水下電連接器密封和環境補償結構設計與分析

趙瑞云，許晨旭，肖易萍，施 佳，張家珍，趙曉磊，陳澤峰

(1．海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2．哈爾濱工程大學 機電工程學院，哈爾濱 150001；3．上海臨希智能科技有限公司，上海 201306)

水下油氣生產系統是海底油氣田水下生產設施的集合。將水下生產設備布置在海底，可縮短建造時間，節省大量成本，并可避免風浪災害的影響，是進行深海油氣田開發的主流模式之一[1-2]。水下油氣生產系統由井口、采油樹、管匯、臍帶纜、跨接管、對接器、分離器、水下控制系統、分配單元和海底管線等組成，與固定式平臺、浮式平臺等水面開采技術不同[3-5]。水下生產控制系統被視為深海油氣田開發的關鍵技術，其性能對水下生產系統整體起著至關重要的作用。作為水下生產控制系統核心的水下控制模塊，其與水下采油樹安裝在一起，負責監測和控制水下油氣生產設備[6-7]。水下生產控制系統經歷著由全液式到電液復合式，再到全電式的發展過程，其中，全電式水下生產控制系統具有響應速度快、無污染、可靠性高的特點，已經成為未來水下生產控制系統的發展趨勢[8-9]。

隨著對海洋油氣需求的逐漸加大，全電式水下油氣生產系統也逐漸變得大型化、復雜化，整體布放方式變得越來越困難。因此，需對全電式水下生產系統采用分塊式布放，這需要使用水下電連接器，即，在水下通過電連接器將全電式水下生產系統的各個模塊連接起來，進而實現水下生產系統整體的遠距離電能及電信號傳輸[10]。由此可見，水下電連接器是全電式水下生產系統的重要組成部分之一，是用于深海管線、跨接管與管匯、水下采油樹、深海管道終端等設施連接的核心設備之一。水下電連接器的工作性能將直接影響全電式水下生產系統整體的工作性能[11]。

目前，國外對于水下電連接器的研究已比較成熟，市場占有率比較高的公司有TRONIC、ODI、GISMA。國內對于水下電連接器的研究還不夠成熟。由于水下電連接器是在深海環境中插拔，因此對水下電連接器的密封性能和環境補償性能研究尤為重要。水下電連接器的密封性能直接決定電信號傳輸的成功與否，環境補償性能直接決定插拔力的大小，進而影響插拔效率。胡曉東等[12]開始把O型密封圈用于電連接器的密封，重點分析O型密封圈尺寸、溝槽間隙，以及壓縮率等其他因素對靜密封性能的影響，但并未分析水下電連接器在插拔工作狀態下的密封性能。魏迪飛等[13]將多重O型密封結構應用于水下電連接器插拔工作狀態中，但這種密封結構僅在理論上取得了較好的密封效果，缺乏分析計算。石秀華等[14]對芳綸電纜這類干式連接器進行了密封設計與分析，結論是其具有較好的密封效果，但并未考慮水下插拔這種工況。洪進等[15]發明了一種光電復合水下插拔連接器，通過橫截面為橢圓形的唇形密封件的密封瓣和具有橢圓形開口的插頭殼體配合實現動密封，但是內部結構較復雜，加工困難。宋文韜等[16]發明了一種水下濕插拔充油壓力平衡連接器，通過插針穿過可穿透密封體。在插針拔出時，可穿透密封體可自動返回原位置，實現動密封。但可穿透密封體所在位置為可變形的橡膠體，當橡膠體在變形以后插針能否準確扎到可穿透密封體還有待進一步研究。文獻[16]介紹的連接器采用“三層”軟囊來實現壓力補償，其中1層與基座之間實現插座油腔的建立，另外2層之間實現插頭油腔的建立，實際上是插頭、插座各有1層軟囊，如果插頭或插座某一端的軟囊失效，會使電連接器立刻失效。張利彬等[17]發明了一種水下分離電連接器，插頭與插座均開槽，在脫開時通過水槽進水的方式實現水下壓力補償，可以在水下環境中實現電連接器的脫開；缺點是不能實現在水下插合，每次脫開以后需進行沖洗并吹干后再使用。陳繼利[18]發明了一種水下分離電連接器組件及其插頭，將插芯與密封圈錯開而使外界水進入插合面的方式實現壓力補償，可以實現泄壓分離；缺點是插芯與密封圈錯開時會導致進水，使電連接器的轉接接觸件部分短路。趙宏林等[19]將其設計的水下濕式電連接器插拔工作狀態下的密封結構應用于500 m水深，通過經驗公式法和雷諾方程法計算了泄漏量，其具有良好的密封性能。

本文介紹的水下電連接器插拔動密封結構解決了在深海高壓環境中電連接器插拔時會帶入過量海水導致絕緣電阻降低的問題。筆者設計的環境壓力補償結構，可解決水下電連接器處于1 500 m水深時內外部巨大的壓力差使電連接器插合效率降低的問題。設計的水下電連接器插拔動密封結構、環境補償結構滿足1 500 m水深工作的技術要求，對未來深海領域電連接器的開發具有借鑒意義。

1 水下電連接器結構簡介

在海洋油氣的水下生產系統中，水下電連接器是用來傳輸水下儀器和設備之間的電能和電信號。它配合電纜形成組件，由水下機器人操作，通過公、母插頭的插合與分離，在水下環境中實現水下電纜的連接與斷開。圖1為水下電連接器公頭與母頭插合三維模型，圖2為水下電連接器公頭與母頭插合三維模型的剖視圖，水下電連接器部分關鍵零件如圖3所示。

圖1 水下電連接器公頭與母頭插合三維模型

圖2 水下電連接器公頭與母頭插合三維模型剖視圖

圖3 水下電連接器關鍵零件

水下電連接器由公頭和母頭組成，公頭由公頭本體、公頭套筒、金屬插芯、金屬插芯固定件、導電銷等組成，母頭由母頭本體、母頭套筒、非金屬插芯、前密封塊、導電銷等組成，密封螺母與端密封件負責公頭與母頭兩端電纜的密封。

水下電連接器裝配體如圖4所示，包括公接頭、母接頭和配接電纜。

圖4 水下電連接器裝配體

為使水下電連接器正常工作，電連接器在整個連接過程中要保證不會造成電纜線的損壞，同時電纜要被牢牢固定在電連接器內，更要保證在水下環境中拉拽電連接器線纜時不造成脫線[20]。水下電連接器分為干式和濕式，水下干式電連接器通常被應用于井口和采油樹電潛泵的動力通道中，維護不方便， 不能對其在海水環境下進行對接和分離操作，所以在海水環境中進行電信號連接時需用水下濕式電連接器[21]。

水下濕式電連接器可在海水、油液、鉆井液等環境下連接電纜，是一種連通水下設備電信號的水下可插拔連接裝置[19]。本文中密封結構、環境補償結構涉及到的水下電連接器設計水深為1 500 m，芯數為4芯，操作溫度為-5～60 ℃，由水下機器人完成插拔操作，屬濕插拔類型。

2 深海電信號連接器動靜密封結構設計

2.1 技術難點

水下電連接器的密封性能直接決定電信號傳輸的成功與否。在深海水壓較大的復雜水下環境中，解決密封問題是水下電連接器結構設計中的技術難點。水下濕式電連接器在水下進行插拔時，由于在深海高壓環境中，電連接器在插拔時可能會帶入一些海水，導致絕緣電阻降低，致使電連接器性能降低。隨著插拔次數增多，電連接器也會失效。任意一個密封圈失效可能導致整個水下電連接器失效，所以對水下電連接器密封結構的設計顯得尤為關鍵。

水下電連接器的發展在起步階段時應用于淺海，通過O型圈來實現密封[12]。密封方式主要為靜密封，在岸上干燥環境中將電連接器插合后布放于水下，在水下不進行插合。隨著海上油氣資源開發規模的擴大，開采海上油氣資源的平臺也在變得大型化，整體布放方式愈發困難，需采用分塊式布放，這也對水下電連接器提出了更高的要求，即需要在水下環境中實現插拔，并且需在插拔時實現密封。

隨著電連接器的發展，水下電連接器的密封結構經歷了從普通密封圈靜密封到聚四氟乙烯和O型圈組合靜密封，再到密封塊加密封圈復合結構實現動密封的轉變。如果水下電連接器的芯數較多，1個插芯需要1個密封圈，那么密封塊加密封圈復合結構實現動密封的方式就需要較多的密封圈，如果1個密封圈失效，就會導致水下電連接器失效。由于密封圈數量多，就會導致這種動密封方式的失效概率也會增加，就會導致水下電連接器在插拔過程中帶入過量海水而導致密封失效。國外的一些水下電連接器產品中有一些組成動密封結構的密封件，但形狀較為復雜，加工比較困難。

2.2 結構組成及密封原理

本文介紹的插拔動密封結構由金屬插芯、前密封、非金屬插芯、保護套、彈簧等組成。

2.2.1 金屬插芯

金屬插芯為碲銅加外層PPEK材質通過熱注塑而成，結構如圖5所示。為了保證在水下插合過程中絕緣，需在碲銅材質的插芯外部包裹一層絕緣材料PEEK，若碲銅和PEEK層同軸度精度不夠，使得絕緣層一邊薄，另一邊厚，會導致耐高壓性能下降而被擊穿失效。在注塑過程中，由于銅較軟，PEEK熱注塑液溫度較高，且傳統注入口在一側的不均勻性，將無法保證同軸度。因此，采用“高壓雙孔螺旋注塑”的方法，將加工好的碲銅內芯兩端固定，置入模具中注塑，并對模具和銅棒采用“循環水冷”方法，保證銅棒的溫度在較低溫度值，防止銅棒軟化變形，確保注塑過程中的受力均勻性和銅棒的剛度，最終得到滿足要求的金屬插芯加工件。

圖5 金屬插芯結構示意圖

2.2.2 前密封塊

前密封塊為PEEK材料加HNBR材料通過熱耦合而成的復合結構，如圖6所示。外側為HNBR材質可保證前密封塊的強度，內側位PEEK材質可滿足密封要求。相比于密封塊加多個密封圈復合結構，前密封塊結構相當于將多個密封圈合為1個件，大幅降低了密封失效的概率，具有可將殘余海水剮蹭并隔離在前密封外，從而使得插座充油腔始終保持密封的功能。

圖6 前密封塊結構示意圖

2.2.3 亞隔膜

在對接前，水下電連接器的外部套筒與內部構件設置有密封圈，實現靜密封。同時，亞隔膜將非金屬插芯、保護套、彈簧套住，形成亞隔膜密封，如圖7所示。冠隔膜與亞隔膜之間使用絕緣油填充，形成冠隔膜密封。孔口處按照國際標準進行計算設計，在保證端面密封以及徑向密封尺寸精度以及粗糙度的同時，繼續在孔口放置與倒角方式合適的密封圈。

圖7 亞隔膜密封結構示意圖

2.2.4 插合與脫開過程動密封結構

水下電連接器在對接過程中，分為插合過程和脫開過程，這2個過程的動密封通過前密封與非金屬插芯、金屬插芯外層注塑的非金屬部分“過盈配合”來實現。

1) 插合過程動密封結構。

如圖8所示，插合過程中，金屬插芯首先進入前密封的插孔中，碰到非金屬插芯，與插孔發生過盈配合下的金屬插芯緩慢移動，金屬插芯上的海水會被插孔內壁剮蹭至消失，進而實現插合過程的動密封。隨著金屬插芯距離的深入，碰到在次級隔膜后的冠簧，冠簧的作用是承擔電接觸的功能，使得整個電路接通。

圖8 插合過程動密封結構示意圖

2) 脫開過程動密封結構。

如圖9所示，在脫開過程中，金屬插芯緩慢被拔出，而非金屬插芯受到細長彈簧的彈簧力，始終與金屬插芯保持接觸，并隨著金屬插芯一起向外移動。非金屬插芯在向外移動過程中也會通過前密封的插孔，并與之發生過盈配合，至金屬插芯的完全移出，實現脫開過程的動密封，這也使得充油腔始終保持密封。在水下電連接器脫開過程結束后，連接器恢復到原來的狀態。

圖9 脫開過程動密封結構示意圖

3 深海電信號連接器環境補償結構設計

3.1 環境補償結構的功能

當電連接器處于水深1 500 m的環境時，連接器內部和外部有很大的壓力差，如果連接器插拔時得不到壓力補償，會使得插拔力增大數十倍。這時，在水下用ROV拉拽水下電連接器時，需要很大的力才能把水下電連接器拉開，也會影響插座的密封性能、降低插拔過程的效率，甚至造成水下電連接器損壞。這就需要設計一種環境補償結構，在電連接器進行連接時實現水壓補償，同時也解決了金屬外殼考慮水深壓力作用的影響而壁厚設計過厚的問題。

3.2 環境壓力補償技術的發展

水下電連接器發展的初期階段是在淺海應用的，沒有壓力補償結構，只是通過開水槽進水的形式實現壓力補償，但可能會帶來短路的風險。隨著海上油氣資源的開發逐漸向深海邁進，水下電連接器應用的水深也在逐漸增加，因此針對水下電連接器壓力補償的研究也在增多。隨著水下電連接器的發展，水下電連接器出現了活塞式、皮囊式和波紋管式3種主要的壓力補償方式，解決了公頭插針插入母頭插孔過程中，母頭內部體積壓縮過小而無法插入的問題。國外比較先進的水下電連接器產品壓力補償方式有隔膜式補償，適用于深海，隔膜內部有多個插芯，缺點是隔膜失效會導致水下電連接器多個插芯立刻失效，導致設備回收以后所有零件都報廢。

3.3 新型環境壓力補償結構

3.3.1 結構組成

本文設計的環境壓力補償結構由冠隔膜、絕緣油、保護套、亞隔膜、金屬插芯、非金屬插芯、前密封等組成，如圖10所示。由以上構件形成了“油泡”環境壓力補償結構，在電連接器插合和脫開過程中，通過“油泡”結構的放大和縮小來補償壓力，并減小電連接器內外壓力差。

該水下電連接器的壓力補償方式可以對標并略優于國外先進產品的壓力補償方式，通過2層隔膜組成環境壓力補償結構，即所有插芯外部共有1層冠隔膜，每個插芯外部各有1層亞隔膜，如果冠隔膜失效，亞隔膜還可以暫時保護插芯不失效并實現壓力補償，實現“冗余”壓力補償功能。

在電連接器油腔外圍設計的環境壓力補償結構實現了壓力補償，解決了在插合過程中公頭插芯帶入母頭插孔中過量海水導致絕緣失效問題，并解決了水下電連接器在1 500 m水深時由于內外部巨大的壓力差造成的插合問題。

3.3.2 工作原理

冠隔膜中的橡膠膜與外部海水直接接觸，在插合之前，冠隔膜內部為絕緣油，外部為海水，在1 500 m水壓下“油泡”結構處于“縮小”狀態。在插合過程中，隨著金屬插芯插入插孔，非金屬插芯在保護套內移動，保護套內部的絕緣油通過排油孔被擠出進入亞隔膜內部，亞隔膜變大，進而帶動冠隔膜膨脹，使得“油泡”結構慢慢變大，并增大水下電連接器內部壓力，至與外部水壓平衡，補償了水的壓力。水下電連接器在插合和脫開過程中，金屬插芯會在插孔中移動，除與密封端面接觸孔接觸到的金屬插芯以外，金屬插芯的其他部分都受到海水給予的壓力。由于冠隔膜內的橡膠膜具有彈性，會吸收連接器插合時狀態變化的壓力，進入亞隔膜密封空間內部的部分金屬插芯會受到“油泡”結構中油液給予的壓力，此壓力會與密封空間外部的部分金屬插芯所受的海水壓力平衡，實現壓力補償。水深1 500 m處的壓力約為15 MPa，在金屬插芯插合完畢進入插孔時，除插孔外的插芯受到的壓力為15 MPa，冠隔膜外部為海水，“油泡”結構直接與海水接觸，“油泡”結構的冠、亞隔膜內部油壓會與外界水壓平衡且均為15 MPa，插合完畢時金屬插芯會在亞隔膜內部受到與外界水壓相平衡的油液壓力15 MPa， 這說明通過環境壓力補償結構能夠使水下電連接器內部油壓與外界水壓力達到平衡狀態。環境壓力補償結構通過2層隔膜的設計解決了在深海環境中電連接器內外壓力差大帶來的插拔難度大的問題，很好地保護了水下電連接器結構。

4 強度校核

4.1 厚壁圓筒結構Lame公式

Lame公式在工程力學中具有重要地位，尤其是在解決彈性力學的平面問題時，不失為一種理想的數學模型。外徑與內徑的比值在1.1～1.2為厚壁容器，對于兩端封閉的厚壁圓筒結構，同時受到內壓(pi)和外壓(po)作用，當厚壁圓筒內徑為Ri，外徑為Ro，壁厚方向任意半徑為r(Ri≤r≤Ro)時，由Lame公式知：

任意位置的周向應力為

(1)

任意位置的徑向應力為

(2)

任意位置的軸向應力為

(3)

管徑比為

(4)

4.2 第四強度理論

第四強度理論又稱為畸變能理論，其表述的是材料發生屈服是畸變能密度引起的。這一理論假設:形狀改變能密度是引起材料屈服的因素，也即認為不論處于什么樣的應力狀態下，只要構件內一點處的形狀改變能密度達到了材料的極限值，該點處的材料就發生塑性屈服。通過第四強度理論可知，最大許用當量應力SE為

(5)

根據ANSI/API Spec 17D 5.1.3.6，主要構件設計計算中使用基于材料最低屈服強度的安全系數m不應小于1.5，即：

(6)

式中：SY為材料的最小屈服強度

4.3 電連接器強度計算

4.3.1 電連接器危險截面

對電連接器危險截面進行應力計算和強度校核[22]，母頭套筒危險截面位置如圖11所示，公頭套筒危險截面位置如圖12所示。

圖11 母頭套筒危險截面位置

圖12 公頭套筒危險截面位置

4.3.2 電連接器危險截面參數

在計算電連接器危險截面應力之前，應先得知危險截面材料的抗拉強度和屈服強度、內部和外部的壓力、管壁內外部直徑。該水下電連接器具有壓力補償結構，在水深1 500 m環境使用時可降低電連接器內外壓力差至很小，故此次危險截面應力計算時將水下電連接器內外壓力差設為14.9 MPa ，其他公頭套筒危險截面、母頭套筒危險截面參數如表1所示。

表1 電連接器危險截面參數

4.3.3 電連接器危險截面應力計算

根據厚壁圓筒結構Lame公式、第四強度理論，將表1的參數代入公式，計算母頭、公頭危險截面處的周向應力、徑向應力、軸向應力，然后再進行危險截面強度校核。計算結果如表2所示，可知，母接頭危險截面安全系數為4.5，公接頭危險截面安全系數為5.9，均大于1.5，滿足設計要求。

表2 電連接器危險截面計算應力及安全系數

5 仿真分析

5.1 建立電連接器有限元網格模型

Workbench是ANSYS公司提出的協同仿真軟件平臺。公頭套筒、母頭套筒是水下電連接器的重要零件，其性能優劣直接關系到水下電連接器能否正常工作。在Workbench中輸入公頭套筒、母頭套筒的材料特性彈性模量E=2.1×1011Pa、泊松比μ=0.3。根據模型尺寸大小，分析采用四面體實體網格，單元格尺寸為0.02 mm，得到母頭套筒的有限元網格如圖13所示，公頭套筒有限元網格如圖14所示。

圖13 母頭套筒有限元網格模型

圖14 公頭套筒有限元網格模型

5.2 電連接器形變云圖和應力云圖

根據實際約束狀態在打孔位置處施加固定約束，在模型外部施加15 MPa均布壓力，母頭套筒的形變云圖如圖15所示，應力云圖如圖16所示；公頭套筒的形變云圖如圖17所示，應力云圖如圖18所示。

圖15 母頭套筒形變云圖

圖16 母頭套筒應力云圖

圖17 公頭套筒形變云圖

圖18 公頭套筒應力云圖

由圖15～18可知，母頭套筒的最大變形量為0.045 mm，母頭套筒最大應力為258.09 MPa，安全系數為1.9。公頭套筒最大變形量為0.038 mm，公頭套筒最大應力為214.23 MPa，安全系數為2.3。符合設計要求。有限元分析的危險截面位置與理論計算相符。

6 測試分析

6.1 電氣性能測試

對水下電連接器進行電氣性能測試，驗證其電氣性能是否滿足要求。圖19為測試過程中所提及的觸點。

圖19 測試觸點位置示意圖

6.1.1 絕緣性能測試

測量時水下電連接器應插合，在兩兩觸點之間和觸點與外殼之間進行測量，每個觸點的絕緣電阻應以最小量程100 GΩ的儀器測量，測試電壓為1 000 V DC，測試時間至少1 min，以便獲得穩定的讀數，被測絕緣值應大于11 GΩ，測試結果為大于1 060 GΩ。

6.1.2 接觸電阻測試

測量2個相互配對連接器中接觸點之間的接觸電阻，通過直流電阻測試儀在連接器每個接觸點處測量接觸電阻，對于所有連接器組件，還應測量公頭電纜終端到母頭電纜終端產生的總電阻，被測接觸電阻應低于10 mΩ，測試結果為3.6 mΩ。

6.2 氣密性測試

測試用于驗證密封件是否安裝正確且不會泄漏。使用氦氣并充滿待測密封腔的一側，在試驗過程中應連續記錄溫度和壓力，使用氦氣吹掃時泄漏量最大不能超過5×10-6Pa·L/s，測試結果滿足要求。

6.3 高壓艙測試

高壓艙測試前應先進行氣密性測試，檢測高壓艙密封性。高壓艙測試系統如圖20所示。將水下電連接器放入高壓艙內，模擬1 500 m水深壓力環境。按照相關試驗標準，給高壓艙加壓17 MPa進行試驗，檢測其在靜態和插合過程中的電氣性能。測試結果為電氣性能滿足指標要求。

圖20 高壓艙測試現場

7 結論

1) 水下電連接器通過金屬插芯、非金屬插芯和前密封之間過盈配合的插拔動密封結構，可以將殘余海水始終隔離在動密封之外，從而使得內部充油腔始終保持密封，解決了插拔過程中的動密封問題。

2) 設計水下環境補償結構，實現壓力補償，并降低電連接器內外部壓力差。解決了水下電連接器處于1 500 m水深時內外的壓力差導致的電連接器插合效率低的問題。

3) 采用Lame公式、畸變能理論對水下電連接器危險截面的強度進行計算和校核。通過ANSYS軟件中的Workbench平臺對重要零件進行仿真分析，得知水下電連接器的工作安全系數滿足設計需求。

4) 通過對水下電連接器進行電氣性能測試、氣密性測試、高壓艙測試，并將測試后得到的技術指標與試驗前進行對比得知，水下電連接器的性能滿足1 500 m水深的工作需求。