高温高压连接器研发综述

2020-07-01

机电元件 2020年3期

(1.贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009；2. 苏州华旃航天电器有限公司，江苏苏州，215129)

1 引言

高温高压密封连接器是一种用于石油和天然气井下的、实现电子组件及电气模块之间提供电气连接的电连接器；例如，为了获取钻探钻头的振动和温度信号需要一套检测系统，高温高压密封连接器在该系统中可以提供数据采集模块和数据通信模块之间的通路，同时承受外部的高压力保护钻杆内部结构。我国高温高压连接器起步较晚，但进步迅速，而在发达国家对这类连接器已经研究了半个世纪以上，技术和工艺更加成熟。目前，使用这类连接器的下游企业有纽约斯伦贝谢、中海油服、哈里伯顿能源服务、著名油田设备制造、近海钻探、美国贝克休斯、美国福陆、威德福油田设备、必捷油田服务、英国石油服务等公司，这些公司都是主要从事石油产业，对该类连接器的年需求量较大。因此，高温高压密封连接器具有非常可观的市场潜力，并且国内乃至国际上只有为数不多的公司在开发研制，所以此类连接器具有很大的研制空间。

2 高温高压密封连接器的发展情况

高温高压密封连接器主要分为三类：1)玻璃/陶瓷-金属烧结密封连接器，此类密封连接器对零部件的加工精度要求高且材料的热膨胀系数必须匹配，在高温高压环境中可靠性较高；2)注塑类密封连接器，即向金属外壳内注入密封材料，在高压作用下密封材料被越压越紧从而达到密封效果；3)橡胶组装类密封连接器，即将介质体和接触件以过盈方式与橡胶套进行装配达到密封效果。

2.1 环境性能指标

为了保证井下电子设备能够正常工作，通常电子设备被放置于单独承压腔体内，承压腔体通过高温高压密封连接器与外部电气设备连接，实现承压腔体内的电子设备与地面电子设备之间的信号通信，同时高温高压连接器可以有效隔绝井下极端的高温、高压力、强腐蚀液体环境，如海水、油基钻井泥浆以及可能含有硫化氢的液体及原油等，因此高温高压密封连接器其耐环境性能主要表现在两方面：

(1)能够承受非常恶劣的高压力、高温度环境。例如，在地下5000m到12000m这个深度范围，井底的温度有177℃到204℃，压力大约有20000psi至25000psi(约175MPa)，随着超深井的勘探，井下压力即将迈入30000psi时代。

(2)能够暴露在酸碱盐侵蚀的环境中，正常工作。例如暴露在钻井的泥浆和其他腐蚀性液体中，这些液体不仅能够加速非金属组件老化，而且对金属也有很强的腐蚀性。

2.2 高温高压连接器专利申请情况

目前，在全世界范围石油天然气领域所使用的高温高压密封连接器的专利检索结果中发现，专利技术及产品生产基地主要分布在美国和欧洲，其中美国的"Kemlon"和"Greene Tweed"两家公司基本上垄断了高温高压密封连接器的专利申请，并且该两家公司的专利几乎构成了一个坚实的专利技术壁垒，很难实现重大专利突破，但可从改进性能方向实现突破。不过部分玻璃烧结类产品专利的法律状态已失效，因此给国内开发部分专利失效的产品提供了可行的途径，避免了某些技术或产品产生的垄断现象，但注塑连接器还处于专利保护状态。

2.2.1 仍法律有效专利举例

一种用于高温高压测井及钻探的注塑型电连接器，包括：一个热塑性有机材料构成的绝缘体，具有承受一定的抗压强度；一个铍铜材料加工的金属导体插针，其中部分插针被热塑性绝缘体注塑包裹，插针的两端各留出一段对插段；以及一个无机绝缘衬套，具有一定的抗压强度，插针至少有一部分贯穿无机绝缘衬套，插针的细段穿过无机绝缘衬套；一个金属支撑环，中间设有通孔，无机绝缘衬套至少有一部分贯穿金属支撑环，上述电连接器以塑料注塑密封为特征。如图1所示。

图1 国外专利附图

2.2.2 高温高压密封连接器开发策略

随着高温高压玻璃烧结类密封连接器现有专利权保护年限的到期，玻璃烧结类连接器多数权利项已经被放弃、终止或失效，因此，国内生产商开发该类产品可以采取"产品跟随策略"；由于高温高压密封连接器现有专利之间存在相互影响、相互关联的特性，可从现有的专利中挖掘新的技术方案进行突破，可以采取专利无效策略与挖掘新技术方案开发策略；基于某个项目在全世界各国或地区的专利申请和授权两方面的情况，在一段时间以内，是个动态变化的状态，需要采取专利跟踪策略。经统计分析发现可开发的产品主要包含三类产品：单芯注塑类产品，单芯注塑改进类产品和玻璃烧结类产品[1]。

3 玻璃烧结类产品的技术研究

3.1 玻璃烧结技术概述

玻璃烧结密封连接器是一种应用于高温、高压力、腐蚀性等工况下的电连接器。此类连接器结构相对简单，机械强度良好，密封性能优异，耐高温性、耐腐蚀性以及耐辐射性较强，电性能参数良好，适用于各种特殊严酷的环境下使用。随着我国航空、航天、船舶、勘探等工业、农业、军工事业的突飞猛进，玻璃烧结密封连接器是在上述场合不可替代的密封连接器，故各种工作在高温、高压力、腐蚀、辐射等工况的设备不断增多，玻璃烧结密封连接器的需求也在与日俱增，种类也在不断拓展。

3.2 玻璃烧结封接结构及特点

玻璃烧结密封连接器的封接结构可分为三种：

计算机编程语言不仅是计算机运行的指令，更是计算机编程人员和计算机之间的交流工具。经过近一百年的发展，计算机编程语言已经获得了巨大的发展，其语言丰富性和流畅性均达到了一定水准，计算机语言也发展出多种形式，这些语言各有优势，使用者可以根据具体的网络环境和实际需求进行选择，以使计算机编程语言呈现出最优异的性能。

a) 玻璃坯烧结结构: 绝缘体采用玻璃粉模压制做的玻璃坯与壳体、接触体间采用整体烧结结构；

玻璃坯烧结结构的特点: 该类产品的结构相对简单，压制玻璃坯工艺成熟，壳体加工工艺简单，适合企业大规模生产，但烧结后产品的成品率不是很稳定，容易出现批量报废现象。

b) 玻璃管烧结结构: 绝缘体采用玻璃珠与带孔位的壳体和接触体间采用烧结结构；

玻璃管烧结结构的特点: 该产品的结构较复杂，玻璃管采用拉制生产工艺，壳体的烧结孔加工精度要求高，需要较好的机加设备，且加工工时较长，产品烧结后成品率较高，产品性能稳定，适合企业批量规模生产。

c) 陶瓷、玻璃混合烧结结构: 绝缘体采用陶瓷与金属壳体间采用玻璃烧结，与接触体间采用玻璃烧结结构。

陶瓷、玻璃混合烧结结构的特点: 该产品的结构复杂，烧结工艺复杂，零件加工工艺也比较复杂，需要加工设备精度高，工时长，且多芯产品烧结后成品率不是很高，但产品性能稳定、耐高温、耐高压、绝缘、抗电性能好，适合企业小批量生产[2]。

3.3 玻璃烧结工艺

烧结工艺的好坏直接影响到玻璃烧结产品的性能与指标。在实际加工过程中，由于没有按照工艺流程进行加工而出现良品率下降或整批报废的事情时有发生，也有个别企业对相关工艺流程进行仔细研究并对其进行优化，但万变不离其宗，所有的工艺过程都离不开玻璃粉配腊压制玻璃饼或玻璃珠，金属零件清洗氧化，再与石墨模具或金属模具装配烧结，烧结后进行金属件抛光及电镀处理。

其中，烧结工艺流程的主要六个步骤为：玻璃饼或玻璃珠的压制，金属零件的净化和氧化处理，石墨模具的净化，装模，正压封接，表面电镀。关键技术主要有：匹配封接，高熔点，清洁处理，烧氢除气，退火处理。

4 高温高压连接器可靠性分析

4.1 高温高压连接器失效分析

高温高压连接器失效模式主要包括 :接触失效、绝缘耐压失效、机械密封失效及结构失效。其中具体表现为：在工作过程中，连接器产生电信号瞬断现象、接触端子断裂出现断电、壳体变形断裂或磨损，引起正位度下降、出现压力灌肠；接触件与接触件间或接触件与壳体间绝缘电阻值变小；接触件整体插拔力过大或过小[3]；长期暴露在复杂潮湿环境中引起的生锈，电连接器插针与插孔表面出现氧化等。

对于常规电连接器而言，都能满足在室温常压环境下的强度和硬度使用要求，但涉及到高温高压环境工作时，整体材料的强度和硬度通常难以满足性能要求。这是因为高温高压环境会加速零件的失效，总结来看高温高压环境主要会对连接器造成以下四点影响[4]：

1)环境温度升高会导致电连接器接触件材料的性能快速下降；

2)高温环境升高导致产品绝缘迅速下降；

3)高温环境增加金属活化能，提高金属活性，从而会加速暴露在空气中的金属表面氧化速率。

4)高压环境下会加速增加连接器的承压结构的疲劳性，使连接器产生泄漏失效。

4.2 高温高压连接器的故障诊断

在连接器发生故障时，故障原因通常与连接器的失效形式相联系，因此，可通过建立故障树(FTA)来进行连接器的故障诊断。如图3所示，为连接器的故障树分析图。

图3 连接器故障树分析图

其中，故障树以高温高压连接器失效作为顶事件,接触失效、绝缘耐压失效、机械密封失效为二级事件,得出电连接器失效原因作为三级事件或底事件来建立。

除从常见连接器的失效分析考虑外，连接器出现故障时，还可以在设计问题、工艺问题、检验问题、制造问题等方面来考虑故障的原因。同样可以建立故障树进行分析，其中：设计问题主要为结构设计不合理；工艺问题主要为工艺方法不合理和工艺流程不合理；检验问题主要为检验方法不合理和检验工装不合理；制造问题主要为尺寸超差，连接器未连接到位导致密封性不够，密封圈有损伤等。

在故障树建立好之后，针对连接器的故障，通过对连接器的失效分析和故障原因依次排除，最后准确定位问题所在。建立故障树的方法可以将问题准确定位，机理分析清楚，可提高效率，防止此类故障再次发生。