用于智能封堵器的耐压连接器的开发应用

赵东辉，王建伟，张曼曼，陆 瑶，李 宠，李立军

1.中国石油管道局工程有限公司维抢修分公司，河北廊坊 065001

2.河北省特种设备监督检验研究院廊坊分院，河北廊坊 065001

天然气运输主要通过管道运输和液化后运输。管道运输的优势是经济、运输量大、安全、无污染、发生泄漏危害小、设备易维护等。由于各种原因，天然气管道存在着泄漏风险，当管道出现泄漏事故时，需要对管道进行抢修，而封堵器是重要的抢修设备。

目前世界著名的智能封堵器公司有两家：TD Williamson和Stats Group，它们的产品比较先进和成熟，在世界范围也有很多成功的施工案例，目前国外的智能封堵器对国内企业只租不卖。本文介绍中国石油管道局工程有限公司维抢修分公司开发的具有自主产权的一种新型智能封堵器，它有助于突破外国技术封锁，提高国产石油设备制造能力。

1 智能封堵器

该公司自行开发的智能封堵器目前已通过评审，填补了我国在智能封堵施工方面的空白。智能封堵器的外形结构如图1所示，分为左清管器、右清管器和液压油缸单元，这三个单元均是耐压结构，工作压力10 MPa。

图1 智能封堵器

左清管器内主要设备为超低频通讯单元和压力传感器；右清管器内主要设备是液压系统、控制系统和电源模块；液压油缸单元主要由胶桶、驱动油缸和卡瓦组成。

管外发送命令给控制系统，经过左清管器通讯单元转发给右清管器内控制系统，同时右清管器内控制系统也需要经过左清管器把各种参数发到管外，系统通讯和控制系统相互配合完成对智能封堵器的控制。由于工作环境是高压天然气，各个单元件之间需要通过耐压电缆和耐压连接器连接。当耐压电缆和耐压连接器穿越中间的液压油缸单元时，由于空间有限，耐压电缆需要从油缸杆中“穿堂而过”。油缸活塞杆内布置着油道，电缆外径不超过12 mm，电缆比较容易穿过活塞杆内部孔，但连接器因外形比较大而无法穿越，需要另辟蹊径。

2 耐压连接器

在工程应用中，连接器可使连接简单便捷，但是修理或更换所需的时间和成本都比较高，因此连接器必须在其寿命周期内不出现任何故障。

市场上不同类型的连接器有很多，但完全符合项目需求的不多，需要做适当改造，使连接器的可靠性更高，以满足抢修项目的需求。市场上可用的耐压连接器主要可分为四个类别：橡胶模制连接器、刚性壳体连接器、充油水下配合连接器、电感耦合连接器。

本文涉及的连接器是刚性壳体连接器，将橡胶模制到刚性体内，可以提供足够的强度和稳定性，并且可以更好地配合，这种连接器能够在恶劣的环境中使用。插头插座配合后通过锁紧套筒锁定，通过O型圈实现密封[1]。对于常规连接器，如RM（橡胶材质）和PM（塑料材质）连接器，其额定电压通常高达600 V，对于经过特殊设计的连接器，其额定电压则高达3 kV[2]。但是刚性壳组件尺寸小且成本低，比模制连接器重。穿舱材料通常是金属、塑料或玻璃纤维增强的环氧树脂。

智能封堵器上的耐压连接器主要有3个功能：第一，满足智能封堵器3个单元快速拆装；第二，电缆进舱；第三，电源开关，同时也是电源模块充电路径。

电缆进入耐压舱也是通过连接器实现的，以保证电缆进舱的可靠和便捷。当左、右清管器和液压油缸需要分离时，只需插拔连接它们的连接器即可。

2.1 耐压插座

插座安装在左清管器和右清管器端面上，插座尾端导线与舱内传感器和模块相连，端面暴露在管道内的介质中。插座与舱体端面间的密封是通过O型圈实现的，也是目前世界范围内主流密封形式。O型圈安装前，其截面近似圆形，安装在槽里挤压后，O型圈有一定的形变，产生了一个预紧压力，如图2所示。h0为变形前截面高度，h1为受压后高度。图3是O型圈的工作原理。O型圈在槽中不仅受到预紧压力P1，同时还有流体对其产生压力P2，P1、P2使O型圈变形并把它挤压到端面，产生了压力P3，压力P3使O型圈紧密贴压在端面上。

图2 O型圈受压变形

图3 O型圈工作原理

下面公式反映出P1、P2、P3之间的关系：

式中：P3为密封面接触压力；P1为预紧压力；P2为工作压力；K为压力传递系数，其值接近于1[3]。

2.2 耐压插头

耐压插头主体材质为橡胶，此类插头密封性好，重量轻，插头与插座容易配合，所以电缆可以快速拆卸。图4是插头、插座连接示意。

图4 插头、插座连接示意

插针一般浇筑在橡胶体内，此处的橡胶有两个作用，一是固定接触件，二是与插座孔内的O型圈挤压形成密封。插座孔内有多道一体成型的O型圈，当插头与插座配合后，插孔内的O型圈压在公连接器插针上形成密封绝缘，见图5。

图5 插孔和插针密封原理

橡胶材质具有自紧密封特性，自紧密封源于橡胶体在常压下较难被压缩，碳氟化合物在1000MPa压力下，宽度缩小仅有5%，由于橡胶体泊松比很大，它会在内外2个方向形变，可以用以下方程组描述如下：

式中：E为密封材料杨氏弹性模量，εx、εy、εz为外力作用下产生的应变，σx、σy、σz为接触应力，ν为密封材料泊松比[4]。

通过外界压力增大接触力，实现自紧密封。接触力可以用下面公式表达：

式中：σ0为预紧力，σp为接触应力，P为流体压力。

橡胶材料在实际工作压力下变形小，材料泊松比接近0.5，所以通常选用橡胶材料作为连接器的密封件，它的接触应力会大于流体压力，能够实现自紧密封[5]。

2.3 开关

左、右清管器内部都有电源模块，左清管器电源给低频通信供电，右清管器电源是主电源，为液压单元和控制系统供电。正常情况下，左、右清管器都是密封状态，能承受天然气管道内10 MPa压力。清管器不工作时，需要对内部电源模块充电或者是断电，所以要给内部电源安装一个“开关”，此“开关”要安装在清管器的外部端面上，便于操作；而且需要承受10 MPa天然气压力，不能让泄漏的天然气进入清管器内。普通的机械开关难以用于这个苛刻的环境中，其他耐压开关难以承受15 A电流。本项目改装了耐压连接器，使其成为一个特殊开关。

图6中的电源开关与插座配合，电源开关插在插座上，清管器内部电源接通，设备可以工作；电源开关退出插座配合，清管器内部处于断电状态；充电插头与插座配合，清管器内部用电设备处于断电状态，但此时电池处于充电状态。电源开关和充电插头不会同时与插座配合，所以一个多功能插座就可以满足充电与断电需求。

图6 开关和充电连接示意

3 耐压电缆

本文中使用的是直流电源，电流通过电缆时会产生热量，该热量通过连接器的连续层从电线传递到外部环境。导体中的欧姆损耗可以写成：

式中：PL为功率损耗，W/m；R导体的电阻，Ω/m；I为通过导体的电流，A。其中，R值的大小取决于导体的材料（通常是铜或铝）及导体截面积，导线越粗，电阻越小。

在稳态条件下，导体中产生的所有热量必须通过圆柱形电介质绝缘层流到外部环境。连接器绝缘层上的温度下降、功率损耗和绝缘壁热阻之间的关系可以描述为：

式中：Δθ为温度下降，PL为通过导体的功率损耗，RT为电缆材料热阻值。

表1中列出了不同电缆材料的热阻值。由于负载循环而引起的温度变化会导致材料性能减弱，例如强度和弹性性能下降，从而会大大缩短连接器的使用寿命。

表1 电缆材料热阻值

图7给出了两种不同大小横截面的电缆在循环的环境压力作用下的特性曲线。耐压循环可以定义为电缆组件承受循环压力差产生疲劳载荷的能力。电缆截面积越大，对周期性负载的抵抗力越小。

图7 压力循环特性曲线[6]

左、右清管器的连接电缆需要穿过油缸的活塞杆孔，越过液压油缸单元。由于连接器插头体积较大，不能穿越油缸活塞杆孔，所以必须先把耐压电缆穿过活塞杆孔，再与连接器插头接线硫化密封。耐压电缆外护套选择聚氨酯材料，聚氨酯是高分子弹性体，在-60℃低温下仍具有良好的弯曲性。聚氨酯由柔性链段和刚性链段镶嵌组成，具有较高的拉伸强度，耐磨性高，耐各种油脂和溶剂腐蚀，它的耐磨性是天然橡胶的3～5倍，硬度范围宽（Shore A15～D90），在相同硬度时，比其他弹性体承载力高，不易受环境影响而老化变硬和开裂，老化变硬和开裂会导致电缆电器性能下降[7]。

4 耐压电缆硫化

4.1 硫化胶水

耐压电缆需要穿过液压油缸活塞杆孔后才能与连接器插头对接，对接需要在现场处理，采用冷硫化方式，施工工艺简单，不需要使用特殊设备。耐压电缆外护套是聚氨酯材料，冷硫化胶水为3M公司生产的2131双组分聚氨酯树脂，此胶水具有自身互粘性，易与电缆外护套聚氨酯粘接，与橡胶插头粘接性能优异。2131胶水性能见表2。

表2 2131胶水物理力学性能

硫化胶水粘接力公式：

式中：F1为胶水与电缆插头粘接力，N；f1为胶水与插头粘接力系数，0.84 N/mm2；S1为粘接面积，mm2；D为电缆外径，mm；L为硫化胶水与电缆接触长度，mm。

胶水固化后破断力：

式中：F2为破断力，N；σ为胶水抗拉强度，N/mm2；S2为破断截面面积，mm2；Dh为电缆护套外径，mm；dh为电缆护套内径，mm。

4.2 强度计算

耐压电缆与连接器插头接线后需要硫化处理，硫化后外形见图8，硫化设计参数见表3。

图8 耐压电缆与连接器插头接线硫化后外形

表3 硫化设计参数

硫化处需要考虑胶水与电缆之间的粘接力，如果粘接力不够，使用过程中硫化胶会脱落，流体就会沿着电缆渗入。

粘接力F1=0.8 N/mm2×π×20 mm×30 mm=904.32 N，硫化胶与电缆粘接力达到904.32N，满足正常使用要求。

电缆外护套端面处受力最大，此处硫化胶破断力：F2=7.15π（122-82）=1 796（N），满足正常施工中拉拽性能要求。

4.3 硫化程序

电缆和插头的接线要规整，表面不能有污渍和油渍，防止硫化胶水粘接强度不够，造成管道内天然气沿着缝隙渗透进电缆内部，甚至会沿着电缆进入密封舱而与密封舱内空气混合，此时，若有电子元件出现电火花，就可能发生爆炸事故。

硫化胶水是双组分膏状体，如果是袋装的，就将两组分挤到一侧轻柔至微微发热；若是盒装的，需要倒入容器中搅拌，搅拌均匀后倒入磨具中固化。硫化胶水固化后就可以脱去模具，表4是胶水脱模/固化时间表。

表4 2131胶水固化时间

表4中给出的固化时间只是典型值，脱模前务必检查确认树脂是否是黏稠状的，若是黏稠状的，一般是温度较低，固化时间还不够，或者是双组分没有混合均匀所导致的。

脱模前观察模具内硫化胶是否饱满，若不够饱满，需要再浇筑硫化胶水填充。硫化胶水固化脱模后应该是光滑而有弹性的黑色体，见图9。

图9 硫化胶水固化脱模后外形

5 结束语

天然气无论在我国居民生活中还是工业能源中，都是重要的生活和工业物资。天然气管网越来越多，越来越密集，抢修工作也会相应增加。特别是带压不停输状态下的抢修，也越来越重要。智能封堵器在抢修中扮演着重要角色，它使抢修工作程序变得简单可靠，更精准。带压状态下智能封堵每一个部件都要经得住考验，特别是裸露在天然气中的部件，不能因失效而影响抢修工作，特别是耐压连接器和耐压电缆，它们是直接暴露在介质中的。

在石油天然气行业中，带压工作的设备都会使用到耐压连接器和耐压电缆，由于不同的使用环境和空间，定制式的耐压连接器和耐压电缆应用越来越广泛，拥有越来越多的特殊性能和功能，以满足市场的不同需求。