一种承拉自锁密封连接器的研制*

北京石油机械有限公司 北京 102206

1 研制背景

在有缆石油钻井技术中，如何实现井下电缆的快速、可靠对接，成为影响有缆钻杆传输方法推广应用的关键［1］，为了解决在有缆石油钻井过程中井下与地面的数据、电力传输问题，笔者研制了一种承拉自锁密封连接器。这一连接器不仅适用于石油领域，而且也能满足海底电缆的对接需要。正是由于这一连接器的研制，有效解决了有缆石油钻井过程中电缆连接处的数据、电力传输不稳定问题［2-3］。这一连接器的自锁功能非常适合高振动的钻井工况，与楔形锁紧机构有机配合，最大限度提升了铠装电缆接头的承拉能力。所设计的特殊密封结构保证了连接器的有效接触，彻底隔离了外界介质对连接器的破坏，工作耐压达70 MPa。笔者将详细介绍承拉自锁密封连接器的结构。

2 总体结构

钻井时钻杆要连接形成一个长距离的钻井介质传输通道，在钻杆连接前要求数据传输电缆完成对接［4］，这就要求电缆能够快速对接，且能满足钻井工况及使用要求，在钻井介质及振动环境中实现数据、电力的可靠传输。可见，电缆对接结构应便于井口连接操作，且电器连接可靠。承拉自锁密封连接器选用楔形卡紧机构实现电缆与接头的连接，采用防松锁紧机构用于电缆接头之间的连接［5-6］。

3 楔形卡紧机构

3.1 机械结构

选用的连接电缆为标准铠装电缆，其结构如图1所示，包括最内层的软铜绞线、包裹软铜绞线的改性聚丙烯绝缘层、次外层钢丝铠装及最外层钢丝铠装。其中，次外层及最外层钢丝铠装承受拉力，以保护内层电缆不受外力影响。楔形卡紧机构是根据电缆双层钢丝铠装结构的特点设计的［7］。

▲图1 铠装电缆结构

楔形卡紧机构如图2所示，其工作原理是利用楔形的斜面摩擦自锁原理将铠装电缆的双层钢丝铠装分别锁紧，防止电缆在受拉力时从对接结构中滑脱，进而造成电缆对接失效。楔形卡紧机构由三层薄管体套装而成，最外层薄管外壁为圆柱形，内壁为圆锥形；中间层薄管的内外壁均为圆锥形；内层薄管外壁为圆锥形，内壁为圆柱形。安装时，需要将铠装电缆的钢丝铠装剥开，其中最外层钢丝铠装嵌在最外层薄管和中间层薄管之间，次外层钢丝铠装嵌在中间层薄管和内层薄管之间，包裹有绝缘层的软铜绞线从内层薄管的中心通孔穿出。当电缆受到拉力时，楔形卡紧机构和铠装电缆之间由于摩擦力而互相产生作用，使彼此之间牢固连接。

▲图2 楔形卡紧机构

3.2 楔形体斜角设计

作为铠装电缆的主要承拉件，楔形卡紧机构的可靠性直接关系到铠装电缆连接的可靠性，不同的楔形体斜角意味着铠装电缆所能承受的不同拉力，因此选择合适的楔形体斜角至关重要。以下通过建立数学模型进行分析。

对楔形卡紧机构锥度的要求是能够实现钢丝从缝隙穿过后自锁。由于楔形卡紧机构的内外层锥体材料均为金属材料，因此可以假设内外层锥体的摩擦因数相等且均为μ。同时由于楔形卡紧机构为回转对称结构，因此取一个特征截面作为研究对象，具体受力分析如图 3 所示［8］。

▲图3 楔形卡紧机构受力分析

图3中，上下斜面1、2代表薄管，即楔形体，中间物块代表钢丝铠装。从图3（a）中可看出，钢丝铠装受外楔形体1和内楔形体2正压力N的作用，同时受内外楔形体对钢丝铠装产生反向摩擦力f1和f2的作用，摩擦因数为μ，楔形体内夹持的钢丝铠装受力F平衡关系为：

由式（1）可得：

从图3（b）中可看出，内楔形体2受到钢丝铠装的摩擦力f2′，大小等于内楔形体对钢丝铠装的摩擦力；同时受钢丝铠装对楔形体斜面的压力N′，大小等于楔形体对钢丝铠装的正压力；还受到支撑面对钢丝铠装产生的支撑力K，此为虚设力，因实际结构为对称形而并不存在。内楔形体的受力平衡方程为：

式中：θ为楔形体斜角。

由式（3）可得：

将式（4）代入式（2），得到 F=2Ntan θ，这一结果是楔形卡紧机构自锁的边界条件。由于材料已确定，因此楔形体斜角θ可以确定，楔形卡紧机构的锥度α满足α≤2θ便能实现自锁。

4 防松锁紧机构

防松锁紧机构用于井下电缆接头之间的连接，可以延长电缆长度，满足深井钻井的需求。所谓防松锁紧功能，是指保证螺纹连接部位不会因为振动而松脱，能够紧固锁定。由于井下工况复杂，在钻井过程中，高速钻井液在冲蚀的同时伴随着剧烈的振动，因此如何防止电缆由于螺纹松脱而断开具有重要意义。另外，考虑到现场操作的便利，接头之间的对接结构不能过于复杂，应具备可快速拆装的特点［9］。

4.1 机械结构

防松锁紧机构的结构如图4所示。电缆的钢丝铠装被楔形卡紧机构剥离固定，露出内部缆芯。缆芯与插针连接，通过插针与插座连接体内部的插针座对接，从而实现信息的传输。电缆、卡电缆体、与卡电缆体螺纹连接的中间连接体、套装于中间连接体上的防转手动环、位于卡电缆体和防转手动环之间的压缩弹簧构成了缆芯对接部分的一个接头，插座连接体及其内部的插针座构成了缆芯对接部分的另一个接头。中间连接体一端设置有公螺纹，插座连接体的一端设置有母螺纹，从而使中间连接体和插座连接体之间可通过螺纹形式连接。

中间连接体上有一个凸圈，凸圈上设有两个对称的凹槽，供防转手动环上的两个卡爪通过。插座连接体端口处设有四个对称分布的豁口，供穿过防转手动环的卡爪恰好置于其中。对接时，压缩弹簧的两端分别受到卡电缆体和防转手动环的压力而发生弹性变形，同时对防转手动环产生一个向外的推力，使防转手动环与凸圈紧密贴合，防止防转手动环回退，达到防松锁紧的目的。

4.2 弹簧参数设计

在防松锁紧机构中，压缩弹簧的设计是机构可靠工作的重要保证，以下根据实际使用需要及材料性能进行弹簧参数设计［10］。

弹簧的初始弹力P1=16 N，安装高度h1=47 mm，工作行程Δh=16 mm。卡套退回后的最大弹力Pn=26 N，其工作高度hn=31 mm。根据对接结构的尺寸，设计弹簧外径D0≤30 mm，弹簧钢丝直径d=2 mm。

初算弹簧刚度P0′为：

工作极限载荷Pj为：

查机械设计手册得弹簧外径D=28 mm。

在已知弹簧钢丝直径和弹簧外径的条件下，再查机械设计手册得单圈弹簧刚度Pd′=7.20 N/mm，有效圈数 n=Pd′/P0′=7.20/0.625=11.52，压缩弹簧有效圈数圆整后取n=11.5。设计弹簧支撑圈数为1圈，端部并紧磨平，则总圈数n1=n+2=13.5。

弹簧的实际刚度P′为：

安装变形量Δh1为：

弹簧的高度H0为：

弹簧节距t为：

螺旋升角β为：

展开长度L为：

压并圈高度Hb为：

压并圈弹力Pa为：

弹簧的高径比b为：

由于弹簧内部有导杆，因此无需进行稳定性验算，弹簧设计参数满足使用要求。弹簧的结构及参数如图5所示。

▲图5 弹簧结构与参数

5 结论

笔者设计的承拉自锁密封连接器的井下对接结构简单，易于装配，成本低，借助弹簧弹力使防转手动环与中间连接体上的凸圈紧密贴合，防松效果良好。这一连接器的结构不仅适用于石油钻井领域，而且可以应用到其它有防松要求的连接件领域，如海底电缆密封对接，具有广泛的应用空间和较高的使用价值。这一连接器已经在现场得到应用，如图6所示，对接后数据传输可靠，密封有效，能够满足有缆石油钻井的实际需求。

▲图6 现场应用情况