程銳，朱麟杰，許淑峰，丁翠紅，文歡(美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200941)

0 引言

水下生產(chǎn)系統(tǒng)，特別是低壓油田，水下井口采油樹常常需要依賴電潛泵提供舉升動力保證油井產(chǎn)量，為了保證水下井口裝置和采油樹的安全需要采集流道內(nèi)的溫度和壓力等信息并進行對應的控制信號操作，這類情況往往不可避免地需要使用電連接器。水下干式電連接器，應用于水下井口采油樹的電潛泵的動力通道中，不便于維護，不能在海水環(huán)境下進行對接分離操作。應用于水下井口裝置和采油樹流道內(nèi)的溫度和壓力等信息采集及控制信號操作，必須搭建相應的密封和絕緣環(huán)境，在深水作業(yè)中，這是非常困難的。因此，常常需要用到水下濕插電連接器。

文章介紹了一種水下強電濕插電連接器，它采用了非接觸式導通絕緣密封結構形式，可以有效解決水下濕插電連接器公插頭和母插頭在插接和分離過程中的非接觸式導通、絕緣、密封的問題，保證了水下濕插電連接器的水下插接和分離過程的安全可靠以及插拔壽命。

1 水下強電濕插電連接器電插件功能介紹

水下強電濕插電連接器由公插和母插組成，水下濕插電連接器通過公插和母插的插拔運動，可以實現(xiàn)水下濕插電連接在水下插合與分離過程中的公插與母插導通以及電插件與外部環(huán)境絕緣、密封。

1.1 公插與母插接觸部分結構說明

公插的前端為插銷，它由導芯和絕緣層整體構成，前端裸露導芯為公端插合導通的導電件，非裸露部分由絕緣層絕緣，尾端連接電纜，安裝于水下濕插電連接器公插上，其中部由非金屬密封件對插銷插合端與電纜連接端隔離，確保對外部環(huán)境的密封隔離。

母插前端為前端密封，其安裝于密封定位環(huán)上，其內(nèi)部密封往復銷；往復銷由彈簧支撐，安裝于母插接觸桿開口槽內(nèi)，在公端插銷的插拔運動下，可以進行前后往復運動，由絕緣材料制成；母插接觸桿端部設有環(huán)槽，并在軸向上分布開口，使其端部具備一定的彈性，其尾端連接電纜；接觸網(wǎng)安裝于母插接觸桿端部環(huán)槽內(nèi)，接觸網(wǎng)為C 型收腰結構的開口薄環(huán)片，也具備一定的彈性，為電的良導體；在公端插銷推動往復銷壓縮彈簧向內(nèi)運行，公端插銷導芯裸露部分進入接觸網(wǎng)，過盈壓緊在母插接觸桿端部環(huán)槽內(nèi)，從而實現(xiàn)了公插和母插的電導通，母端導電件為母插接觸桿和接觸網(wǎng)；彈簧內(nèi)部安裝有彈簧支撐桿，避免彈簧在工作過程中失穩(wěn)屈服失效；母插接觸桿與母插本體之間由絕緣套絕緣，且母插接觸桿的插合端與電纜連接端由非金屬密封件進行隔離密封；絕緣套的外部安裝有次級隔膜，其內(nèi)部充滿絕緣重油，并將母端導電件始終隔離在內(nèi)部絕緣重油環(huán)境中；次級隔膜由精選的非金屬密封材料制成，在插拔運動過程中，它可以通過自身的形狀變化，保證內(nèi)外壓力腔壓力平衡；次級隔膜端部安裝有次級隔膜鎖環(huán)，確保其端部結構穩(wěn)定性，避免其在插拔運動過程中因壓力的快速變化功能性失穩(wěn)；次級隔膜的外圍由主級隔膜形成充滿絕緣重油腔，主級隔膜與外界環(huán)境壓力相通，由精選的非金屬密封材料制成，在插拔運動過程中，它可以通過自身的形狀變化，保證內(nèi)外壓力腔壓力平衡；主級隔膜由隔膜套壓緊于密封定位環(huán)和母插本體上，隔膜套底部有定位孔，通過定位銷定位于母插本體上。

1.2 功能介紹

母插有兩組功能模塊，分別為非接觸式導體替讓結構和多級壓力平衡與密封結構。非接觸式導體替讓結構由母插接觸桿、彈簧支撐桿、彈簧、接觸網(wǎng)、往復銷組成，其中母插接觸桿和接觸網(wǎng)是母端的插合導通的導電件，往復銷為公端插銷非接觸式絕緣替讓件。多級壓力平衡與密封結構由主級隔膜、次級隔膜、絕緣套、前端密封組成，其中主級隔膜和次級隔膜內(nèi)腔均充滿絕緣重油，主級隔膜直接接觸外部水環(huán)境，可以隨著內(nèi)外力的變化收縮或者膨脹，以保證內(nèi)外壓力平衡，同前端密封一起，構成了三級密封壓力平衡環(huán)境[1]。

前端密封在插合前與往復銷一起隔絕外界水環(huán)境；在插合過程中，在公端插銷替換退讓的往復銷，前端密封和公端插銷一起隔絕外界水環(huán)境，并且在這個過程中，前端密封對公端插銷裸露導芯表面的水進行了剔除，主級隔膜內(nèi)腔的絕緣重油由于內(nèi)壓的增大和高密度環(huán)境，對外部相對低壓、低密度的水環(huán)境進行拒止，絕緣重油少量溢出，這個過程中沒有進行電導通動作；公端插銷進入到次級隔膜，繼續(xù)替換退讓的往復銷，往復銷與次級隔膜形成的內(nèi)部絕緣重油隔離密封逐漸替換為公端插銷與次級隔膜的絕緣重油隔離密封，這個過程中次級隔膜繼續(xù)對公端插銷裸露導芯表面的水進行二次剔除，次級隔膜內(nèi)腔的絕緣重油由于內(nèi)壓的增大，對外部相對低壓環(huán)境進行拒止，絕緣重油少量溢出，這個過程中沒有進行電導通動作；公端插銷的裸露導芯很短，很快就完全進入次級隔膜內(nèi)腔，與主級隔膜腔和前端密封外部環(huán)境形成兩道絕緣隔離；當完全插合時，公端插銷的裸露導芯撐開接觸網(wǎng)，過盈壓緊在母插接觸桿端部環(huán)槽內(nèi)，從而實現(xiàn)了公插和母插的電導通[2]。當公端插銷拔出時，往復銷在彈簧作用下，重新復位，實現(xiàn)電絕緣和密封。

2 影響電插件功能的主要因素

水下強電濕插電連接器工作要求：

(1)分離時，公插與母插的內(nèi)部環(huán)境要與外部隔離，即獨立密封。(2)對接過程中，公插侵入母插，母插有體積膨脹的趨勢，必須保證母插壓力平衡，確保公插對接過程順利，并且該過程必須保證母插對外界的密封。(3)插合后，要保證公插和母插的導電件與外部環(huán)境的絕緣，同時具有規(guī)定的足夠小的接觸電阻，保證插合導通良好。(4)公插與母插可以保證多次插拔的插拔壽命。

影響電插件功能的主要因素有：

(1)母插壓力平衡腔，必須采用大密度、高絕緣性的絕緣油，確保其能夠以最小的體積變化為代價，快速感知外部壓力變化，并迅速實現(xiàn)壓力平衡；這在電插件對接和分離時，減少絕緣油的溢出或海水的侵入。(2)為了保證足夠的內(nèi)部與外部環(huán)境的電絕緣，母插應至少設計成兩級壓力平衡腔，確保接合后電插件與外接環(huán)境的完全絕緣；且需確保，在多次插合后，依然能保證壓力平衡腔內(nèi)的介電參數(shù)滿足使用要求，在設計的使用壽命內(nèi)絕緣性能不失效。(3)公插與母插的導電件，必須有良好的導電性能，避免其熱量積累溫度持續(xù)升高引起的功能失效；同時避免在對接導通后，由于過大的接觸電阻引起的功能失效。

3 設計方法

3.1 多級壓力平衡腔設計

多級壓力平衡腔壓力傳導方程：

式中：P 為壓力(MPa)；K 為填充介質(重油)的壓縮模量(MPa)；ρ 為重油的密度( kg/m3)

重油壓力平衡重建速度：

式中：C 為壓力微擾傳播的速度(重油的聲速)( m/s)。

從上述分析可知，電連接器密封腔內(nèi)應盡量采用高絕緣性的絕緣重油作為多級壓力平衡腔的壓力平衡介質。

3.2 導電件導通設計

導電件的導通能力，關鍵在于接觸網(wǎng)與母插接觸桿和插銷的界面配合關系，接觸網(wǎng)為一開口環(huán)(如圖1 所示)，其展開圖如圖2 所示，其外徑od 與母插接觸桿內(nèi)徑ID 相配，內(nèi)徑id 與插銷外徑OD 相配(如圖3 所示)。

圖1 接觸網(wǎng)成型圖

圖2 接觸網(wǎng)展開圖

圖3 接觸網(wǎng)與母插接觸桿和插銷配合界面圖

接觸網(wǎng)內(nèi)接觸面與外接觸面高度h1：

母插接觸桿導電槽與插銷外緣徑向高度h2：

接觸網(wǎng)凸緣徑向位移：

接觸電阻包括集中電阻、膜層電阻、導體電阻。其中，集中電阻與膜層電阻之和為真實接觸電阻；真實接觸電阻與導體電阻之和為總接觸電阻。

為了保證接觸件間具有良好的電接觸應有Δr<0，在確保接觸件接觸的前提下，接觸件間應有良好的接觸應力，確保接觸過盈量取得合適Δr值，降低接觸電阻。

4 結語

我司依托1 500 m 水下智能井口和采油樹項目，對水下強電濕插電連接器進行了合理化設計、制造、測試，完成了水下強電濕插電連接器(5 KV&125 A)的開發(fā)，投入了中國南海某油田水下采油樹動力電纜動力傳輸使用，并在實踐應用中運行良好，滿足標準設計要求。