(1.貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009；2. 蘇州華旃航天電器有限公司，江蘇蘇州，215129)

1 引言

高溫高壓密封連接器是一種用于石油和天然氣井下的、實現(xiàn)電子組件及電氣模塊之間提供電氣連接的電連接器；例如，為了獲取鉆探鉆頭的振動和溫度信號需要一套檢測系統(tǒng)，高溫高壓密封連接器在該系統(tǒng)中可以提供數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)通信模塊之間的通路，同時承受外部的高壓力保護鉆桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)。我國高溫高壓連接器起步較晚，但進步迅速，而在發(fā)達國家對這類連接器已經(jīng)研究了半個世紀以上，技術(shù)和工藝更加成熟。目前，使用這類連接器的下游企業(yè)有紐約斯倫貝謝、中海油服、哈里伯頓能源服務、著名油田設備制造、近海鉆探、美國貝克休斯、美國福陸、威德福油田設備、必捷油田服務、英國石油服務等公司，這些公司都是主要從事石油產(chǎn)業(yè)，對該類連接器的年需求量較大。因此，高溫高壓密封連接器具有非?？捎^的市場潛力，并且國內(nèi)乃至國際上只有為數(shù)不多的公司在開發(fā)研制，所以此類連接器具有很大的研制空間。

2 高溫高壓密封連接器的發(fā)展情況

高溫高壓密封連接器主要分為三類：1)玻璃/陶瓷-金屬燒結(jié)密封連接器，此類密封連接器對零部件的加工精度要求高且材料的熱膨脹系數(shù)必須匹配，在高溫高壓環(huán)境中可靠性較高；2)注塑類密封連接器，即向金屬外殼內(nèi)注入密封材料，在高壓作用下密封材料被越壓越緊從而達到密封效果；3)橡膠組裝類密封連接器，即將介質(zhì)體和接觸件以過盈方式與橡膠套進行裝配達到密封效果。

2.1 環(huán)境性能指標

為了保證井下電子設備能夠正常工作，通常電子設備被放置于單獨承壓腔體內(nèi)，承壓腔體通過高溫高壓密封連接器與外部電氣設備連接，實現(xiàn)承壓腔體內(nèi)的電子設備與地面電子設備之間的信號通信，同時高溫高壓連接器可以有效隔絕井下極端的高溫、高壓力、強腐蝕液體環(huán)境，如海水、油基鉆井泥漿以及可能含有硫化氫的液體及原油等，因此高溫高壓密封連接器其耐環(huán)境性能主要表現(xiàn)在兩方面：

(1)能夠承受非常惡劣的高壓力、高溫度環(huán)境。例如，在地下5000m到12000m這個深度范圍，井底的溫度有177℃到204℃，壓力大約有20000psi至25000psi(約175MPa)，隨著超深井的勘探，井下壓力即將邁入30000psi時代。

(2)能夠暴露在酸堿鹽侵蝕的環(huán)境中，正常工作。例如暴露在鉆井的泥漿和其他腐蝕性液體中，這些液體不僅能夠加速非金屬組件老化，而且對金屬也有很強的腐蝕性。

2.2 高溫高壓連接器專利申請情況

目前，在全世界范圍石油天然氣領(lǐng)域所使用的高溫高壓密封連接器的專利檢索結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，專利技術(shù)及產(chǎn)品生產(chǎn)基地主要分布在美國和歐洲，其中美國的"Kemlon"和"Greene Tweed"兩家公司基本上壟斷了高溫高壓密封連接器的專利申請，并且該兩家公司的專利幾乎構(gòu)成了一個堅實的專利技術(shù)壁壘，很難實現(xiàn)重大專利突破，但可從改進性能方向?qū)崿F(xiàn)突破。不過部分玻璃燒結(jié)類產(chǎn)品專利的法律狀態(tài)已失效，因此給國內(nèi)開發(fā)部分專利失效的產(chǎn)品提供了可行的途徑，避免了某些技術(shù)或產(chǎn)品產(chǎn)生的壟斷現(xiàn)象，但注塑連接器還處于專利保護狀態(tài)。

2.2.1 仍法律有效專利舉例

一種用于高溫高壓測井及鉆探的注塑型電連接器，包括：一個熱塑性有機材料構(gòu)成的絕緣體，具有承受一定的抗壓強度；一個鈹銅材料加工的金屬導體插針，其中部分插針被熱塑性絕緣體注塑包裹，插針的兩端各留出一段對插段；以及一個無機絕緣襯套，具有一定的抗壓強度，插針至少有一部分貫穿無機絕緣襯套，插針的細段穿過無機絕緣襯套；一個金屬支撐環(huán)，中間設有通孔，無機絕緣襯套至少有一部分貫穿金屬支撐環(huán)，上述電連接器以塑料注塑密封為特征。如圖1所示。

圖1 國外專利附圖

2.2.2 高溫高壓密封連接器開發(fā)策略

隨著高溫高壓玻璃燒結(jié)類密封連接器現(xiàn)有專利權(quán)保護年限的到期，玻璃燒結(jié)類連接器多數(shù)權(quán)利項已經(jīng)被放棄、終止或失效，因此，國內(nèi)生產(chǎn)商開發(fā)該類產(chǎn)品可以采取"產(chǎn)品跟隨策略"；由于高溫高壓密封連接器現(xiàn)有專利之間存在相互影響、相互關(guān)聯(lián)的特性，可從現(xiàn)有的專利中挖掘新的技術(shù)方案進行突破，可以采取專利無效策略與挖掘新技術(shù)方案開發(fā)策略；基于某個項目在全世界各國或地區(qū)的專利申請和授權(quán)兩方面的情況，在一段時間以內(nèi)，是個動態(tài)變化的狀態(tài)，需要采取專利跟蹤策略。經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)可開發(fā)的產(chǎn)品主要包含三類產(chǎn)品：單芯注塑類產(chǎn)品，單芯注塑改進類產(chǎn)品和玻璃燒結(jié)類產(chǎn)品[1]。

3 玻璃燒結(jié)類產(chǎn)品的技術(shù)研究

3.1 玻璃燒結(jié)技術(shù)概述

玻璃燒結(jié)密封連接器是一種應用于高溫、高壓力、腐蝕性等工況下的電連接器。此類連接器結(jié)構(gòu)相對簡單，機械強度良好，密封性能優(yōu)異，耐高溫性、耐腐蝕性以及耐輻射性較強，電性能參數(shù)良好，適用于各種特殊嚴酷的環(huán)境下使用。隨著我國航空、航天、船舶、勘探等工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍工事業(yè)的突飛猛進，玻璃燒結(jié)密封連接器是在上述場合不可替代的密封連接器，故各種工作在高溫、高壓力、腐蝕、輻射等工況的設備不斷增多，玻璃燒結(jié)密封連接器的需求也在與日俱增，種類也在不斷拓展。

3.2 玻璃燒結(jié)封接結(jié)構(gòu)及特點

玻璃燒結(jié)密封連接器的封接結(jié)構(gòu)可分為三種：

計算機編程語言不僅是計算機運行的指令，更是計算機編程人員和計算機之間的交流工具。經(jīng)過近一百年的發(fā)展，計算機編程語言已經(jīng)獲得了巨大的發(fā)展，其語言豐富性和流暢性均達到了一定水準，計算機語言也發(fā)展出多種形式，這些語言各有優(yōu)勢，使用者可以根據(jù)具體的網(wǎng)絡環(huán)境和實際需求進行選擇，以使計算機編程語言呈現(xiàn)出最優(yōu)異的性能。

a) 玻璃坯燒結(jié)結(jié)構(gòu): 絕緣體采用玻璃粉模壓制做的玻璃坯與殼體、接觸體間采用整體燒結(jié)結(jié)構(gòu)；

玻璃坯燒結(jié)結(jié)構(gòu)的特點: 該類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)相對簡單，壓制玻璃坯工藝成熟，殼體加工工藝簡單，適合企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)，但燒結(jié)后產(chǎn)品的成品率不是很穩(wěn)定，容易出現(xiàn)批量報廢現(xiàn)象。

b) 玻璃管燒結(jié)結(jié)構(gòu): 絕緣體采用玻璃珠與帶孔位的殼體和接觸體間采用燒結(jié)結(jié)構(gòu)；

玻璃管燒結(jié)結(jié)構(gòu)的特點: 該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)較復雜，玻璃管采用拉制生產(chǎn)工藝，殼體的燒結(jié)孔加工精度要求高，需要較好的機加設備，且加工工時較長，產(chǎn)品燒結(jié)后成品率較高，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，適合企業(yè)批量規(guī)模生產(chǎn)。

c) 陶瓷、玻璃混合燒結(jié)結(jié)構(gòu): 絕緣體采用陶瓷與金屬殼體間采用玻璃燒結(jié)，與接觸體間采用玻璃燒結(jié)結(jié)構(gòu)。

陶瓷、玻璃混合燒結(jié)結(jié)構(gòu)的特點: 該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復雜，燒結(jié)工藝復雜，零件加工工藝也比較復雜，需要加工設備精度高，工時長，且多芯產(chǎn)品燒結(jié)后成品率不是很高，但產(chǎn)品性能穩(wěn)定、耐高溫、耐高壓、絕緣、抗電性能好，適合企業(yè)小批量生產(chǎn)[2]。

3.3 玻璃燒結(jié)工藝

燒結(jié)工藝的好壞直接影響到玻璃燒結(jié)產(chǎn)品的性能與指標。在實際加工過程中，由于沒有按照工藝流程進行加工而出現(xiàn)良品率下降或整批報廢的事情時有發(fā)生，也有個別企業(yè)對相關(guān)工藝流程進行仔細研究并對其進行優(yōu)化，但萬變不離其宗，所有的工藝過程都離不開玻璃粉配臘壓制玻璃餅或玻璃珠，金屬零件清洗氧化，再與石墨模具或金屬模具裝配燒結(jié)，燒結(jié)后進行金屬件拋光及電鍍處理。

其中，燒結(jié)工藝流程的主要六個步驟為：玻璃餅或玻璃珠的壓制，金屬零件的凈化和氧化處理，石墨模具的凈化，裝模，正壓封接，表面電鍍。關(guān)鍵技術(shù)主要有：匹配封接，高熔點，清潔處理，燒氫除氣，退火處理。

4 高溫高壓連接器可靠性分析

4.1 高溫高壓連接器失效分析

高溫高壓連接器失效模式主要包括 :接觸失效、絕緣耐壓失效、機械密封失效及結(jié)構(gòu)失效。其中具體表現(xiàn)為：在工作過程中，連接器產(chǎn)生電信號瞬斷現(xiàn)象、接觸端子斷裂出現(xiàn)斷電、殼體變形斷裂或磨損，引起正位度下降、出現(xiàn)壓力灌腸；接觸件與接觸件間或接觸件與殼體間絕緣電阻值變??；接觸件整體插拔力過大或過小[3]；長期暴露在復雜潮濕環(huán)境中引起的生銹，電連接器插針與插孔表面出現(xiàn)氧化等。

對于常規(guī)電連接器而言，都能滿足在室溫常壓環(huán)境下的強度和硬度使用要求，但涉及到高溫高壓環(huán)境工作時，整體材料的強度和硬度通常難以滿足性能要求。這是因為高溫高壓環(huán)境會加速零件的失效，總結(jié)來看高溫高壓環(huán)境主要會對連接器造成以下四點影響[4]：

1)環(huán)境溫度升高會導致電連接器接觸件材料的性能快速下降；

2)高溫環(huán)境升高導致產(chǎn)品絕緣迅速下降；

3)高溫環(huán)境增加金屬活化能，提高金屬活性，從而會加速暴露在空氣中的金屬表面氧化速率。

4)高壓環(huán)境下會加速增加連接器的承壓結(jié)構(gòu)的疲勞性，使連接器產(chǎn)生泄漏失效。

4.2 高溫高壓連接器的故障診斷

在連接器發(fā)生故障時，故障原因通常與連接器的失效形式相聯(lián)系，因此，可通過建立故障樹(FTA)來進行連接器的故障診斷。如圖3所示，為連接器的故障樹分析圖。

圖3 連接器故障樹分析圖

其中，故障樹以高溫高壓連接器失效作為頂事件,接觸失效、絕緣耐壓失效、機械密封失效為二級事件,得出電連接器失效原因作為三級事件或底事件來建立。

除從常見連接器的失效分析考慮外，連接器出現(xiàn)故障時，還可以在設計問題、工藝問題、檢驗問題、制造問題等方面來考慮故障的原因。同樣可以建立故障樹進行分析，其中：設計問題主要為結(jié)構(gòu)設計不合理；工藝問題主要為工藝方法不合理和工藝流程不合理；檢驗問題主要為檢驗方法不合理和檢驗工裝不合理；制造問題主要為尺寸超差，連接器未連接到位導致密封性不夠，密封圈有損傷等。

在故障樹建立好之后，針對連接器的故障，通過對連接器的失效分析和故障原因依次排除，最后準確定位問題所在。建立故障樹的方法可以將問題準確定位，機理分析清楚，可提高效率，防止此類故障再次發(fā)生。

4 結(jié)語

本文主要在高溫高壓密封連接器的概述，環(huán)境指標，專利申請情況，制造的玻璃燒結(jié)工藝，連接器的失效形式分析以及故障診斷方法幾個方面進行了闡述。在一個產(chǎn)品從開發(fā)方向考慮到開發(fā)設計時所需考慮的環(huán)境指標，再到設計完成后主要的制造工藝，到最后產(chǎn)品成形后的故障診斷，大概囊括了高溫高壓連接器設計開發(fā)的主要整體過程。