高溫高壓連接器研發(fā)綜述

(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部結構。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研究了半個世紀以上，技術和工藝更加成熟。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，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域所使用的高溫高壓密封連接器的專利檢索結果中發(fā)現(xiàn)，專利技術及產品生產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成了一個堅實的專利技術壁壘，很難實現(xiàn)重大專利突破，但可從改進性能方向實現(xiàn)突破。不過部分玻璃燒結類產品專利的法律狀態(tài)已失效，因此給國內開發(fā)部分專利失效的產品提供了可行的途徑，避免了某些技術或產品產生的壟斷現(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類密封連接器現(xiàn)有專利權保護年限的到期，玻璃燒結類連接器多數(shù)權利項已經被放棄、終止或失效，因此，國內生產商開發(fā)該類產品可以采取"產品跟隨策略"；由于高溫高壓密封連接器現(xiàn)有專利之間存在相互影響、相互關聯(lián)的特性，可從現(xiàn)有的專利中挖掘新的技術方案進行突破，可以采取專利無效策略與挖掘新技術方案開發(fā)策略；基于某個項目在全世界各國或地區(qū)的專利申請和授權兩方面的情況，在一段時間以內，是個動態(tài)變化的狀態(tài)，需要采取專利跟蹤策略。經統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)可開發(fā)的產品主要包含三類產品：單芯注塑類產品，單芯注塑改進類產品和玻璃燒結類產品[1]。

3 玻璃燒結類產品的技術研究

3.1 玻璃燒結技術概述

玻璃燒結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。此類連接器結構相對簡單，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)、農業(yè)、軍工事業(yè)的突飛猛進，玻璃燒結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 玻璃燒結封接結構及特點

玻璃燒結密封連接器的封接結構可分為三種：

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。經過近一百年的發(fā)展，計算機編程語言已經獲得了巨大的發(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) 玻璃坯燒結結構: 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結構；

玻璃坯燒結結構的特點: 該類產品的結構相對簡單，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，但燒結后產品的成品率不是很穩(wěn)定，容易出現(xiàn)批量報廢現(xiàn)象。

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

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

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

陶瓷、玻璃混合燒結結構的特點: 該產品的結構復雜，燒結工藝復雜，零件加工工藝也比較復雜，需要加工設備精度高，工時長，且多芯產品燒結后成品率不是很高，但產品性能穩(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[2]。

3.3 玻璃燒結工藝

燒結工藝的好壞直接影響到玻璃燒結產品的性能與指標。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，燒結后進行金屬件拋光及電鍍處理。

其中，燒結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。關鍵技術主要有：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、機械密封失效及結構失效。其中具體表現(xiàn)為：在工作過程中，連接器產生電信號瞬斷現(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?。唤佑|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構的疲勞性，使連接器產生泄漏失效。

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：設計問題主要為結構設計不合理；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。