4 芯弱電濕插拔連接器的研制

趙宏力，宋小海，朱麟杰，范海濤，許洋（美鉆能源科技（上海）有限公司，上海 200941）

0 引言

20 世紀(jì)80 年代初期，連接器的使用領(lǐng)域由地面發(fā)展到水下。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求越來越大，迫使油氣開采由陸地走向海洋、從淺海走向深海。并且隨著海洋資源開發(fā)和海洋科學(xué)研究。促進(jìn)了海洋長(zhǎng)期觀測(cè)和探索發(fā)展，4 芯弱電濕插拔連接器（以下簡(jiǎn)稱為4 芯連接器）是實(shí)現(xiàn)深海監(jiān)測(cè)站與通信電纜之間的必不可少設(shè)備，基于此背景催生了4 芯連接器的研發(fā)，也為深海信息系統(tǒng)設(shè)備的重組與擴(kuò)展給出了有效的解決方法。

由于陸地油氣的不斷開發(fā)，海洋油氣已經(jīng)成了提供全球能源的主要途徑。人類開發(fā)海洋油氣已經(jīng)從海水面發(fā)展到深海，開采海洋油氣已經(jīng)是水下模式，而且整個(gè)海洋油氣開采系統(tǒng)都布置在海底?？梢? 芯連接器已是水下油氣開采系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。

本人在4 芯連接器的研發(fā)過程中，完成了焊接電纜線固定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電纜與金屬之間密封設(shè)計(jì)、二級(jí)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]、連接器電絕緣設(shè)計(jì)等。并完成了4 芯連接器樣機(jī)試制。

1 4 芯連接器的結(jié)構(gòu)與組成

連接器主要分為插座和插頭兩部分，要求在大水深1 500 m 的靜水壓力下傳輸電流和信號(hào)。接觸件采用在銅合金表面鍍金，接觸件配合表面均有很高的表面光潔度，可滿足接觸電阻不大于10 mΩ 條件下50 次插拔。

插頭或插座與用戶設(shè)備安裝板連接通過O 型密封圈密封，O 型密封圈是比較成熟密封方式可以實(shí)現(xiàn)大水深靜水壓力要求，使用時(shí)插座安裝在面板上，插頭固連在用戶設(shè)備上，插頭和插座無需采用螺紋或其他鎖緊機(jī)構(gòu)，插合后用戶設(shè)備可保證插頭合插座之間不產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，即設(shè)備結(jié)構(gòu)保證插合鎖定，無需連接器自鎖。

插座連接器與安裝板面通過螺紋連接進(jìn)行安裝，插頭與安裝臺(tái)面通過螺栓固定，插座和插頭與安裝板面的連接方式可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行變更。

2 4 芯弱電濕插拔連接器技術(shù)問題

因?yàn)? 芯連接器需要在水下長(zhǎng)時(shí)間工作，所以分離、插合是在復(fù)雜惡劣海底水下環(huán)境中完成的。特別是在大水深1 500 m 處的插合和分離連接器不可能由潛水員來完成，只能利用遙控機(jī)器人ROV 搭載機(jī)械手來進(jìn)行作業(yè)。

4 芯連接器的研制需要解決的技術(shù)難題較多，國(guó)內(nèi)幾乎無可借鑒的成熟產(chǎn)品，這就給連接器研制帶來很大難度。

急需解決的4 芯連接器的技術(shù)難題可以歸納為以下三項(xiàng)：（1）連接器的電絕緣技術(shù)問題；（2）電纜固定技術(shù)問題；（3）連接器的密封技術(shù)問題。

2.1 4 芯弱電濕插拔連接器的絕緣問題

（1）在插頭和插座分離狀態(tài)下：①接觸件之間的絕緣技術(shù)問體；②接觸件與殼體之間的絕緣技術(shù)問題。（2）插頭和插座插合過程中絕緣技術(shù)是核心技術(shù)問題。

2.2 電纜的固定問題

文章4 芯連接器電纜固定方式為非硫化固定，如果電纜在殼體內(nèi)固定不牢，當(dāng)電纜受軸向載荷的情況下電纜很容易被拉出，因此4 芯連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)固定電纜線是技術(shù)難點(diǎn)。

2.3 連接器密封問題

4 芯連接器應(yīng)用在深水中，這就對(duì)密封要求極高。連接器密封分為兩種情況，（1）在連接器在沒有插合的狀態(tài)下插座、插頭的獨(dú)立密封，以及插合好狀態(tài)下的密封。這兩種情況都是靜態(tài)密封；（2）連接器插頭、插座在插合過程中的密封。這種情況為動(dòng)態(tài)密封[2]。

3 4 芯弱電濕插拔連接器技術(shù)難題解決方案

3.1 連接器電絕緣技術(shù)設(shè)計(jì)方案

4 芯連接器耐壓計(jì)算

耐壓主要介電強(qiáng)度最薄弱的部分決定，由4 芯連接器結(jié)構(gòu)可知，只需要對(duì)接點(diǎn)之間、插座的焊杯與外殼之間、插孔與海水之間計(jì)算即可。

3.1.1 接點(diǎn)之間

腔體填充硅油，接點(diǎn)之間被硅油填充，硅油介電強(qiáng)度按1.5 kV/mm 計(jì)算。

接點(diǎn)最近點(diǎn)位5.70 mm，耐壓強(qiáng)度為：

5.70 mm×1.54 kV/mm=8.78 kV > 1 000 V AC 滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 插座的焊杯與外殼之間

耐壓強(qiáng)度最薄弱處為焊杯距離壓緊螺母最近為5.33 mm，焊接后尾部灌封，灌封材料（15.7 KV/mm）實(shí)現(xiàn)電氣的隔離，耐壓強(qiáng)度:

15 kV/mm×5.33 mm=79.95 kV > 1 000 V AC 滿足耐壓設(shè)計(jì)要求。

綜上，4 芯連接器設(shè)計(jì)滿足耐壓1 000 V AC 的設(shè)計(jì)。

3.1.3 插孔與海水之間

插孔與海水之間絕緣由少量硅油及油囊實(shí)現(xiàn)，插孔距離油囊最近為7.33 mm 如圖3，之間由硅油填充；油囊厚度為1.5 mm，采用氟硅橡膠（15 kV/mm），耐壓強(qiáng)度為:

1.54 kV/mm ×7.33 mm+15 kV/mm×1.5 mm=33.7 kV >1 000 V AC 滿足耐壓設(shè)計(jì)要求。

綜上，4 芯連接器設(shè)計(jì)滿足耐壓1 000V AC 的設(shè)計(jì)。

絕緣電阻:1 000 MΩ。

3.1.4 4 芯絕緣計(jì)算

插孔分別在硅油、油囊、PEEK 材料中，為了便于計(jì)算假設(shè)為三者串聯(lián)。

絕緣電阻R 總

R 總=R1*R2*R3/(R1*R2+R1*R3+R2*R3) = 540 202 MΩ>1 000 MΩ 滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 電纜的固定設(shè)計(jì)方案

電纜線頭是焊接在插針機(jī)構(gòu)和插孔機(jī)構(gòu)上的，插頭及插座在安裝過程會(huì)受到連接器軸向拉力，錫焊力有相對(duì)較小，無法抵抗軸向拉力。因此需要把電纜線固定在連接器殼體內(nèi)，這就要求巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

電纜線固定在連接器的原理：2 個(gè)螺母，一個(gè)為固定螺母，另一個(gè)壓緊螺母，兩個(gè)螺母中間有一個(gè)楔形環(huán)金屬件及一個(gè)和楔形環(huán)配合的非金屬件，當(dāng)壓緊螺母壓緊金屬楔形環(huán)時(shí)，非金屬楔形環(huán)向電纜線方向位移這樣就抱緊了電纜線，而焊接線是不受力的。

3.3 連接器的密封技術(shù)方案

電連接器插頭和插座的獨(dú)立靜密封相對(duì)較容易通過O 型橡膠密封圈實(shí)現(xiàn)，插頭和插座在插合過程中的動(dòng)態(tài)密封及金屬件與電纜線之間的密封是關(guān)鍵技術(shù)。

動(dòng)態(tài)密封：密封件、導(dǎo)引件等組成接插件，在插入和拔出時(shí)能夠防止水進(jìn)入接插件內(nèi)部，而且使電絕緣性不會(huì)降低。

其中密封件是硅膠材料，硅膠材料和海水相容性很好，這樣就電連接的使用壽命就得到了保證。

插座在為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壓平衡，插頭內(nèi)腔均需充滿油，需設(shè)計(jì)合理的密封結(jié)構(gòu)，使油與外界水體隔開，實(shí)現(xiàn)自密封。在連接器對(duì)接過、分離過程中，通過平衡等壓設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)保證插頭充油腔依然保持密封和內(nèi)外壓力平衡狀態(tài)。

金屬件與電纜線之間的密封：連接器電纜線不是硫化橡膠密封，這樣就給金屬件與電纜線之間的密封提出了很大的挑戰(zhàn)。因?yàn)殡娎|線外絕緣皮是剛度相對(duì)比較小非金屬件，所以利用“O”形密封圈是無法密封的。這樣此處密封就要采用灌膠工藝密封，而且膠要始終要受壓力使膠與電纜線一直保持?jǐn)D壓狀態(tài)，這樣才能保證密封的可靠性。

4 4 芯連接器的測(cè)試和性能試驗(yàn)內(nèi)容

連接器測(cè)試及試驗(yàn)項(xiàng)目包括：外觀檢查、密封測(cè)試、接觸電阻測(cè)試、外殼絕緣電阻、耐壓測(cè)試、干插拔測(cè)試、濕插拔測(cè)試、低溫試驗(yàn)、高溫測(cè)試、壽命試驗(yàn)、承壓試驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

4 芯弱電濕插拔連接器是深水密封的高端產(chǎn)品，也是價(jià)格昂貴的搞技術(shù)含量產(chǎn)品，全球僅有幾家公司可以生產(chǎn)。這些公司有美國(guó)的SEACON、TELEDYDE ODI(Ocean Design Ins.)公司和德國(guó)的GISMA 公司。

4 芯弱電濕插拔連接器主要用在海洋天然氣及石油領(lǐng)域。其中美國(guó)的ODI 公司的連接器產(chǎn)品90%應(yīng)用在這一領(lǐng)域。連接器不僅應(yīng)用在對(duì)海洋的探索和觀測(cè)的水下信息傳輸領(lǐng)域，而且也國(guó)防軍事領(lǐng)域，可見連接器的重要性。

由于陸地油氣的大量消耗，開采油氣已推進(jìn)到深海。因此，必須在掌握國(guó)外連接器產(chǎn)品的基礎(chǔ)上必須開發(fā)自主產(chǎn)品，就目前來看，水下插拔連接器需求量較大，有著較為廣闊的前景。