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(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(chǎn)系統(tǒng)是海底油氣田水下生產(chǎn)設(shè)施的集合。將水下生產(chǎn)設(shè)備布置在海底，可縮短建造時(shí)間，節(jié)省大量成本，并可避免風(fēng)浪災(zāi)害的影響，是進(jìn)行深海油氣田開發(fā)的主流模式之一[1-2]。水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)由井口、采油樹、管匯、臍帶纜、跨接管、對(duì)接器、分離器、水下控制系統(tǒng)、分配單元和海底管線等組成，與固定式平臺(tái)、浮式平臺(tái)等水面開采技術(shù)不同[3-5]。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)被視為深海油氣田開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，其性能對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)整體起著至關(guān)重要的作用。作為水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)核心的水下控制模塊，其與水下采油樹安裝在一起，負(fù)責(zé)監(jiān)測和控制水下油氣生產(chǎn)設(shè)備[6-7]。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)經(jīng)歷著由全液式到電液復(fù)合式，再到全電式的發(fā)展過程，其中，全電式水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、無污染、可靠性高的特點(diǎn)，已經(jīng)成為未來水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[8-9]。

隨著對(duì)海洋油氣需求的逐漸加大，全電式水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)也逐漸變得大型化、復(fù)雜化，整體布放方式變得越來越困難。因此，需對(duì)全電式水下生產(chǎn)系統(tǒng)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(chǎn)系統(tǒng)的各個(gè)模塊連接起來，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下生產(chǎn)系統(tǒng)整體的遠(yuǎn)距離電能及電信號(hào)傳輸[10]。由此可見，水下電連接器是全電式水下生產(chǎn)系統(tǒng)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(shè)施連接的核心設(shè)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(chǎn)系統(tǒng)整體的工作性能[11]。

目前，國外對(duì)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(nèi)對(duì)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(huán)境中插拔，因此對(duì)水下電連接器的密封性能和環(huán)境補(bǔ)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(hào)傳輸?shù)某晒εc否，環(huán)境補(bǔ)償性能直接決定插拔力的大小，進(jìn)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(diǎn)分析O型密封圈尺寸、溝槽間隙，以及壓縮率等其他因素對(duì)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(tài)下的密封性能。魏迪飛等[13]將多重O型密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用于水下電連接器插拔工作狀態(tài)中，但這種密封結(jié)構(gòu)僅在理論上取得了較好的密封效果，缺乏分析計(jì)算。石秀華等[14]對(duì)芳綸電纜這類干式連接器進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)與分析，結(jié)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(jìn)等[15]發(fā)明了一種光電復(fù)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(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，加工困難。宋文韜等[16]發(fā)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(shí)，可穿透密封體可自動(dòng)返回原位置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封。但可穿透密封體所在位置為可變形的橡膠體，當(dāng)橡膠體在變形以后插針能否準(zhǔn)確扎到可穿透密封體還有待進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[16]介紹的連接器采用“三層”軟囊來實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償，其中1層與基座之間實(shí)現(xiàn)插座油腔的建立，另外2層之間實(shí)現(xiàn)插頭油腔的建立，實(shí)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(huì)使電連接器立刻失效。張利彬等[17]發(fā)明了一種水下分離電連接器，插頭與插座均開槽，在脫開時(shí)通過水槽進(jìn)水的方式實(shí)現(xiàn)水下壓力補(bǔ)償，可以在水下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)電連接器的脫開；缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)在水下插合，每次脫開以后需進(jìn)行沖洗并吹干后再使用。陳繼利[18]發(fā)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(cuò)開而使外界水進(jìn)入插合面的方式實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)泄壓分離；缺點(diǎn)是插芯與密封圈錯(cuò)開時(shí)會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水，使電連接器的轉(zhuǎn)接接觸件部分短路。趙宏林等[19]將其設(shè)計(jì)的水下濕式電連接器插拔工作狀態(tài)下的密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用于500 m水深，通過經(jīng)驗(yàn)公式法和雷諾方程法計(jì)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(dòng)密封結(jié)構(gòu)解決了在深海高壓環(huán)境中電連接器插拔時(shí)會(huì)帶入過量海水導(dǎo)致絕緣電阻降低的問題。筆者設(shè)計(jì)的環(huán)境壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，可解決水下電連接器處于1 500 m水深時(shí)內(nèi)外部巨大的壓力差使電連接器插合效率降低的問題。設(shè)計(jì)的水下電連接器插拔動(dòng)密封結(jié)構(gòu)、環(huán)境補(bǔ)償結(jié)構(gòu)滿足1 500 m水深工作的技術(shù)要求，對(duì)未來深海領(lǐng)域電連接器的開發(fā)具有借鑒意義。

1 水下電連接器結(jié)構(gòu)簡介

在海洋油氣的水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，水下電連接器是用來傳輸水下儀器和設(shè)備之間的電能和電信號(hào)。它配合電纜形成組件，由水下機(jī)器人操作，通過公、母插頭的插合與分離，在水下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)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(guān)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(guān)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(dǎo)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(dǎo)電銷等組成，密封螺母與端密封件負(fù)責(zé)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(gè)連接過程中要保證不會(huì)造成電纜線的損壞，同時(shí)電纜要被牢牢固定在電連接器內(nèi)，更要保證在水下環(huán)境中拉拽電連接器線纜時(shí)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(yīng)用于井口和采油樹電潛泵的動(dòng)力通道中，維護(hù)不方便， 不能對(duì)其在海水環(huán)境下進(jìn)行對(duì)接和分離操作，所以在海水環(huán)境中進(jìn)行電信號(hào)連接時(shí)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(huán)境下連接電纜，是一種連通水下設(shè)備電信號(hào)的水下可插拔連接裝置[19]。本文中密封結(jié)構(gòu)、環(huán)境補(bǔ)償結(jié)構(gòu)涉及到的水下電連接器設(shè)計(jì)水深為1 500 m，芯數(shù)為4芯，操作溫度為-5～60 ℃，由水下機(jī)器人完成插拔操作，屬濕插拔類型。

2 深海電信號(hào)連接器動(dòng)靜密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

水下電連接器的密封性能直接決定電信號(hào)傳輸?shù)某晒εc否。在深海水壓較大的復(fù)雜水下環(huán)境中，解決密封問題是水下電連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)。水下濕式電連接器在水下進(jìn)行插拔時(shí)，由于在深海高壓環(huán)境中，電連接器在插拔時(shí)可能會(huì)帶入一些海水，導(dǎo)致絕緣電阻降低，致使電連接器性能降低。隨著插拔次數(shù)增多，電連接器也會(huì)失效。任意一個(gè)密封圈失效可能導(dǎo)致整個(gè)水下電連接器失效，所以對(duì)水下電連接器密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。

水下電連接器的發(fā)展在起步階段時(shí)應(yīng)用于淺海，通過O型圈來實(shí)現(xiàn)密封[12]。密封方式主要為靜密封，在岸上干燥環(huán)境中將電連接器插合后布放于水下，在水下不進(jìn)行插合。隨著海上油氣資源開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，開采海上油氣資源的平臺(tái)也在變得大型化，整體布放方式愈發(fā)困難，需采用分塊式布放，這也對(duì)水下電連接器提出了更高的要求，即需要在水下環(huán)境中實(shí)現(xiàn)插拔，并且需在插拔時(shí)實(shí)現(xiàn)密封。

隨著電連接器的發(fā)展，水下電連接器的密封結(jié)構(gòu)經(jīng)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(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封的轉(zhuǎn)變。如果水下電連接器的芯數(shù)較多，1個(gè)插芯需要1個(gè)密封圈，那么密封塊加密封圈復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封的方式就需要較多的密封圈，如果1個(gè)密封圈失效，就會(huì)導(dǎo)致水下電連接器失效。由于密封圈數(shù)量多，就會(huì)導(dǎo)致這種動(dòng)密封方式的失效概率也會(huì)增加，就會(huì)導(dǎo)致水下電連接器在插拔過程中帶入過量海水而導(dǎo)致密封失效。國外的一些水下電連接器產(chǎn)品中有一些組成動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的密封件，但形狀較為復(fù)雜，加工比較困難。

2.2 結(jié)構(gòu)組成及密封原理

本文介紹的插拔動(dòng)密封結(jié)構(gòu)由金屬插芯、前密封、非金屬插芯、保護(hù)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(zhì)通過熱注塑而成，結(jié)構(gòu)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(zhì)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(huì)導(dǎo)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(tǒng)注入口在一側(cè)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(nèi)芯兩端固定，置入模具中注塑，并對(duì)模具和銅棒采用“循環(huán)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(jié)構(gòu)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(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖6所示。外側(cè)為HNBR材質(zhì)可保證前密封塊的強(qiáng)度，內(nèi)側(cè)位PEEK材質(zhì)可滿足密封要求。相比于密封塊加多個(gè)密封圈復(fù)合結(jié)構(gòu)，前密封塊結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將多個(gè)密封圈合為1個(gè)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(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 亞隔膜

在對(duì)接前，水下電連接器的外部套筒與內(nèi)部構(gòu)件設(shè)置有密封圈，實(shí)現(xiàn)靜密封。同時(shí)，亞隔膜將非金屬插芯、保護(hù)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?？卓谔幇凑諊H標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，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(shí)，繼續(xù)在孔口放置與倒角方式合適的密封圈。

圖7 亞隔膜密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.4 插合與脫開過程動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

水下電連接器在對(duì)接過程中，分為插合過程和脫開過程，這2個(gè)過程的動(dòng)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(shí)現(xiàn)。

1) 插合過程動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。

如圖8所示，插合過程中，金屬插芯首先進(jìn)入前密封的插孔中，碰到非金屬插芯，與插孔發(fā)生過盈配合下的金屬插芯緩慢移動(dòng)，金屬插芯上的海水會(huì)被插孔內(nèi)壁剮蹭至消失，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)插合過程的動(dòng)密封。隨著金屬插芯距離的深入，碰到在次級(jí)隔膜后的冠簧，冠簧的作用是承擔(dān)電接觸的功能，使得整個(gè)電路接通。

圖8 插合過程動(dòng)密封結(jié)構(gòu)示意圖

2) 脫開過程動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。

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(xì)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(dòng)。非金屬插芯在向外移動(dòng)過程中也會(huì)通過前密封的插孔，并與之發(fā)生過盈配合，至金屬插芯的完全移出，實(shí)現(xiàn)脫開過程的動(dòng)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(jié)束后，連接器恢復(fù)到原來的狀態(tài)。

圖9 脫開過程動(dòng)密封結(jié)構(gòu)示意圖

3 深海電信號(hào)連接器環(huán)境補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 環(huán)境補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的功能

當(dāng)電連接器處于水深1 500 m的環(huán)境時(shí)，連接器內(nèi)部和外部有很大的壓力差，如果連接器插拔時(shí)得不到壓力補(bǔ)償，會(huì)使得插拔力增大數(shù)十倍。這時(shí)，在水下用ROV拉拽水下電連接器時(shí)，需要很大的力才能把水下電連接器拉開，也會(huì)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(shè)計(jì)一種環(huán)境補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，在電連接器進(jìn)行連接時(shí)實(shí)現(xiàn)水壓補(bǔ)償，同時(shí)也解決了金屬外殼考慮水深壓力作用的影響而壁厚設(shè)計(jì)過厚的問題。

3.2 環(huán)境壓力補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展

水下電連接器發(fā)展的初期階段是在淺海應(yīng)用的，沒有壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，只是通過開水槽進(jìn)水的形式實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償，但可能會(huì)帶來短路的風(fēng)險(xiǎn)。隨著海上油氣資源的開發(fā)逐漸向深海邁進(jìn)，水下電連接器應(yīng)用的水深也在逐漸增加，因此針對(duì)水下電連接器壓力補(bǔ)償?shù)难芯恳苍谠龆?。隨著水下電連接器的發(fā)展，水下電連接器出現(xiàn)了活塞式、皮囊式和波紋管式3種主要的壓力補(bǔ)償方式，解決了公頭插針插入母頭插孔過程中，母頭內(nèi)部體積壓縮過小而無法插入的問題。國外比較先進(jìn)的水下電連接器產(chǎn)品壓力補(bǔ)償方式有隔膜式補(bǔ)償，適用于深海，隔膜內(nèi)部有多個(gè)插芯，缺點(diǎn)是隔膜失效會(huì)導(dǎo)致水下電連接器多個(gè)插芯立刻失效，導(dǎo)致設(shè)備回收以后所有零件都報(bào)廢。

3.3 新型環(huán)境壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

3.3.1 結(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)由冠隔膜、絕緣油、保護(hù)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(gòu)件形成了“油泡”環(huán)境壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，在電連接器插合和脫開過程中，通過“油泡”結(jié)構(gòu)的放大和縮小來補(bǔ)償壓力，并減小電連接器內(nèi)外壓力差。

該水下電連接器的壓力補(bǔ)償方式可以對(duì)標(biāo)并略優(yōu)于國外先進(jìn)產(chǎn)品的壓力補(bǔ)償方式，通過2層隔膜組成環(huán)境壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，即所有插芯外部共有1層冠隔膜，每個(gè)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(shí)保護(hù)插芯不失效并實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)“冗余”壓力補(bǔ)償功能。

在電連接器油腔外圍設(shè)計(jì)的環(huán)境壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了壓力補(bǔ)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(dǎo)致絕緣失效問題，并解決了水下電連接器在1 500 m水深時(shí)由于內(nèi)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(nèi)部為絕緣油，外部為海水，在1 500 m水壓下“油泡”結(jié)構(gòu)處于“縮小”狀態(tài)。在插合過程中，隨著金屬插芯插入插孔，非金屬插芯在保護(hù)套內(nèi)移動(dòng)，保護(hù)套內(nèi)部的絕緣油通過排油孔被擠出進(jìn)入亞隔膜內(nèi)部，亞隔膜變大，進(jìn)而帶動(dòng)冠隔膜膨脹，使得“油泡”結(jié)構(gòu)慢慢變大，并增大水下電連接器內(nèi)部壓力，至與外部水壓平衡，補(bǔ)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(huì)在插孔中移動(dòng)，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(nèi)的橡膠膜具有彈性，會(huì)吸收連接器插合時(shí)狀態(tài)變化的壓力，進(jìn)入亞隔膜密封空間內(nèi)部的部分金屬插芯會(huì)受到“油泡”結(jié)構(gòu)中油液給予的壓力，此壓力會(huì)與密封空間外部的部分金屬插芯所受的海水壓力平衡，實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償。水深1 500 m處的壓力約為15 MPa，在金屬插芯插合完畢進(jìn)入插孔時(shí)，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(jié)構(gòu)直接與海水接觸，“油泡”結(jié)構(gòu)的冠、亞隔膜內(nèi)部油壓會(huì)與外界水壓平衡且均為15 MPa，插合完畢時(shí)金屬插芯會(huì)在亞隔膜內(nèi)部受到與外界水壓相平衡的油液壓力15 MPa， 這說明通過環(huán)境壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)能夠使水下電連接器內(nèi)部油壓與外界水壓力達(dá)到平衡狀態(tài)。環(huán)境壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)通過2層隔膜的設(shè)計(jì)解決了在深海環(huán)境中電連接器內(nèi)外壓力差大帶來的插拔難度大的問題，很好地保護(hù)了水下電連接器結(jié)構(gòu)。

4 強(qiáng)度校核

4.1 厚壁圓筒結(jié)構(gòu)Lame公式

Lame公式在工程力學(xué)中具有重要地位，尤其是在解決彈性力學(xué)的平面問題時(shí)，不失為一種理想的數(shù)學(xué)模型。外徑與內(nèi)徑的比值在1.1～1.2為厚壁容器，對(duì)于兩端封閉的厚壁圓筒結(jié)構(gòu)，同時(shí)受到內(nèi)壓(pi)和外壓(po)作用，當(dāng)厚壁圓筒內(nèi)徑為Ri，外徑為Ro，壁厚方向任意半徑為r(Ri≤r≤Ro)時(shí)，由Lame公式知：

任意位置的周向應(yīng)力為

(1)

任意位置的徑向應(yīng)力為

(2)

任意位置的軸向應(yīng)力為

(3)

管徑比為

(4)

4.2 第四強(qiáng)度理論

第四強(qiáng)度理論又稱為畸變能理論，其表述的是材料發(fā)生屈服是畸變能密度引起的。這一理論假設(shè):形狀改變能密度是引起材料屈服的因素，也即認(rèn)為不論處于什么樣的應(yīng)力狀態(tài)下，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的形狀改變能密度達(dá)到了材料的極限值，該點(diǎn)處的材料就發(fā)生塑性屈服。通過第四強(qiáng)度理論可知，最大許用當(dāng)量應(yīng)力SE為

(5)

根據(jù)ANSI/API Spec 17D 5.1.3.6，主要構(gòu)件設(shè)計(jì)計(jì)算中使用基于材料最低屈服強(qiáng)度的安全系數(shù)m不應(yīng)小于1.5，即：

(6)

式中：SY為材料的最小屈服強(qiáng)度

4.3 電連接器強(qiáng)度計(jì)算

4.3.1 電連接器危險(xiǎn)截面

對(duì)電連接器危險(xiǎn)截面進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和強(qiáng)度校核[22]，母頭套筒危險(xiǎn)截面位置如圖11所示，公頭套筒危險(xiǎn)截面位置如圖12所示。

圖11 母頭套筒危險(xiǎn)截面位置

圖12 公頭套筒危險(xiǎn)截面位置

4.3.2 電連接器危險(xiǎn)截面參數(shù)

在計(jì)算電連接器危險(xiǎn)截面應(yīng)力之前，應(yīng)先得知危險(xiǎn)截面材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度、內(nèi)部和外部的壓力、管壁內(nèi)外部直徑。該水下電連接器具有壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，在水深1 500 m環(huán)境使用時(shí)可降低電連接器內(nèi)外壓力差至很小，故此次危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算時(shí)將水下電連接器內(nèi)外壓力差設(shè)為14.9 MPa ，其他公頭套筒危險(xiǎn)截面、母頭套筒危險(xiǎn)截面參數(shù)如表1所示。

表1 電連接器危險(xiǎn)截面參數(shù)

4.3.3 電連接器危險(xiǎn)截面應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)厚壁圓筒結(jié)構(gòu)Lame公式、第四強(qiáng)度理論，將表1的參數(shù)代入公式，計(jì)算母頭、公頭危險(xiǎn)截面處的周向應(yīng)力、徑向應(yīng)力、軸向應(yīng)力，然后再進(jìn)行危險(xiǎn)截面強(qiáng)度校核。計(jì)算結(jié)果如表2所示，可知，母接頭危險(xiǎn)截面安全系數(shù)為4.5，公接頭危險(xiǎn)截面安全系數(shù)為5.9，均大于1.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 電連接器危險(xiǎn)截面計(jì)算應(yīng)力及安全系數(shù)

5 仿真分析

5.1 建立電連接器有限元網(wǎng)格模型

Workbench是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真軟件平臺(tái)。公頭套筒、母頭套筒是水下電連接器的重要零件，其性能優(yōu)劣直接關(guān)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(jù)模型尺寸大小，分析采用四面體實(shí)體網(wǎng)格，單元格尺寸為0.02 mm，得到母頭套筒的有限元網(wǎng)格如圖13所示，公頭套筒有限元網(wǎng)格如圖14所示。

圖13 母頭套筒有限元網(wǎng)格模型

圖14 公頭套筒有限元網(wǎng)格模型

5.2 電連接器形變云圖和應(yīng)力云圖

根據(jù)實(shí)際約束狀態(tài)在打孔位置處施加固定約束，在模型外部施加15 MPa均布?jí)毫?，母頭套筒的形變云圖如圖15所示，應(yīng)力云圖如圖16所示；公頭套筒的形變云圖如圖17所示，應(yīng)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(yīng)力云圖

圖17 公頭套筒形變云圖

圖18 公頭套筒應(yīng)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(yīng)力為258.09 MPa，安全系數(shù)為1.9。公頭套筒最大變形量為0.038 mm，公頭套筒最大應(yīng)力為214.23 MPa，安全系數(shù)為2.3。符合設(shè)計(jì)要求。有限元分析的危險(xiǎn)截面位置與理論計(jì)算相符。

6 測試分析

6.1 電氣性能測試

對(duì)水下電連接器進(jìn)行電氣性能測試，驗(yàn)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(diǎn)。

圖19 測試觸點(diǎn)位置示意圖

6.1.1 絕緣性能測試

測量時(shí)水下電連接器應(yīng)插合，在兩兩觸點(diǎn)之間和觸點(diǎn)與外殼之間進(jìn)行測量，每個(gè)觸點(diǎn)的絕緣電阻應(yīng)以最小量程100 GΩ的儀器測量，測試電壓為1 000 V DC，測試時(shí)間至少1 min，以便獲得穩(wěn)定的讀數(shù)，被測絕緣值應(yīng)大于11 GΩ，測試結(jié)果為大于1 060 GΩ。

6.1.2 接觸電阻測試

測量2個(gè)相互配對(duì)連接器中接觸點(diǎn)之間的接觸電阻，通過直流電阻測試儀在連接器每個(gè)接觸點(diǎn)處測量接觸電阻，對(duì)于所有連接器組件，還應(yīng)測量公頭電纜終端到母頭電纜終端產(chǎn)生的總電阻，被測接觸電阻應(yīng)低于10 mΩ，測試結(jié)果為3.6 mΩ。

6.2 氣密性測試

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

6.3 高壓艙測試

高壓艙測試前應(yīng)先進(jìn)行氣密性測試，檢測高壓艙密封性。高壓艙測試系統(tǒng)如圖20所示。將水下電連接器放入高壓艙內(nèi)，模擬1 500 m水深壓力環(huán)境。按照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，給高壓艙加壓17 MPa進(jìn)行試驗(yàn)，檢測其在靜態(tài)和插合過程中的電氣性能。測試結(jié)果為電氣性能滿足指標(biāo)要求。

圖20 高壓艙測試現(xiàn)場

7 結(jié)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(dòng)密封結(jié)構(gòu)，可以將殘余海水始終隔離在動(dòng)密封之外，從而使得內(nèi)部充油腔始終保持密封，解決了插拔過程中的動(dòng)密封問題。

2) 設(shè)計(jì)水下環(huán)境補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)壓力補(bǔ)償，并降低電連接器內(nèi)外部壓力差。解決了水下電連接器處于1 500 m水深時(shí)內(nèi)外的壓力差導(dǎo)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(duì)水下電連接器危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算和校核。通過ANSYS軟件中的Workbench平臺(tái)對(duì)重要零件進(jìn)行仿真分析，得知水下電連接器的工作安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)需求。

4) 通過對(duì)水下電連接器進(jìn)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(shù)指標(biāo)與試驗(yàn)前進(jìn)行對(duì)比得知，水下電連接器的性能滿足1 500 m水深的工作需求。