水下电连接器的囊式压力平衡装置特性研究

陈海洋，杨文聪，韩权，邵丽影，张艳

(东南大学 机械工程学院，江苏 南京 211189)

0 引言

深海插拔电连接器在海底观测网、深海油气开发等领域被广泛应用，主要用于深海设备之间的电力与信号传输，要求其具备深海环境下带电插拔的能力[1-3]。深海是一个高压环境，每百米海深压强增大约1MPa。巨大的压力将给连接器插头插座的分离带来巨大阻力，同时也给装置的密封带来巨大的挑战。因此，需要提供一种压力平衡结构，来降低电连接器装置内外的压力差。压力平衡技术的主要原理是基于液体的可压缩特性，通过改变密封腔体的体积来达到压缩内部液体，进而提高密封腔体内部环境压力的目的。相对于其他压力平衡结构，软囊式压力平衡具有更广泛的应用[4-6]。在深海电连接器领域，一些主流品牌产品都采用了充油式软囊压力平衡结构，工作海深普遍超过3000m，对于多插针产品，大多采用双层软囊式压力平衡结构[7-9]。然而对软囊式压力平衡性能的研究较缺乏，尤其是双层软囊式压力平衡结构。王勇等研究了用于水下力传感器的单层软囊式压力平衡特性，提出了基于弹性薄壳理论的单层软囊变形模型及迭代算法，给出了软囊式水下力传感器的力学特性与设计原则[10-11]。但在双层软囊式压力平衡装置的压力平衡性能方面依旧缺乏理论研究。因此，本文基于薄壳理论，提出了双层软囊式压力平衡结构的内外压差迭代计算方法，并提出深海电连接器的软囊式压力平衡结构设计原则。

1 水下电连接器的结构

图1是深海插拔电连接器插座结构图。内层油囊和外层油囊内部都填充了油液。在深海中，外部环境中高压海水通过海水连通孔进入腔体，并将压力传导给外层油囊，外层油囊受压会压缩其内部油液，使油液体积减小、压力升高，并以同样原理将压力传导至内层油囊。这一过程直至海水压力被内部油液压力和油囊变形所消耗的压力所抵消，从而达到压力平衡。因此，内层油囊内部油液的压力要稍小于外层油囊内部油液的压力，而外层油囊内部油液的压力要稍小于外部环境中海水压力。为了降低密封的压力，要求内层油囊内部油液的压力尽可能接近外界海水压力。因此，需要找到合适油囊的设计参数，研究油囊的厚度、长度、直径以及油囊材料属性对油囊压力平衡装置性能的影响，用油囊内部油液与外部环境之间的压力差来表示装置的压力平衡性能。

图1 深海插拔电连接器插座结构图

2 水下电连接器双层油囊压力平衡结构的力学模型

2.1 液体的可压缩性

当油囊内部油液受到外界海水压力时，其体积会随着压力的增大而减小。设油囊内部充满油液，该油液在陆地环境中的体积为V，当装置达到压力平衡状态时油液的压力为p'，油液的体积弹性系数为K，油液在深海中受压后体积减少量为ΔV，可以得到油液受压体积减少量为：

(1)

当连接器所处的海深H、海水密度ρ、重力加速度g确定后，压力平衡装置所处的深海环境压力p便可以确定。

p=ρgH

(2)

2.2 弹性薄壳理论

L=2π/β

(3)

当l>L时，适用于薄壳理论中的长壳理论，忽略壳体法线方向的应变，以圆柱壳的端部为坐标原点，可以得到圆柱壳上距离端点为x的垂直于圆柱壳轴线的任意一点的挠度为[12-14]：

(4)

已有研究表明，相对于短壳理论，长壳理论更适用于囊式压力平衡装置的圆柱壳模型，其精度更高[10]。故本文只探讨基于长壳理论的囊式压力平衡装置特性研究。

2.3 基于弹性薄壳理论的囊式压力平衡装置压力差计算模型

1) 单层圆柱壳计算模型建立

由前文论述可知，内部油液的压力p'略小于外界海水压力，故油囊内外存在压力差Δp，因此油囊处于外部受压状态。油囊体积相对于陆地状态减小V1，油囊内部的油液压力会有升高，并因此受压缩减小V2。由于油囊和油液之间并无间隙，所以体积V1=V2，可据此建立压力差的计算模型。

圆柱壳油囊受均匀压力后体积变化量即为圆柱壳原始体积减去变形后的体积，可由其挠度公式推导得到:

(5)

因为圆柱壳油囊内包裹有插针组件和油液，所以内部油液只占据圆柱壳腔体的一部分，设k0为圆柱壳内部油液所占圆柱壳腔体体积的比例系数，则内部油液的体积为:

V=k0πa2l

(6)

内部油液受压后体积减小量为：

(7)

由V1=V2可以联立得到：

k1Δp2+k2Δp+k3=0

(8)

其中：

求解可得到油囊变形所需要的内外压力差。迭代时首先假设油液压力与外界海水压力相同，这将使得计算得到的油液压缩量比实际情况大，将此值作为圆柱壳油囊的体积减少量计算得到的压力差值大于实际情况。因此，在迭代过程中，所计算的Δp值应该是呈逐步减小的趋势。由此确定公式(8)的解为：

(9)

初步将圆柱壳内部油液的压力看作与其所处位置外界海水压力一致，来计算油囊内部油液的体积变化V2，以此与V1联立，建立关于圆柱壳油囊的压差变形公式，并求解出油囊的内外压差Δp。然后再用新计算的压差来更新内部油液压力值，并计算出新的油液体积变化量，再代入联立公式进行不断迭代，直到计算出来的压力差变化达到给定精度时，可认为是油囊内外实际压力差值。

2) 双重圆柱壳压力平衡装置压力差计算模型建立

在单层圆柱壳油囊内外压力差计算模型的基础上，可进一步建立深海插拔电连接器双重油囊压力平衡装置的计算模型。设外层油囊内部油液的压力为pA，其与外界海水之间的压力差为ΔpA，其他参数也用下角标A区分；设内层油囊内部油液的压力为pB，其与外层油囊内部油液之间的压力差为ΔpB，其他参数也用下角标B区分；设外界外水压力为p。

可以得到外层油囊与外界海水之间压力差迭代公式和内层油囊与外层油囊之间的压力差计算公式：

(10)

式中：VA是外层油囊与内层油囊之间的油液体积，VB是内层油囊内部的油液体积。

首先假设外层油囊内部油液压力和外层油囊内部油液压力均与外界海水压力相同，即pA=pB=p，进行外层油囊内部油液与海水之间压力差的计算(即单层油囊计算模型)；将计算得到的pA作为内层油囊内部油液与外层油囊内部油液压力差迭代计算的初始值，进行内层油囊的计算模型运算，得到内层油囊内部油液压力值pB和与外层油囊油液的压力差值ΔpB。当ΔpB未达到迭代的精度要求时，将本轮迭代计算得到的pA和pB值代入外层油囊压力差的计算公式中进行新一轮的循环迭代，直到ΔpB达到迭代精度为止。此时，即可得到内层油囊内部油液与外界海水之间的压力差即为:

Δp=ΔpA+ΔpB

(11)

3 双重囊式压力平衡装置特性分析

压力差是衡量深海插拔电连接器囊式压力平衡装置性能的关键指标。由公式(8)可以看出，影响压力差的因素有圆柱形油囊的半径a，油囊壳体厚度h，油囊材料的弹性模量E，油囊的长度l等。利用单层囊式压力平衡装置的数学模型，以控制变量法来分别研究各因素对囊式压力平衡装置性能的影响。油囊设计参数对压力平衡效果的影响见图2。

图2 油囊设计参数对压力平衡效果的影响

由图2(a)、图2(d)可以看出压力差随着油囊半径、油囊长度的增大而减小，但是曲线的斜率逐渐减小，对压力平衡效果的提升能力逐渐降低；由图2(b)说明压力差随着油囊厚度的增大而增大，且曲线的斜率微微增大，厚度增大会降低压力平衡效果；由图2(c)说明压力差随着油囊弹性模量的增大而增大，且呈线性增长。

4 结语

根据文中建立的压力差迭代计算模型和已有的计算结果可以总结出水下插拔电连接器的囊式压力平衡装置的设计原则：

1) 在满足软囊强度的前提下，可以降低软囊厚度；

2) 随着软囊半径增加，压力平衡效果在下降；

3) 随着软囊长度增加，压力平衡效果在下降；

4) 软囊应选用弹性模量比较低、易变形的材料。