水下采油树设备三段式电缆穿越装置结构设计研究

许洋，范海涛，宋小海（美钻能源科技（上海）有限公司，上海 200941）

0 引言

水下采油树设备电缆穿越装置作为一种重要的传送电力和信号的连接装置，以其安全性能好、密封可靠、操作方便等特点受到广泛重视并投入应用。

水下采油树设备三段式电缆穿越装置，为美钻能源科技（上海）有限公司（MSP）开发的应用于水下电潜泵与水上控制系统联系并传送电力和PSI/PHD 信号的连接装置[1]。

1 电缆穿越装置的总体设计

电缆穿越装置（如图1 所示），按照部件分类，由三部分组成，包括水下电缆接头、树帽跨接缆和油管挂电缆接头。按照功能分类，可以分为干式连接器和湿式连接器。

2 电气安全和结构密封要求

电气安全和结构密封性能是电缆穿越装置的安全性和可靠性的关键。通常要求如下[2]：

（1）水下对接，在DC5 000 ±5 V 电压下，应保证每个接点之间，接点和地之间的绝缘电阻等级大于10 GΩ。

（2）终端绝缘套耐压要求。绝缘套应在海水中使用交流15 kv 的电压持续测试60 s，不应发生击穿和对地漏电的情况发生。

（3）高电压测试的交变试验电压频率范围应当在49 赫兹到61 赫兹之间，测试电压为2.5 Uo + 2 kV（Uo 为导体与地之间的电压），Uo 电压范围（kV）：2.886，均方根测试电压（kV）：9.2，直流测试电压（kV）：22.0，接点之间、接点与地之间的高压耐压测试时间为5 min。

（4）升温要求三芯连接器连接在35 mm2的电缆上，在自由状态使用700 A 电流变压器进行测试，电流负载为125 A 时，不高于环境温度30 ℃。

图1 采油树帽示意图

（5）总装试验时，连接器腔体内氦气压力为103.4 kPa，氦气泄漏量为8 h 后内部压降不应超过6.9 kPa。

（6）插拔过程中，海水不能渗入连接器腔体内，导致海水腐蚀，电插件短路、失效。

（7）通电情况下，接插件与海水不能形成任何回路，即具有可靠的绝缘性。

（8）在插头和插座分离后，连接器插座端立刻自行密封，避免海水渗入。

（9）在500 次反复插拔后，水下电连接器的结构密封性能仍然相当可靠。

3 多级密封压力平衡结构设计

如图2 所示，电缆穿越装置的插头和插座均有两级密封平衡舱，这两级密封平衡舱的密封件分别为主级隔膜和次级隔膜。主次级隔膜都是橡胶材料，形状呈圆柱气囊状，隔膜两端内外壁均有多道突出截面为半球型或者方形的环状密封面。隔膜中间部分凸起，能有效的增长隔膜延展性，增加了隔膜的变形量[3]。

主级隔膜，内部充满绝缘介质。外部海水通过外筒上的平衡孔接触主级隔膜外壁。插头和插座在水下插拔的过程中，外界的海水通过压力平衡孔进入柔性隔膜的外侧。当插头穿过密封装置插入插座时，不存在压力梯度，不产生任何应力。

次级隔膜，该密封隔膜用于包裹插针或插孔的金属端，相当于密封的双保险。密封空间内部充满绝缘介质，外部空间则是主级隔膜内部的绝缘介质。在插拔过程中，次级隔膜内部的绝缘介质会部分少量流失。外部压力和内部压力通过隔膜的形变，达到内外平衡的状态[4]。

图2 多级密封压力平衡结构示意图

4 刚柔配合型密封绝缘结构设计

这种结构的密封，插头上硫化刚性较强的绝缘橡胶材料，插座密封则采用弹性较大的柔性橡胶材料，所谓的刚柔配合型，就是插头和插座插合过程中，有一定的韧性，有助于插头和插座的配合；在插合后靠材料的弹性补偿接触面之间的间隙，使之在湿式或者水下环境中实现对水的密封。对于这种密封结构的设计，刚柔橡胶材料的合理选用是关键[5]。

5 湿式电连接器的导通绝缘密封结构设计

湿式电连接器的插头端和插座端是在水下进行插拔的，这对结构设计的绝缘密封性要求很高。

在插合前，插座端的插孔处主要是依靠往复销和端面密封进行密封的，同时往复销与次级隔膜对插孔裸露金属处进行二级密封保护。

在插合过程中，插针推往复销直线运动，直到完全替代往复销插合到位，同时依次与端面密封和次级隔膜形成两道密封。

当插头拔出时，往复销依靠压缩弹簧复位，同时依次与端面密封和次级隔膜形成两道密封。

在这个插拔过程中，几乎是无缝衔接，只会出现极少的海水渗透和内腔绝缘油外漏的情况，影响可以忽略不计，有效的保证的设备的绝缘和密封性能要求。

6 密封绝缘结构设计的对比及具体应用效果

各密封绝缘结构设计对比如下：

（1）多级密封压力平衡结构设计是利用压力平衡原理，具有压力补偿和密封防水的双重作用，应用于湿式电连接器腔体密封。多级结构形式具有两级以上的密封效果（湿式电连接器是两级密封隔膜），该结构形式安全性能好，密封可靠，但只适用于低压设备。

（2）刚柔配合型密封绝缘结构设计是利用刚柔啮合原理，依靠绝缘体的弹性补偿实现密封，应用于插针和插孔的绝缘体的设计。该结构形式使绝缘体之间的配合达到密封的效果，有效的缓解了插拔过程中刚性磨损，但密封的防水效果有限，还要配合其它密封形式使用才可靠。

（3）导通绝缘密封结构设计是利用非接触式导体替让的方法，应用于湿式电连接器，实现插针和插座插拔前后的自行密封。但是该密封形式不能完全隔绝海水渗透，而且少量的绝缘油会在分离的过程中泄漏。

7 结语

（1）密封绝缘结构是决定电缆穿越装置的安全性和可靠性的关键技术，设计时，需要满足相应的结构密封性能和电气绝缘性能的要求；

（2）水下采油树设备三段式电缆穿越装置可以在水下进行插拔操作，耐环境能力强、性能稳定，是理想的水下作业装置，其结构新颖先进，是海洋石油系统的配套设备。

（3）水下采油树设备三段式电缆穿越装置的设计原则是：简单、可靠、有效、实用。在设计方面，可以多借鉴国外先进技术，这是相关工作人员不断研制和改进相关设备的有利因素。