許洋,范海濤,宋小海(美鉆能源科技(上海)有限公司,上海 200941)
水下采油樹(shù)設(shè)備電纜穿越裝置作為一種重要的傳送電力和信號(hào)的連接裝置,以其安全性能好、密封可靠、操作方便等特點(diǎn)受到廣泛重視并投入應(yīng)用。
水下采油樹(shù)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(kāi)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(hào)的連接裝置[1]。
電纜穿越裝置(如圖1 所示),按照部件分類(lèi),由三部分組成,包括水下電纜接頭、樹(shù)帽跨接纜和油管掛電纜接頭。按照功能分類(lèi),可以分為干式連接器和濕式連接器。
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(duì)接,在DC5 000 ±5 V 電壓下,應(yīng)保證每個(gè)接點(diǎn)之間,接點(diǎn)和地之間的絕緣電阻等級(jí)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(cè)試60 s,不應(yīng)發(fā)生擊穿和對(duì)地漏電的情況發(fā)生。
(3)高電壓測(cè)試的交變?cè)囼?yàn)電壓頻率范圍應(yīng)當(dāng)在49 赫茲到61 赫茲之間,測(cè)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(cè)試電壓(kV):9.2,直流測(cè)試電壓(kV):22.0,接點(diǎn)之間、接點(diǎn)與地之間的高壓耐壓測(cè)試時(shí)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(cè)試,電流負(fù)載為125 A 時(shí),不高于環(huán)境溫度30 ℃。
圖1 采油樹(shù)帽示意圖
(5)總裝試驗(yàn)時(shí),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(guò)6.9 kPa。
(6)插拔過(guò)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。
如圖2 所示,電纜穿越裝置的插頭和插座均有兩級(jí)密封平衡艙,這兩級(jí)密封平衡艙的密封件分別為主級(jí)隔膜和次級(jí)隔膜。主次級(jí)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(zhǎng)隔膜延展性,增加了隔膜的變形量[3]。
主級(jí)隔膜,內(nèi)部充滿絕緣介質(zhì)。外部海水通過(guò)外筒上的平衡孔接觸主級(jí)隔膜外壁。插頭和插座在水下插拔的過(guò)程中,外界的海水通過(guò)壓力平衡孔進(jìn)入柔性隔膜的外側(cè)。當(dāng)插頭穿過(guò)密封裝置插入插座時(shí),不存在壓力梯度,不產(chǎn)生任何應(yīng)力。
次級(jí)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(xiǎn)。密封空間內(nèi)部充滿絕緣介質(zhì),外部空間則是主級(jí)隔膜內(nèi)部的絕緣介質(zhì)。在插拔過(guò)程中,次級(jí)隔膜內(nèi)部的絕緣介質(zhì)會(huì)部分少量流失。外部壓力和內(nèi)部壓力通過(guò)隔膜的形變,達(dá)到內(nèi)外平衡的狀態(tài)[4]。
圖2 多級(jí)密封壓力平衡結(jié)構(gòu)示意圖
這種結(jié)構(gòu)的密封,插頭上硫化剛性較強(qiáng)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?,就是插頭和插座插合過(guò)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(bǔ)償接觸面之間的間隙,使之在濕式或者水下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)水的密封。對(duì)于這種密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),剛?cè)嵯鹉z材料的合理選用是關(guān)鍵[5]。
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(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiāo)和端面密封進(jìn)行密封的,同時(shí)往復(fù)銷(xiāo)與次級(jí)隔膜對(duì)插孔裸露金屬處進(jìn)行二級(jí)密封保護(hù)。
在插合過(guò)程中,插針推往復(fù)銷(xiāo)直線運(yùn)動(dòng),直到完全替代往復(fù)銷(xiāo)插合到位,同時(shí)依次與端面密封和次級(jí)隔膜形成兩道密封。
當(dāng)插頭拔出時(shí),往復(fù)銷(xiāo)依靠壓縮彈簧復(fù)位,同時(shí)依次與端面密封和次級(jí)隔膜形成兩道密封。
在這個(gè)插拔過(guò)程中,幾乎是無(wú)縫銜接,只會(huì)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(jì),有效的保證的設(shè)備的絕緣和密封性能要求。
各密封絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比如下:
(1)多級(jí)密封壓力平衡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是利用壓力平衡原理,具有壓力補(bǔ)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(jí)結(jié)構(gòu)形式具有兩級(jí)以上的密封效果(濕式電連接器是兩級(jí)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(jì)是利用剛?cè)釃Ш显?,依靠絕緣體的彈性補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)密封,應(yīng)用于插針和插孔的絕緣體的設(shè)計(jì)。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(guò)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(jì)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(shí)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(huì)在分離的過(guò)程中泄漏。
(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(jì)時(shí),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(shù)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(qiáng)、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(shù)設(shè)備三段式電纜穿越裝置的設(shè)計(jì)原則是:簡(jiǎn)單、可靠、有效、實(shí)用。在設(shè)計(jì)方面,可以多借鑒國(guó)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。