水下采油樹設(shè)備三段式電纜穿越裝置結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(yīng)用。

水下采油樹設(shè)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(fā)的應(yīng)用于水下電潛泵與水上控制系統(tǒng)聯(lián)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(shè)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(jié)構(gòu)密封要求

電氣安全和結(jié)構(gòu)密封性能是電纜穿越裝置的安全性和可靠性的關(guān)鍵。通常要求如下[2]：

（1）水下對接，在DC5 000 ±5 V 電壓下，應(yīng)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(yīng)在海水中使用交流15 kv 的電壓持續(xù)測試60 s，不應(yīng)發(fā)生擊穿和對地漏電的情況發(fā)生。

（3）高電壓測試的交變試驗電壓頻率范圍應(yīng)當(dāng)在49 赫茲到61 赫茲之間，測試電壓為2.5 Uo + 2 kV（Uo 為導(dǎo)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(tài)使用700 A 電流變壓器進(jìn)行測試，電流負(fù)載為125 A 時，不高于環(huán)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(nèi)氦氣壓力為103.4 kPa，氦氣泄漏量為8 h 后內(nèi)部壓降不應(yīng)超過6.9 kPa。

（6）插拔過程中，海水不能滲入連接器腔體內(nèi)，導(dǎo)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(fù)插拔后，水下電連接器的結(jié)構(gòu)密封性能仍然相當(dāng)可靠。

3 多級密封壓力平衡結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)外壁均有多道突出截面為半球型或者方形的環(huán)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(nèi)部充滿絕緣介質(zhì)。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(jìn)入柔性隔膜的外側(cè)。當(dāng)插頭穿過密封裝置插入插座時，不存在壓力梯度，不產(chǎn)生任何應(yīng)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(dāng)于密封的雙保險。密封空間內(nèi)部充滿絕緣介質(zhì)，外部空間則是主級隔膜內(nèi)部的絕緣介質(zhì)。在插拔過程中，次級隔膜內(nèi)部的絕緣介質(zhì)會部分少量流失。外部壓力和內(nèi)部壓力通過隔膜的形變，達(dá)到內(nèi)外平衡的狀態(tài)[4]。

圖2 多級密封壓力平衡結(jié)構(gòu)示意圖

4 剛?cè)崤浜闲兔芊饨^緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

這種結(jié)構(gòu)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?cè)崤浜闲停褪遣孱^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(huán)境中實現(xiàn)對水的密封。對于這種密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計，剛?cè)嵯鹉z材料的合理選用是關(guān)鍵[5]。

5 濕式電連接器的導(dǎo)通絕緣密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

濕式電連接器的插頭端和插座端是在水下進(jìn)行插拔的，這對結(jié)構(gòu)設(shè)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(fù)銷和端面密封進(jìn)行密封的，同時往復(fù)銷與次級隔膜對插孔裸露金屬處進(jìn)行二級密封保護(hù)。

在插合過程中，插針推往復(fù)銷直線運動，直到完全替代往復(fù)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(dāng)插頭拔出時，往復(fù)銷依靠壓縮彈簧復(fù)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(xiàn)極少的海水滲透和內(nèi)腔絕緣油外漏的情況，影響可以忽略不計，有效的保證的設(shè)備的絕緣和密封性能要求。

6 密封絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計的對比及具體應(yīng)用效果

各密封絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計對比如下：

（1）多級密封壓力平衡結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用于濕式電連接器腔體密封。多級結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式安全性能好，密封可靠，但只適用于低壓設(shè)備。

（2）剛?cè)崤浜闲兔芊饨^緣結(jié)構(gòu)設(shè)計是利用剛?cè)釃Ш显?，依靠絕緣體的彈性補償實現(xiàn)密封，應(yīng)用于插針和插孔的絕緣體的設(shè)計。該結(jié)構(gòu)形式使絕緣體之間的配合達(dá)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(dǎo)通絕緣密封結(jié)構(gòu)設(shè)計是利用非接觸式導(dǎo)體替讓的方法，應(yīng)用于濕式電連接器，實現(xiàn)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(jié)語

（1）密封絕緣結(jié)構(gòu)是決定電纜穿越裝置的安全性和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計時，需要滿足相應(yīng)的結(jié)構(gòu)密封性能和電氣絕緣性能的要求；

（2）水下采油樹設(shè)備三段式電纜穿越裝置可以在水下進(jìn)行插拔操作，耐環(huán)境能力強、性能穩(wěn)定，是理想的水下作業(yè)裝置，其結(jié)構(gòu)新穎先進(jìn)，是海洋石油系統(tǒng)的配套設(shè)備。

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