一種承拉自鎖密封連接器的研制*

北京石油機械有限公司 北京 102206

1 研制背景

在有纜石油鉆井技術中，如何實現井下電纜的快速、可靠對接，成為影響有纜鉆桿傳輸方法推廣應用的關鍵［1］，為了解決在有纜石油鉆井過程中井下與地面的數據、電力傳輸問題，筆者研制了一種承拉自鎖密封連接器。這一連接器不僅適用于石油領域，而且也能滿足海底電纜的對接需要。正是由于這一連接器的研制，有效解決了有纜石油鉆井過程中電纜連接處的數據、電力傳輸不穩定問題［2-3］。這一連接器的自鎖功能非常適合高振動的鉆井工況，與楔形鎖緊機構有機配合，最大限度提升了鎧裝電纜接頭的承拉能力。所設計的特殊密封結構保證了連接器的有效接觸，徹底隔離了外界介質對連接器的破壞，工作耐壓達70 MPa。筆者將詳細介紹承拉自鎖密封連接器的結構。

2 總體結構

鉆井時鉆桿要連接形成一個長距離的鉆井介質傳輸通道，在鉆桿連接前要求數據傳輸電纜完成對接［4］，這就要求電纜能夠快速對接，且能滿足鉆井工況及使用要求，在鉆井介質及振動環境中實現數據、電力的可靠傳輸。可見，電纜對接結構應便于井口連接操作，且電器連接可靠。承拉自鎖密封連接器選用楔形卡緊機構實現電纜與接頭的連接，采用防松鎖緊機構用于電纜接頭之間的連接［5-6］。

3 楔形卡緊機構

3.1 機械結構

選用的連接電纜為標準鎧裝電纜，其結構如圖1所示，包括最內層的軟銅絞線、包裹軟銅絞線的改性聚丙烯絕緣層、次外層鋼絲鎧裝及最外層鋼絲鎧裝。其中，次外層及最外層鋼絲鎧裝承受拉力，以保護內層電纜不受外力影響。楔形卡緊機構是根據電纜雙層鋼絲鎧裝結構的特點設計的［7］。

▲圖1 鎧裝電纜結構

楔形卡緊機構如圖2所示，其工作原理是利用楔形的斜面摩擦自鎖原理將鎧裝電纜的雙層鋼絲鎧裝分別鎖緊，防止電纜在受拉力時從對接結構中滑脫，進而造成電纜對接失效。楔形卡緊機構由三層薄管體套裝而成，最外層薄管外壁為圓柱形，內壁為圓錐形；中間層薄管的內外壁均為圓錐形；內層薄管外壁為圓錐形，內壁為圓柱形。安裝時，需要將鎧裝電纜的鋼絲鎧裝剝開，其中最外層鋼絲鎧裝嵌在最外層薄管和中間層薄管之間，次外層鋼絲鎧裝嵌在中間層薄管和內層薄管之間，包裹有絕緣層的軟銅絞線從內層薄管的中心通孔穿出。當電纜受到拉力時，楔形卡緊機構和鎧裝電纜之間由于摩擦力而互相產生作用，使彼此之間牢固連接。

▲圖2 楔形卡緊機構

3.2 楔形體斜角設計

作為鎧裝電纜的主要承拉件，楔形卡緊機構的可靠性直接關系到鎧裝電纜連接的可靠性，不同的楔形體斜角意味著鎧裝電纜所能承受的不同拉力，因此選擇合適的楔形體斜角至關重要。以下通過建立數學模型進行分析。

對楔形卡緊機構錐度的要求是能夠實現鋼絲從縫隙穿過后自鎖。由于楔形卡緊機構的內外層錐體材料均為金屬材料，因此可以假設內外層錐體的摩擦因數相等且均為μ。同時由于楔形卡緊機構為回轉對稱結構，因此取一個特征截面作為研究對象，具體受力分析如圖 3 所示［8］。

▲圖3 楔形卡緊機構受力分析

圖3中，上下斜面1、2代表薄管，即楔形體，中間物塊代表鋼絲鎧裝。從圖3（a）中可看出，鋼絲鎧裝受外楔形體1和內楔形體2正壓力N的作用，同時受內外楔形體對鋼絲鎧裝產生反向摩擦力f1和f2的作用，摩擦因數為μ，楔形體內夾持的鋼絲鎧裝受力F平衡關系為：

由式（1）可得：

從圖3（b）中可看出，內楔形體2受到鋼絲鎧裝的摩擦力f2′，大小等于內楔形體對鋼絲鎧裝的摩擦力；同時受鋼絲鎧裝對楔形體斜面的壓力N′，大小等于楔形體對鋼絲鎧裝的正壓力；還受到支撐面對鋼絲鎧裝產生的支撐力K，此為虛設力，因實際結構為對稱形而并不存在。內楔形體的受力平衡方程為：

式中：θ為楔形體斜角。

由式（3）可得：

將式（4）代入式（2），得到 F=2Ntan θ，這一結果是楔形卡緊機構自鎖的邊界條件。由于材料已確定，因此楔形體斜角θ可以確定，楔形卡緊機構的錐度α滿足α≤2θ便能實現自鎖。

4 防松鎖緊機構

防松鎖緊機構用于井下電纜接頭之間的連接，可以延長電纜長度，滿足深井鉆井的需求。所謂防松鎖緊功能，是指保證螺紋連接部位不會因為振動而松脫，能夠緊固鎖定。由于井下工況復雜，在鉆井過程中，高速鉆井液在沖蝕的同時伴隨著劇烈的振動，因此如何防止電纜由于螺紋松脫而斷開具有重要意義。另外，考慮到現場操作的便利，接頭之間的對接結構不能過于復雜，應具備可快速拆裝的特點［9］。

4.1 機械結構

防松鎖緊機構的結構如圖4所示。電纜的鋼絲鎧裝被楔形卡緊機構剝離固定，露出內部纜芯。纜芯與插針連接，通過插針與插座連接體內部的插針座對接，從而實現信息的傳輸。電纜、卡電纜體、與卡電纜體螺紋連接的中間連接體、套裝于中間連接體上的防轉手動環、位于卡電纜體和防轉手動環之間的壓縮彈簧構成了纜芯對接部分的一個接頭，插座連接體及其內部的插針座構成了纜芯對接部分的另一個接頭。中間連接體一端設置有公螺紋，插座連接體的一端設置有母螺紋，從而使中間連接體和插座連接體之間可通過螺紋形式連接。

中間連接體上有一個凸圈，凸圈上設有兩個對稱的凹槽，供防轉手動環上的兩個卡爪通過。插座連接體端口處設有四個對稱分布的豁口，供穿過防轉手動環的卡爪恰好置于其中。對接時，壓縮彈簧的兩端分別受到卡電纜體和防轉手動環的壓力而發生彈性變形，同時對防轉手動環產生一個向外的推力，使防轉手動環與凸圈緊密貼合，防止防轉手動環回退，達到防松鎖緊的目的。

4.2 彈簧參數設計

在防松鎖緊機構中，壓縮彈簧的設計是機構可靠工作的重要保證，以下根據實際使用需要及材料性能進行彈簧參數設計［10］。

彈簧的初始彈力P1=16 N，安裝高度h1=47 mm，工作行程Δh=16 mm。卡套退回后的最大彈力Pn=26 N，其工作高度hn=31 mm。根據對接結構的尺寸，設計彈簧外徑D0≤30 mm，彈簧鋼絲直徑d=2 mm。

初算彈簧剛度P0′為：

工作極限載荷Pj為：

查機械設計手冊得彈簧外徑D=28 mm。

在已知彈簧鋼絲直徑和彈簧外徑的條件下，再查機械設計手冊得單圈彈簧剛度Pd′=7.20 N/mm，有效圈數 n=Pd′/P0′=7.20/0.625=11.52，壓縮彈簧有效圈數圓整后取n=11.5。設計彈簧支撐圈數為1圈，端部并緊磨平，則總圈數n1=n+2=13.5。

彈簧的實際剛度P′為：

安裝變形量Δh1為：

彈簧的高度H0為：

彈簧節距t為：

螺旋升角β為：

展開長度L為：

壓并圈高度Hb為：

壓并圈彈力Pa為：

彈簧的高徑比b為：

由于彈簧內部有導桿，因此無需進行穩定性驗算，彈簧設計參數滿足使用要求。彈簧的結構及參數如圖5所示。

▲圖5 彈簧結構與參數

5 結論

筆者設計的承拉自鎖密封連接器的井下對接結構簡單，易于裝配，成本低，借助彈簧彈力使防轉手動環與中間連接體上的凸圈緊密貼合，防松效果良好。這一連接器的結構不僅適用于石油鉆井領域，而且可以應用到其它有防松要求的連接件領域，如海底電纜密封對接，具有廣泛的應用空間和較高的使用價值。這一連接器已經在現場得到應用，如圖6所示，對接后數據傳輸可靠，密封有效，能夠滿足有纜石油鉆井的實際需求。

▲圖6 現場應用情況