新型快捷式過(guò)電纜密封器的研制與應(yīng)用

杜福云，程文佳，周 歡，徐鳳祥，滿宗通

中海油田服務(wù)股份有限公司

0 引言

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

電潛泵完井管柱由油管、電纜、過(guò)電纜封隔器、過(guò)電纜密封器、井下電泵等組成，如圖1所示。過(guò)電纜密封器作為電潛泵完井技術(shù)的核心工具，起到密封上下環(huán)空、防護(hù)電纜、傳遞動(dòng)力電源的作用。過(guò)電纜密封器性能的好壞決定了整個(gè)生產(chǎn)的可持續(xù)性，新型快捷式過(guò)電纜密封器（以下簡(jiǎn)稱新型密封器）結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩端嵌入密封膠塊和中間注入絕緣材料，主要包括外殼、電纜、樹(shù)脂及密封膠塊等組成。

圖1 電潛泵完井管柱結(jié)構(gòu)

圖2 新型快捷式過(guò)電纜密封器

通過(guò)調(diào)研，對(duì)比國(guó)內(nèi)外過(guò)電纜密封器性能（表1），新型密封器具備三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①地面試驗(yàn)，確保入井后的性能可靠；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝用時(shí)較少；③具有耐高溫、高壓性能。

表1 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品性能對(duì)比

2 性能分析

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

新型密封器與過(guò)電纜封隔器依靠1.9NU、鋼級(jí)為L(zhǎng)80的螺紋連接，該螺紋抗拉強(qiáng)度17.27 t［5］，中間均采用?48.76 mm-8 STUB ACME-2G螺紋連接，材料選用42CrMo，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。在極限懸掛電纜的長(zhǎng)度L為1 500 m，總重量F約為8 t的工況下，整個(gè)工具的薄弱點(diǎn)在母螺紋及管體的薄壁處，對(duì)兩處強(qiáng)度校核［6-7］：

螺紋強(qiáng)度計(jì)算：

式中：τ—材料許用抗剪強(qiáng)度，MPa；σ—材料許用屈服強(qiáng)度，MPa；F—懸掛電纜的重量，8 t；D—母螺紋大徑，49.74 mm；b—螺紋牙底寬度，1.21 mm；h—螺紋工作高度，1.59 mm；z—螺紋旋合牙數(shù)，12；d2—外螺紋中徑，48.3 mm；d外—薄弱處管壁外徑，55.88 mm；d內(nèi)—弱處管壁內(nèi)徑，47 mm。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)帶入式（1）～式（3）中，得到：

τ＝35.28 MPa＜［τ］＝552 MPa

按Trizol說(shuō)明書(shū)提取各組細(xì)胞的總RNA，進(jìn)行RT-PCR逆轉(zhuǎn)錄反應(yīng)得到cDNA。然后實(shí)時(shí)熒光定量PCR反應(yīng)擴(kuò)增，記錄循環(huán)數(shù)值（Ct），結(jié)果表示成2（—△△Ct），以對(duì)照組為 1。引物序列見(jiàn)表 1。

σ拉＝27.69 MPa＜［σ］＝631 MPa

σ0＝111.56 MPa＜［σ］＝631 MPa

無(wú)論螺紋強(qiáng)度還是薄壁管強(qiáng)度均滿足承受1 500 m的電纜重量的要求。

2.2 密封性能分析

2.2.1 有限元模型的建立

新型密封器的密封膠塊結(jié)構(gòu)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，約束和介質(zhì)壓力也具備對(duì)稱性，所以采用平面對(duì)稱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用具有大變形、超彈性和大應(yīng)變能力的PLANE182單元進(jìn)行分析［8］。密封膠塊采用HNBR材料，屬于超彈性體，本文采用Mooney-Rivilin模型［9-10］，其中C10＝1.34，C01＝0.76，密封膠塊抗拉強(qiáng)度30 MPa。建立軸對(duì)稱二維接觸有限元模型（圖3），第一步將上接頭施加位移Y＝-0.5 mm，第二步在密封膠塊的左側(cè)施加流體壓力載荷p＝35 MPa，觀測(cè)整體結(jié)構(gòu)的密封性能。

圖3 密封膠塊的有限元模型

2.2.2 模擬結(jié)果分析

表征橡膠密封性能的參數(shù)主要有兩個(gè)：Von Mises應(yīng)力和接觸壓力。Von Mises強(qiáng)度準(zhǔn)則是一種綜合第一、第二、第三主應(yīng)力，用來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)破壞的準(zhǔn)則，接觸壓力必須大于密封壓力才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的密封性能。依據(jù)上述兩個(gè)參數(shù)，提取的密封膠塊在第一次加載位移Y＝-0.5 mm的應(yīng)力及接觸壓力云圖見(jiàn)圖4。

圖4 Y＝-0.5 mm位移載荷下，密封膠塊的應(yīng)力和接觸壓力云圖

由圖4可知，在施加Y＝-0.5 mm位移后，密封膠塊發(fā)生了壓縮變形，其最大應(yīng)力發(fā)生在四周圓角處為8.5 MPa，小于橡膠材料的抗拉強(qiáng)度40 MPa。在密封膠塊上下邊沿接觸壓力大致相同，最大為1.32 MPa。為了分析其在p＝35 MPa下的密封壓力，進(jìn)行第二次加載分析，密封膠塊的應(yīng)力和接觸壓力如圖5所示。

圖5 35 MPa壓力下密封膠塊應(yīng)力和接觸壓力云圖

由圖5可知，在35 MPa外界密封壓力的作用下，密封膠塊向右移動(dòng)與鉛皮筒接觸后出現(xiàn)了“肩突”現(xiàn)象，在肩突部位出現(xiàn)應(yīng)力最大值約15 MPa。上下兩邊的接觸壓力由左向右數(shù)值從40.65 MPa逐漸減小到8 MPa且上部接觸壓力大于下部接觸壓力，根據(jù)橡膠密封圈的密封原理［11］，在密封膠塊沒(méi)有失效時(shí)，可以密封小于41 MPa壓力，滿足密封壓力大于35 MPa的要求。

3 試驗(yàn)研究

3.1 密封性能試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

按圖6將工具、48.26 mm NU試壓堵頭、液壓泵、液缸及液控管線相連，啟泵按照最高壓力35 MPa下穩(wěn)壓15 min進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證工具的密封性。

圖6 密封試驗(yàn)連接示意圖

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)新型密封器進(jìn)行了5組壓力試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)結(jié)果表明新型快捷式過(guò)電纜密封器均符合耐壓35 MPa且壓降小于1%的技術(shù)要求。

表2 快捷式過(guò)電纜密封器試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3.2 絕緣性能試驗(yàn)

3.2.1 絕緣電阻測(cè)試

為了測(cè)試新型密封器三芯相間與各芯與地之間的電阻，將電纜芯除去外層防護(hù)，漏出電纜銅芯并標(biāo)記為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，4號(hào)為大地，選用2 500 V兆歐表與其按照?qǐng)D7連接，分別測(cè)試1號(hào)和2號(hào)、1號(hào)和3號(hào)、2號(hào)和3號(hào)、1號(hào)和地面、2號(hào)和地面、3號(hào)和地面之間的電阻，電阻均達(dá)到2 500 MΩ即最大量程，測(cè)試結(jié)果符合工具在電壓5 kV下的工作要求［12］。

圖7 絕緣電阻測(cè)試實(shí)物圖

3.2.2 交流電擊穿測(cè)試

按照?qǐng)D8將新型密封器與試驗(yàn)裝置連接，進(jìn)行三芯相間、三芯與地面的電擊穿試驗(yàn)［12］。將三線芯分別接試驗(yàn)裝置的高壓輸出端，裝置接地端接電纜鎧皮，施加大于工作電壓2.5倍的電壓，歷時(shí)1 min，試驗(yàn)電壓均勻上升，最大試驗(yàn)值為15.4 kV，滿足大于工作電壓的2.5倍要求［12］。

圖8 電壓擊穿試驗(yàn)

3.2.3 直流泄露試驗(yàn)

將新型密封器剝?nèi)?00 mm的外層防護(hù)，每根銅芯露出10 mm，三電纜芯整體呈三角形形狀，另一端三電纜芯套裝聚四氟乙烯絕緣管，使其相互隔離、絕緣，防止高壓放電。用直流泄漏電流測(cè)試儀的輸出端正極分別接三相線的線芯，負(fù)極接電纜鉛皮筒，鉛皮筒再用導(dǎo)線與電纜穿越器外殼相連，進(jìn)行電纜芯對(duì)地的泄漏測(cè)量。直流泄漏電流測(cè)試儀的輸出端分別接三相線的線芯進(jìn)行相對(duì)相的相間泄漏測(cè)量。試驗(yàn)電壓為15 kV，升壓時(shí)應(yīng)緩慢平穩(wěn)，記錄泄漏電流值如表3所示。

表3 泄漏電流值記錄表

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在渤海油田應(yīng)用4套新型密封器統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4，應(yīng)用表明新型密封器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，性能可靠。

表4 應(yīng)用結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

（1）相對(duì)于國(guó)外結(jié)構(gòu)，新型快捷式過(guò)電纜密封器結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便且確保安裝后密封性能及電絕緣性能穩(wěn)定，節(jié)約生產(chǎn)作業(yè)時(shí)間。

（2）新型快捷式過(guò)電纜密封器各項(xiàng)指標(biāo)均滿足海上作業(yè)技術(shù)要求，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好，前景較廣。