耐壓連接器主要有3個功能：第一，滿足智能封堵器3個單元快速拆裝；第二，電纜進艙；第三，電源開關，同時也是電源模塊充電路徑。

電纜進入耐壓艙也是通過連接器實現的，以保證電纜進艙的可靠和便捷。當左、右清管器和液壓油缸需要分離時，只需插拔連接它們的連接器即可。

2.1 耐壓插座

插座安裝在左清管器和右清管器端面上，插座尾端導線與艙內傳感器和模塊相連，端面暴露在管道內的介質中。插座與艙體端面間的密封是通過O型圈實現的，也是目前世界范圍內主流密封形式。O型圈安裝前，其截面近似圓形，安裝在槽里擠壓后，O型圈有一定的形變，產生了一個預緊壓力，如圖2所示。h0為變形前截面高度，h1為受壓后高度。圖3是O型圈的工作原理。O型圈在槽中不僅受到預緊壓力P1，同時還有流體對其產生壓力P2，P1、P2使O型圈變形并把它擠壓到端面，產生了壓力P3，壓力P3使O型圈緊密貼壓在端面上。

圖2 O型圈受壓變形

圖3 O型圈工作原理

下面公式反映出P1、P2、P3之間的關系：

式中：P3為密封面接觸壓力；P1為預緊壓力；P2為工作壓力；K為壓力傳遞系數，其值接近于1[3]。

2.2 耐壓插頭

耐壓插頭主體材質為橡膠，此類插頭密封性好，重量輕，插頭與插座容易配合，所以電纜可以快速拆卸。圖4是插頭、插座連接示意。

圖4 插頭、插座連接示意

插針一般澆筑在橡膠體內，此處的橡膠有兩個作用，一是固定接觸件，二是與插座孔內的O型圈擠壓形成密封。插座孔內有多道一體成型的O型圈，當插頭與插座配合后，插孔內的O型圈壓在公連接器插針上形成密封絕緣，見圖5。

圖5 插孔和插針密封原理

橡膠材質具有自緊密封特性，自緊密封源于橡膠體在常壓下較難被壓縮，碳氟化合物在1000MPa壓力下，寬度縮小僅有5%，由于橡膠體泊松比很大，它會在內外2個方向形變，可以用以下方程組描述如下：

式中：E為密封材料楊氏彈性模量，εx、εy、εz為外力作用下產生的應變，σx、σy、σz為接觸應力，ν為密封材料泊松比[4]。

通過外界壓力增大接觸力，實現自緊密封。接觸力可以用下面公式表達：

式中：σ0為預緊力，σp為接觸應力，P為流體壓力。

橡膠材料在實際工作壓力下變形小，材料泊松比接近0.5，所以通常選用橡膠材料作為連接器的密封件，它的接觸應力會大于流體壓力，能夠實現自緊密封[5]。

2.3 開關

左、右清管器內部都有電源模塊，左清管器電源給低頻通信供電，右清管器電源是主電源，為液壓單元和控制系統供電。正常情況下，左、右清管器都是密封狀態，能承受天然氣管道內10 MPa壓力。清管器不工作時，需要對內部電源模塊充電或者是斷電，所以要給內部電源安裝一個“開關”，此“開關”要安裝在清管器的外部端面上，便于操作；而且需要承受10 MPa天然氣壓力，不能讓泄漏的天然氣進入清管器內。普通的機械開關難以用于這個苛刻的環境中，其他耐壓開關難以承受15 A電流。本項目改裝了耐壓連接器，使其成為一個特殊開關。

圖6中的電源開關與插座配合，電源開關插在插座上，清管器內部電源接通，設備可以工作；電源開關退出插座配合，清管器內部處于斷電狀態；充電插頭與插座配合，清管器內部用電設備處于斷電狀態，但此時電池處于充電狀態。電源開關和充電插頭不會同時與插座配合，所以一個多功能插座就可以滿足充電與斷電需求。

圖6 開關和充電連接示意

3 耐壓電纜

本文中使用的是直流電源，電流通過電纜時會產生熱量，該熱量通過連接器的連續層從電線傳遞到外部環境。導體中的歐姆損耗可以寫成：

式中：PL為功率損耗，W/m；R導體的電阻，Ω/m；I為通過導體的電流，A。其中，R值的大小取決于導體的材料（通常是銅或鋁）及導體截面積，導線越粗，電阻越小。

在穩態條件下，導體中產生的所有熱量必須通過圓柱形電介質絕緣層流到外部環境。連接器絕緣層上的溫度下降、功率損耗和絕緣壁熱阻之間的關系可以描述為：

式中：Δθ為溫度下降，PL為通過導體的功率損耗，RT為電纜材料熱阻值。

表1中列出了不同電纜材料的熱阻值。由于負載循環而引起的溫度變化會導致材料性能減弱，例如強度和彈性性能下降，從而會大大縮短連接器的使用壽命。

表1 電纜材料熱阻值

圖7給出了兩種不同大小橫截面的電纜在循環的環境壓力作用下的特性曲線。耐壓循環可以定義為電纜組件承受循環壓力差產生疲勞載荷的能力。電纜截面積越大，對周期性負載的抵抗力越小。

圖7 壓力循環特性曲線[6]

左、右清管器的連接電纜需要穿過油缸的活塞桿孔，越過液壓油缸單元。由于連接器插頭體積較大，不能穿越油缸活塞桿孔，所以必須先把耐壓電纜穿過活塞桿孔，再與連接器插頭接線硫化密封。耐壓電纜外護套選擇聚氨酯材料，聚氨酯是高分子彈性體，在-60℃低溫下仍具有良好的彎曲性。聚氨酯由柔性鏈段和剛性鏈段鑲嵌組成，具有較高的拉伸強度，耐磨性高，耐各種油脂和溶劑腐蝕，它的耐磨性是天然橡膠的3～5倍，硬度范圍寬（Shore A15～D90），在相同硬度時，比其他彈性體承載力高，不易受環境影響而老化變硬和開裂，老化變硬和開裂會導致電纜電器性能下降[7]。

4 耐壓電纜硫化

4.1 硫化膠水

耐壓電纜需要穿過液壓油缸活塞桿孔后才能與連接器插頭對接，對接需要在現場處理，采用冷硫化方式，施工工藝簡單，不需要使用特殊設備。耐壓電纜外護套是聚氨酯材料，冷硫化膠水為3M公司生產的2131雙組分聚氨酯樹脂，此膠水具有自身互粘性，易與電纜外護套聚氨酯粘接，與橡膠插頭粘接性能優異。2131膠水性能見表2。

表2 2131膠水物理力學性能

硫化膠水粘接力公式：

式中：F1為膠水與電纜插頭粘接力，N；f1為膠水與插頭粘接力系數，0.84 N/mm2；S1為粘接面積，mm2；D為電纜外徑，mm；L為硫化膠水與電纜接觸長度，mm。

膠水固化后破斷力：

式中：F2為破斷力，N；σ為膠水抗拉強度，N/mm2；S2為破斷截面面積，mm2；Dh為電纜護套外徑，mm；dh為電纜護套內徑，mm。

4.2 強度計算

耐壓電纜與連接器插頭接線后需要硫化處理，硫化后外形見圖8，硫化設計參數見表3。

圖8 耐壓電纜與連接器插頭接線硫化后外形

表3 硫化設計參數

硫化處需要考慮膠水與電纜之間的粘接力，如果粘接力不夠，使用過程中硫化膠會脫落，流體就會沿著電纜滲入。

粘接力F1=0.8 N/mm2×π×20 mm×30 mm=904.32 N，硫化膠與電纜粘接力達到904.32N，滿足正常使用要求。

電纜外護套端面處受力最大，此處硫化膠破斷力：F2=7.15π（122-82）=1 796（N），滿足正常施工中拉拽性能要求。

4.3 硫化程序

電纜和插頭的接線要規整，表面不能有污漬和油漬，防止硫化膠水粘接強度不夠，造成管道內天然氣沿著縫隙滲透進電纜內部，甚至會沿著電纜進入密封艙而與密封艙內空氣混合，此時，若有電子元件出現電火花，就可能發生爆炸事故。

硫化膠水是雙組分膏狀體，如果是袋裝的，就將兩組分擠到一側輕柔至微微發熱；若是盒裝的，需要倒入容器中攪拌，攪拌均勻后倒入磨具中固化。硫化膠水固化后就可以脫去模具，表4是膠水脫模/固化時間表。

表4 2131膠水固化時間

表4中給出的固化時間只是典型值，脫模前務必檢查確認樹脂是否是黏稠狀的，若是黏稠狀的，一般是溫度較低，固化時間還不夠，或者是雙組分沒有混合均勻所導致的。

脫模前觀察模具內硫化膠是否飽滿，若不夠飽滿，需要再澆筑硫化膠水填充。硫化膠水固化脫模后應該是光滑而有彈性的黑色體，見圖9。

圖9 硫化膠水固化脫模后外形

5 結束語

天然氣無論在我國居民生活中還是工業能源中，都是重要的生活和工業物資。天然氣管網越來越多，越來越密集，搶修工作也會相應增加。特別是帶壓不停輸狀態下的搶修，也越來越重要。智能封堵器在搶修中扮演著重要角色，它使搶修工作程序變得簡單可靠，更精準。帶壓狀態下智能封堵每一個部件都要經得住考驗，特別是裸露在天然氣中的部件，不能因失效而影響搶修工作，特別是耐壓連接器和耐壓電纜，它們是直接暴露在介質中的。

在石油天然氣行業中，帶壓工作的設備都會使用到耐壓連接器和耐壓電纜，由于不同的使用環境和空間，定制式的耐壓連接器和耐壓電纜應用越來越廣泛，擁有越來越多的特殊性能和功能，以滿足市場的不同需求。