水下电气接头与飞线设计选型技术研究

刘华建

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)



水下电气接头与飞线设计选型技术研究

刘华建

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

摘要：在海洋资源的应用开发过程中，国内外对深海油气田的开发与投资力度逐年增大，我国深水开发工程设施也逐年增多。水下生产系统以其高效、低成本等特点已成为深水开发工程的主流开发模式。而水下电气接头与飞线作为深水开发设施水下生产系统中负责电力、控制以及通信传输的关键设备，该系统的设计与应用对整个工程的开发成本与安全运行起到了关键作用。该文通过研究水下电气接头以及飞线的相关设计原则与南海某气田工程的实际要求，对一系列的水下电气接头与飞线的选型进行研究，为今后水下电气接头的造型提供参考依据。

关键词：水下电气接头；飞线;设计；安装；测试

0引言

目前，我国在深海油气开发方面起步较晚，缺乏自主设计与装备提供能力。大部分水下控制关键设备均由国外主流工程公司垄断，水下电气接头与飞线作为连接整个系统的关键部件，一般是由这些公司统一设计与采购。

对水下电气接头与飞线的设计与选型能力的掌握，研究深水水下系统设计技术，形成水下开发总体设计能力和部分关键产品及作业机具的供应与施工能力，对于打破国外垄断，开拓和占有深水油气开发市场有着重要意义。该文即从水下电气接头的发展、设计、选型、测试等环节进行论述。

1水下电气接头与飞线的现状

1.1水下电气接头与飞线的发展

20 世纪50 年代开始, 多芯电连接器在美、法两国的潜艇上使用后, 电连接器的使用范围越来越广泛, 从最开始的陆上插拔、水下使用到水下湿式插拔，从最简单的插拔式到复杂的耦合式连接器，水下电气接头与飞线不断适应着新的使用环境。随着使用水深的不断突破，更为复杂的充油式连接器应运而生，这种电连接器不仅结构紧凑, 而且具有水密功能, 使连接器用于深海成为可能。20 世纪80 年代末，一种使用可靠的Nautilus 型水下插拔电连接器面世, 并且一直延用至今，最终被称作水下湿式插拔电连接器(Underwater Wet-mated Electrical Connector)，并成为世界主流的水下湿式插拔结构模式。从1979年起，英国TRONIC公司开始提供水下湿式插拔连接器系统，主要用于海底石油和天然气开发工程，1994年，TRONIC水下湿式插拔技术成功应用在巴西国家石油公司的水下电潜泵(ESP)系统，基于该公司可靠的水下湿式插拔技术，水下ESP技术逐步成为被广泛接受的水下生产系统解决方案。

1.2水下电气接头与飞线的分类

水下电气接头与飞线从操作环境上可以分为干式插拔与湿式插拔；从单元类别上可以分为标准电接头，光纤接头以及混合接头；从操作形式上分为法兰安装接头、潜水员操作接头以及远程操作机器人(ROV)接头；从针脚的密度上可以分为低密度接头(4芯～12芯)、中密度接头(12芯～56芯)、高密度接头(大于56芯)；从工作电压上可以分为低压接头与高压接头。

1.3水下电气接头与飞线的应用

随着海洋科学技术的发展，水下电气接头与飞线广泛用于海底观测网、军事设备(水下监听站、潜艇)以及海洋油气开发工程中，在海洋油气工程中主要用于监测与控制水下采油树、井口设备、管汇以及水下生产处理系统，水下生产系统如图1所示。

图1　水下生产系统组成

2水下电气接头与飞线的设计要求

从脐带缆终端(UTH)、水下分配系统(SDU)、水下控制模块(SCM)以及水下传感器(SPT)均需使用水下电气接头与飞线，主要负责传输的信号包括：环空压力、节流嘴上游生产压力温度、节流嘴下游生产压力温度、湿气流量计生产计量数据、插入式腐蚀传感器、声波探测器、乙二醇注入流量、甲醇注入流量、药剂注入流量。

将上部水面控制设施与水下控制系统进行连接，该系统的设计是否合适决定了整个水下生产系统的成败。

2.1水下电气飞线与接头总体要求

(1) 水下电气飞线供应商最少具备3年以上相关领域成功实施业绩。

(2) 设计寿命与SDU整体设计寿命一致，但常规产品设计性能为25年。

(3) 主要采用ISO 13628-6标准与ISO 13628-4标准。

(4) 水下电气飞线与接头的阴极保护系统由SDU主结构统一考虑。

2.2水下电气飞线连接器自密封技术

(1) 水下电气飞线连接器采用双层隔栅密封技术，能够实现对插针表面水迹与污物的清理。

(2) 水下电气飞线电缆与接头中应有隔水部件，在硅油意外泄露，消耗殆尽的情况下能够防止海水进入带电部件。

(3) 海水进入软管与接头内部时，不影响在设计寿命周期内的使用。

2.3水下电气飞线连接器双层密封与充油技术

水下电气飞线连接器在双层隔栅中采用充油技术，压力平衡技术避免了海水侵入双层隔栅密封腔体，要求在高温环境中不发生硅油泄漏。在水深超过200 m时，要求线缆采用充油软管形式，以满足深水压力环境要求。

2.4水下电气飞线连接器材质选型技术

水下电气飞线材质选型首先要满足油气田全寿命周期的环境要求，飞线与接头所有部件使用的材料应与接触介质具有化学兼容性。主要环境介质包括测试液(自来水)、海水、硅油以及液压工作介质。目前常用的材料为不锈钢(SS316L),各厂家的外形体积不一，但都比较重，而ODI公司的外壳材料为钛合金，在提高壳体硬度的同时，减轻了飞线质量，便于潜水员或ROV操作。

2.5水下电气飞线连接器耦合技术

水下电气飞线连接器导体界面设计应遵循水下电气分析报告的要求，但截面积不小于2.5 mm2,电压等级按照总体设计要求。水下电气飞线连接器设计时，严禁将带电插针暴露于海水中。

2.6水下电气飞线测试技术

水下电气飞线应按照规格书与数据表要求进行电连续性试验、绝缘电阻试验、静水压性试验以及气密性试验。

2.7水下电气飞线与连接器布置技术

水下电气飞线安装时应考SDU内部空间、电缆弯曲半径要求、ROV操作的接头之间相互干涉问题，同时考虑固定面板安装时接头安装顺序。

3水下电气接头与飞线的选型

陆上常用的电缆与接线端子主要需考虑电缆截面、载流量以及绝缘性能，而水下生产设施的特殊应用环境还存在一些特殊要求,主要的选型原则如下：

3.1电路设计要求

在设计电气与控制回路时有一个重要的原则即是：严禁带电操作插拔水下电气接头与飞仙，禁止在意外解脱的工况下出现带电针脚直接与海水接触，以免造成短路与针脚电解。

3.2工作水深要求

由于深水油气田开发中，其主要的难度就在于水下巨大的外部水压，因此水下电气接头与飞线主要考虑的性能参数就是水深适应力，目前国际主流厂商的产品一般标配为水下3 000 m工作水深，这一性能足以满足目前我国周边深水开发工程的需要。

3.3插拔次数要求

水下电气接头与飞线是水下生产系统的关键部件，除能够满足油气田的整体开发寿命要求外，有时根据生产计划或紧急情况下需要对水下生产系统设备进行检修、维护或者回收，因此，需要在水下对接头或飞线进行拨出与重新连接，但受海水中高压强以及海水不清洁的影响，容易造成水下接头与飞线端接口发生短路、腐蚀、进砂、进水等情况的发生，导致金属针脚不能正常耦合。考虑正常操作、紧急情况发生频率以及现场测试等需求，一般要求插拔次数至少不小于200次。

3.4接触电阻

由于水下电气接头与飞线存在于每一个水下控制设备中，在进行水下湿式连接时，为保证正确的连接，要求接触电阻不大于10欧姆。

3.5操作形式要求

根据油气田总体的开发方案与水深要求，水下电气接头与飞线的操作方式分为ROV操作、潜水员操作，操作把手可分为T型、船桨型以及鱼尾型，具体的把手形式可根据当地运维部门习惯来决定，目前较为常用的为船桨型把手。

3.6插拔力矩要求

根据操作形式的要求ROV操作的多芯数接头，其插拔力矩一般要求小于113 lbs(500 N)，潜水员操作的要求小于50 lbs。

3.7可靠性

水下电气接头与飞线的可靠性一般由其失效前的平均工作时间(MBFT)来衡量，MBFT越大说明可靠性越高。在进行选型时尽量选择可靠性较高的水下电气接头与飞线，尽量降低后期维护费用。

3.8材料要求

考虑到水下电气接头与飞线所能接触的应用场景，其所有接头材质，包括护套充油管均应满足与海水、自来水以及硅油等介质接触，不发生化学变化引起水下电气接头与飞线发生老化或性能降低。

水下电气接头与飞线一般应用于水下几百米甚至上千米，海水中含有大量的氯离子，氯离子会破坏金属保护层，对奥氏体不锈钢会产生晶间腐蚀，一般水下电气接头与飞线外壳采用低碳不锈钢，采用与CP系统保持点连续性的方式进行防腐保护，另外，一些产品的外壳直接采用钛合金材料，使其防腐性能更加优异。

4水下电气接头与飞线的测试与应用

根据ISO13628-1要求，水下电气接头与飞线应在出厂时完成工厂接受试验FAT，增强工厂接受试验EFAT，系统整体试验SIT等试验科目。主要包括：校对线序、静水压试验、气密性试验、功能试验以及串扰试验，水下电气接头与飞线测试内容见表1。

表1　水下电气接头与飞线测试内容

5结论

在海洋开发与军事应用中，水下电气接头与飞线是不可缺少的重要关键部件。其湿式插拔操作的优异性能，通过ROV或潜水员在水下进行实时安装、调试以及运维，达到了快速、高效、可靠的设计要求，使整个系统的可靠性与可维修性大大提高。

通过对水下电气接头与飞线设备的研究，掌握了水下电气接头与飞线设计与选型技术，随着水下工程开发的不断创新与深入，对水下电气接头与飞线的技术指标(高密度、体积小巧、高带宽)、安装方式、互换性以及免维护性能提出了更高的要求，光电混装接头、高压与大电流接头等新兴接头也应运而生。

参考文献

[1]ISO 13628-1：1999.IDT 石油天然气工业水下开采系统的设计与操作 第1部分：总体技术要求及推荐做法[S].1999.

[2]ISO 13628-4：1999.IDT 石油天然气工业水下开采系统的设计与操作 第4部分：水下井口装置和采油树设备[S].1999.

[3]ISO 13628-5：1999.IDT 石油天然气工业水下开采系统的设计与操作 第5部分：水下脐带缆[S].1999.

[4] ISO 13628-6：1999.IDT 石油天然气工业水下开采系统的设计与操作 第6部分：水下生产控制系统[S].1999.

收稿日期：2015-12-18

基金项目：工信部海洋工程装备研制项目(工信部联装[2014]497号)。

作者简介：刘华建(1983-)，男，工程师。

文章编号：1001-4500(2016)03-0007-04

中图分类号:P75

文献标识码：A

Study on Subsea Electrical Connector and Flying Lead

LIU Hua-jian

(Offshore Oil Engineering Co., Ltd, Tianjin 300451, China)

Abstract：In the process of the application of the marine resources development and oceanographic science ,both at internal and abroad for deep-sea development and investment increased year by year. As an important part of the subsea production engineering facilities, the subsea wet-mated electrical connectors system has been used in wide range of deepwater development project. By studying the oil filled seal forms and pressure balance principle of underwater electrical connector and the actual requirements of a gas field in the south China sea,the selection of the international famous underwater electrical connector products was studied. This study provides reference for the selection of under water electric connectors.

Keywords：underwater wet-mated; electrical connector; oil filled