用于智能封堵器的耐壓連接器的開發(fā)應用

趙東輝，王建偉，張曼曼，陸 瑤，李 寵，李立軍

1.中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司，河北廊坊 065001

2.河北省特種設備監(jiān)督檢驗研究院廊坊分院，河北廊坊 065001

天然氣運輸主要通過管道運輸和液化后運輸。管道運輸?shù)膬?yōu)勢是經(jīng)濟、運輸量大、安全、無污染、發(fā)生泄漏危害小、設備易維護等。由于各種原因，天然氣管道存在著泄漏風險，當管道出現(xiàn)泄漏事故時，需要對管道進行搶修，而封堵器是重要的搶修設備。

目前世界著名的智能封堵器公司有兩家：TD Williamson和Stats Group，它們的產(chǎn)品比較先進和成熟，在世界范圍也有很多成功的施工案例，目前國外的智能封堵器對國內(nèi)企業(yè)只租不賣。本文介紹中國石油管道局工程有限公司維搶修分公司開發(fā)的具有自主產(chǎn)權的一種新型智能封堵器，它有助于突破外國技術封鎖，提高國產(chǎn)石油設備制造能力。

1 智能封堵器

該公司自行開發(fā)的智能封堵器目前已通過評審，填補了我國在智能封堵施工方面的空白。智能封堵器的外形結構如圖1所示，分為左清管器、右清管器和液壓油缸單元，這三個單元均是耐壓結構，工作壓力10 MPa。

圖1 智能封堵器

左清管器內(nèi)主要設備為超低頻通訊單元和壓力傳感器；右清管器內(nèi)主要設備是液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和電源模塊；液壓油缸單元主要由膠桶、驅動油缸和卡瓦組成。

管外發(fā)送命令給控制系統(tǒng)，經(jīng)過左清管器通訊單元轉發(fā)給右清管器內(nèi)控制系統(tǒng)，同時右清管器內(nèi)控制系統(tǒng)也需要經(jīng)過左清管器把各種參數(shù)發(fā)到管外，系統(tǒng)通訊和控制系統(tǒng)相互配合完成對智能封堵器的控制。由于工作環(huán)境是高壓天然氣，各個單元件之間需要通過耐壓電纜和耐壓連接器連接。當耐壓電纜和耐壓連接器穿越中間的液壓油缸單元時，由于空間有限，耐壓電纜需要從油缸桿中“穿堂而過”。油缸活塞桿內(nèi)布置著油道，電纜外徑不超過12 mm，電纜比較容易穿過活塞桿內(nèi)部孔，但連接器因外形比較大而無法穿越，需要另辟蹊徑。

2 耐壓連接器

在工程應用中，連接器可使連接簡單便捷，但是修理或更換所需的時間和成本都比較高，因此連接器必須在其壽命周期內(nèi)不出現(xiàn)任何故障。

市場上不同類型的連接器有很多，但完全符合項目需求的不多，需要做適當改造，使連接器的可靠性更高，以滿足搶修項目的需求。市場上可用的耐壓連接器主要可分為四個類別：橡膠模制連接器、剛性殼體連接器、充油水下配合連接器、電感耦合連接器。

本文涉及的連接器是剛性殼體連接器，將橡膠模制到剛性體內(nèi)，可以提供足夠的強度和穩(wěn)定性，并且可以更好地配合，這種連接器能夠在惡劣的環(huán)境中使用。插頭插座配合后通過鎖緊套筒鎖定，通過O型圈實現(xiàn)密封[1]。對于常規(guī)連接器，如RM（橡膠材質(zhì)）和PM（塑料材質(zhì)）連接器，其額定電壓通常高達600 V，對于經(jīng)過特殊設計的連接器，其額定電壓則高達3 kV[2]。但是剛性殼組件尺寸小且成本低，比模制連接器重。穿艙材料通常是金屬、塑料或玻璃纖維增強的環(huán)氧樹脂。

智能封堵器上的耐壓連接器主要有3個功能：第一，滿足智能封堵器3個單元快速拆裝；第二，電纜進艙；第三，電源開關，同時也是電源模塊充電路徑。

電纜進入耐壓艙也是通過連接器實現(xiàn)的，以保證電纜進艙的可靠和便捷。當左、右清管器和液壓油缸需要分離時，只需插拔連接它們的連接器即可。

2.1 耐壓插座

插座安裝在左清管器和右清管器端面上，插座尾端導線與艙內(nèi)傳感器和模塊相連，端面暴露在管道內(nèi)的介質(zhì)中。插座與艙體端面間的密封是通過O型圈實現(xiàn)的，也是目前世界范圍內(nèi)主流密封形式。O型圈安裝前，其截面近似圓形，安裝在槽里擠壓后，O型圈有一定的形變，產(chǎn)生了一個預緊壓力，如圖2所示。h0為變形前截面高度，h1為受壓后高度。圖3是O型圈的工作原理。O型圈在槽中不僅受到預緊壓力P1，同時還有流體對其產(chǎn)生壓力P2，P1、P2使O型圈變形并把它擠壓到端面，產(chǎn)生了壓力P3，壓力P3使O型圈緊密貼壓在端面上。

圖2 O型圈受壓變形

圖3 O型圈工作原理

下面公式反映出P1、P2、P3之間的關系：

式中：P3為密封面接觸壓力；P1為預緊壓力；P2為工作壓力；K為壓力傳遞系數(shù)，其值接近于1[3]。

2.2 耐壓插頭

耐壓插頭主體材質(zhì)為橡膠，此類插頭密封性好，重量輕，插頭與插座容易配合，所以電纜可以快速拆卸。圖4是插頭、插座連接示意。

圖4 插頭、插座連接示意

插針一般澆筑在橡膠體內(nèi)，此處的橡膠有兩個作用，一是固定接觸件，二是與插座孔內(nèi)的O型圈擠壓形成密封。插座孔內(nèi)有多道一體成型的O型圈，當插頭與插座配合后，插孔內(nèi)的O型圈壓在公連接器插針上形成密封絕緣，見圖5。

圖5 插孔和插針密封原理

橡膠材質(zhì)具有自緊密封特性，自緊密封源于橡膠體在常壓下較難被壓縮，碳氟化合物在1000MPa壓力下，寬度縮小僅有5%，由于橡膠體泊松比很大，它會在內(nèi)外2個方向形變，可以用以下方程組描述如下：

式中：E為密封材料楊氏彈性模量，εx、εy、εz為外力作用下產(chǎn)生的應變，σx、σy、σz為接觸應力，ν為密封材料泊松比[4]。

通過外界壓力增大接觸力，實現(xiàn)自緊密封。接觸力可以用下面公式表達：

式中：σ0為預緊力，σp為接觸應力，P為流體壓力。

橡膠材料在實際工作壓力下變形小，材料泊松比接近0.5，所以通常選用橡膠材料作為連接器的密封件，它的接觸應力會大于流體壓力，能夠實現(xiàn)自緊密封[5]。

2.3 開關

左、右清管器內(nèi)部都有電源模塊，左清管器電源給低頻通信供電，右清管器電源是主電源，為液壓單元和控制系統(tǒng)供電。正常情況下，左、右清管器都是密封狀態(tài)，能承受天然氣管道內(nèi)10 MPa壓力。清管器不工作時，需要對內(nèi)部電源模塊充電或者是斷電，所以要給內(nèi)部電源安裝一個“開關”，此“開關”要安裝在清管器的外部端面上，便于操作；而且需要承受10 MPa天然氣壓力，不能讓泄漏的天然氣進入清管器內(nèi)。普通的機械開關難以用于這個苛刻的環(huán)境中，其他耐壓開關難以承受15 A電流。本項目改裝了耐壓連接器，使其成為一個特殊開關。

圖6中的電源開關與插座配合，電源開關插在插座上，清管器內(nèi)部電源接通，設備可以工作；電源開關退出插座配合，清管器內(nèi)部處于斷電狀態(tài)；充電插頭與插座配合，清管器內(nèi)部用電設備處于斷電狀態(tài)，但此時電池處于充電狀態(tài)。電源開關和充電插頭不會同時與插座配合，所以一個多功能插座就可以滿足充電與斷電需求。

圖6 開關和充電連接示意

3 耐壓電纜

本文中使用的是直流電源，電流通過電纜時會產(chǎn)生熱量，該熱量通過連接器的連續(xù)層從電線傳遞到外部環(huán)境。導體中的歐姆損耗可以寫成：

式中：PL為功率損耗，W/m；R導體的電阻，Ω/m；I為通過導體的電流，A。其中，R值的大小取決于導體的材料（通常是銅或鋁）及導體截面積，導線越粗，電阻越小。

在穩(wěn)態(tài)條件下，導體中產(chǎn)生的所有熱量必須通過圓柱形電介質(zhì)絕緣層流到外部環(huán)境。連接器絕緣層上的溫度下降、功率損耗和絕緣壁熱阻之間的關系可以描述為：

式中：Δθ為溫度下降，PL為通過導體的功率損耗，RT為電纜材料熱阻值。

表1中列出了不同電纜材料的熱阻值。由于負載循環(huán)而引起的溫度變化會導致材料性能減弱，例如強度和彈性性能下降，從而會大大縮短連接器的使用壽命。

表1 電纜材料熱阻值

圖7給出了兩種不同大小橫截面的電纜在循環(huán)的環(huán)境壓力作用下的特性曲線。耐壓循環(huán)可以定義為電纜組件承受循環(huán)壓力差產(chǎn)生疲勞載荷的能力。電纜截面積越大，對周期性負載的抵抗力越小。

圖7 壓力循環(huán)特性曲線[6]

左、右清管器的連接電纜需要穿過油缸的活塞桿孔，越過液壓油缸單元。由于連接器插頭體積較大，不能穿越油缸活塞桿孔，所以必須先把耐壓電纜穿過活塞桿孔，再與連接器插頭接線硫化密封。耐壓電纜外護套選擇聚氨酯材料，聚氨酯是高分子彈性體，在-60℃低溫下仍具有良好的彎曲性。聚氨酯由柔性鏈段和剛性鏈段鑲嵌組成，具有較高的拉伸強度，耐磨性高，耐各種油脂和溶劑腐蝕，它的耐磨性是天然橡膠的3～5倍，硬度范圍寬（Shore A15～D90），在相同硬度時，比其他彈性體承載力高，不易受環(huán)境影響而老化變硬和開裂，老化變硬和開裂會導致電纜電器性能下降[7]。

4 耐壓電纜硫化

4.1 硫化膠水

耐壓電纜需要穿過液壓油缸活塞桿孔后才能與連接器插頭對接，對接需要在現(xiàn)場處理，采用冷硫化方式，施工工藝簡單，不需要使用特殊設備。耐壓電纜外護套是聚氨酯材料，冷硫化膠水為3M公司生產(chǎn)的2131雙組分聚氨酯樹脂，此膠水具有自身互粘性，易與電纜外護套聚氨酯粘接，與橡膠插頭粘接性能優(yōu)異。2131膠水性能見表2。

表2 2131膠水物理力學性能

硫化膠水粘接力公式：

式中：F1為膠水與電纜插頭粘接力，N；f1為膠水與插頭粘接力系數(shù)，0.84 N/mm2；S1為粘接面積，mm2；D為電纜外徑，mm；L為硫化膠水與電纜接觸長度，mm。

膠水固化后破斷力：

式中：F2為破斷力，N；σ為膠水抗拉強度，N/mm2；S2為破斷截面面積，mm2；Dh為電纜護套外徑，mm；dh為電纜護套內(nèi)徑，mm。

4.2 強度計算

耐壓電纜與連接器插頭接線后需要硫化處理，硫化后外形見圖8，硫化設計參數(shù)見表3。

圖8 耐壓電纜與連接器插頭接線硫化后外形

表3 硫化設計參數(shù)

硫化處需要考慮膠水與電纜之間的粘接力，如果粘接力不夠，使用過程中硫化膠會脫落，流體就會沿著電纜滲入。

粘接力F1=0.8 N/mm2×π×20 mm×30 mm=904.32 N，硫化膠與電纜粘接力達到904.32N，滿足正常使用要求。

電纜外護套端面處受力最大，此處硫化膠破斷力：F2=7.15π（122-82）=1 796（N），滿足正常施工中拉拽性能要求。

4.3 硫化程序

電纜和插頭的接線要規(guī)整，表面不能有污漬和油漬，防止硫化膠水粘接強度不夠，造成管道內(nèi)天然氣沿著縫隙滲透進電纜內(nèi)部，甚至會沿著電纜進入密封艙而與密封艙內(nèi)空氣混合，此時，若有電子元件出現(xiàn)電火花，就可能發(fā)生爆炸事故。

硫化膠水是雙組分膏狀體，如果是袋裝的，就將兩組分擠到一側輕柔至微微發(fā)熱；若是盒裝的，需要倒入容器中攪拌，攪拌均勻后倒入磨具中固化。硫化膠水固化后就可以脫去模具，表4是膠水脫模/固化時間表。

表4 2131膠水固化時間

表4中給出的固化時間只是典型值，脫模前務必檢查確認樹脂是否是黏稠狀的，若是黏稠狀的，一般是溫度較低，固化時間還不夠，或者是雙組分沒有混合均勻所導致的。

脫模前觀察模具內(nèi)硫化膠是否飽滿，若不夠飽滿，需要再澆筑硫化膠水填充。硫化膠水固化脫模后應該是光滑而有彈性的黑色體，見圖9。

圖9 硫化膠水固化脫模后外形

5 結束語

天然氣無論在我國居民生活中還是工業(yè)能源中，都是重要的生活和工業(yè)物資。天然氣管網(wǎng)越來越多，越來越密集，搶修工作也會相應增加。特別是帶壓不停輸狀態(tài)下的搶修，也越來越重要。智能封堵器在搶修中扮演著重要角色，它使搶修工作程序變得簡單可靠，更精準。帶壓狀態(tài)下智能封堵每一個部件都要經(jīng)得住考驗，特別是裸露在天然氣中的部件，不能因失效而影響搶修工作，特別是耐壓連接器和耐壓電纜，它們是直接暴露在介質(zhì)中的。

在石油天然氣行業(yè)中，帶壓工作的設備都會使用到耐壓連接器和耐壓電纜，由于不同的使用環(huán)境和空間，定制式的耐壓連接器和耐壓電纜應用越來越廣泛，擁有越來越多的特殊性能和功能，以滿足市場的不同需求。