【深度】国外水下插拔连接器密封设计及分析

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今日荐文

今日荐文的作者为中国电子科技集团公司第八研究所专家朱家远，叶杨高。本篇节选自论文《国外水下插拔连接器密封设计及分析》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第5期。

摘 要：水下插拔连接器是为水下工程提供工作电源与信号传输的新一代连接器，利用特殊的端面密封结构以及充油平衡自适应工作原理，解决了光电复合连接器在水下连接与分离后插头插座的自适应密封问题。

关键词: 水下插拔；充油平衡；连接器；密封设计及分析

引 言

海洋蕴含资源丰富，开发和利用海洋对于国家的发展具有及其重要的战略意义，因此人类一直都在不断开提高海洋开发手段：从自由潜水到派发各种潜器以及组建海底工程项目等，在探测能力以及开发能力上得到飞跃发展，这一切离不开水下工程项目的组建，而连接器则是其中的重要连接点。随着海底勘测手段、综合参数探测能力以及通讯技术的飞速发展，使得大型水下探测项目的组建在大范围探测能力、远距离信息传输成为可能，也使得人类具备远海海域的开发和利用能力。对于大型海底工程项目，其海洋施工组建成为头号难题，采用整体方式进行海面布放几乎不可能完成，因此水下插拔连接器的使用成为关键，它可以将这些工程项目分割成数块，采用分块布放方式进行海面布放，然后通过潜水员或者水下ROV完成系统的连接，进而实现大型水下工程项目的远距离通信及电源输送连接。随着光纤通信技术的发展，水下插拔连接器也由单一的水下插拔电连接器扩展到水下插拔光纤连接器及水下插拔光电复合连接器，目前，美国、德国、英国、法国等都已具备水下插拔连接器的研发及生产。

1 水下插拔连接器的发展历程

水下插拔连接器的提出源自国外发达国家海军要求，他们最初通过组建水下监听系统实现对水下潜艇、水面舰船的监视，水下声呐探测技术的发展也使得水下监听系统对于海军越来越重要，在此背景下国外军方提出了一种适应复杂水下系统的新型连接器，具备水下插拔功能，因此军事应用对于水下插拔连接器的初期发展影响较大。随着海洋油气开发，海洋工程项目对于水下插拔连接器的发展导向起着确定性的作用，连接器的后期发展方向偏重于工程应用^[1]。

水下插拔连接器最早出现于电连接器中，当前仍在采用的包括两种密封技术：一种是利用橡胶密封机理，通过对插头针体进行耐腐蚀处理、插座插孔采用橡胶包裹的电连接器，通过针体将海水从插孔内挤出并实现密封，该结构具有结构简单、成本低廉、性能稳定可靠等优点，所以目前仍在广泛使用，但不能实现通电状态下的水下插拔；另一种则是利用压力平衡原理的充油密封结构，实现使用水深大大提高，能够适应任意的水深，这一设计目前也广泛应用到深海的多种连接器中。

水下插拔光纤连接器出现于上个世纪90年代早期，开始出现较早采用扩束棱镜的工作原理连接光纤信号，“移植”水下插拔电连接器设计思路，在充油密封舱中实现光纤对接耦合，解决连接器水下使用的整体密封性能，但缺陷是端面清洁困难，插损不稳定；另一类型水下连接与分离光纤连接器采用普通光纤连接器改造而成的，主要在水下连接之前，在光纤连接器的插头与插座端面涂有光学匹配液，通过挤出光学匹配液清除光接口的污染，保证光纤端面接触^{[2] [3] [4]}。

2 水下插拔连接器的密封原理

水下连接器的密封基本利用橡胶的自紧密封机理实现密封，对于水下插拔密封端面，目前主流密封结构也基本采用此原理。自紧密封源自于橡胶的体积在常压下很难被压缩变小，相关数据表明：碳氟化合物（FPM）在压力达到1000MPa时，测试宽度缩小率仅为5%，当橡胶密封体受到轴向压力会产生变形，由于橡胶密封材料的泊松比比较大，它将会在两外两个方向也产生变形，用方程可以描述为：

式中：E：密封材料杨氏弹性模量，εi：外力作用下产生的应变，ν：密封材料泊松比，σi：接触应力

利用外压的力量将其转换为密封件的接触应力，这就是自紧密封机理。取密封件上的任意微小单元作为分析对象，见图1所示。 

图1 压力作用下的贴合面接触应力

在预紧力和工作水深压力的作用下，两层贴合面之间产生的接触应力为：

式中：P：工作水深压力，σ₀：预紧接触应力，σ_p：贴合面接触应力。

选用的密封橡胶材料在实际工作压力下的体积变化率是非常小的，可以忽略不计，一般密封材料的泊松比接近0.5，所以采用橡胶材料的密封结构，其贴合面接触应力σ_p永远会比工作水深的压力P大，实现自紧密封原理^[5]。

3 水下插拔连接器的密封设计

水下插拔连接器的重要作用体现在海洋探测及组网装备中，为其外接接口提供稳定可靠的水下插拔接口及扩展口，因此，水下插拔技术中，主要难点也体现在光纤及光电复合状态下的水下插拔功能结构实现。目前，具备独立研制光电复合功能的水下插拔连接器厂家也不多，如：Deutsch、Hydro Group、Ge Oil and Gas、GISMA、MacArtney、POWERSEA、RMSpumptools、Schlumberger、SEA CON Group、Siemens、Souriau、Teledyne ODI等均可以提供水下插拔电连接器，但对于光电复合的水下插拔连接器，却只有Hydro Group、MacArtney、SEA CON Group、Teledyne ODI等为数不多的厂家可以提供。

普通水下连接器采用人工方式实现插拔或者连接，因而可以采用相对较为复杂的连接方式，如螺纹、卡口等，并通过操作人员通过眼与手的协调控制实现连接。而水下插拔连接器在深海环境下必须由操作人员通过水下机器人进行操作对接或者分离，并通过摄像头进行观察，因此，在动作上上无法达到人工操作的灵活性、精确性及快速性。在适应水下机器人操作的接口上，如下图2所示连接器尾部通过安装不同手柄，适应水下机器人的机械手抓取；另一方面，密封结构也必须适应机器人的操作工艺要求。

图2 推拉式工作原理图

3.1 端面密封结构

连接器的端面密封结构是一个动密封结构，同时端口打开/闭合动作不能过于复杂，这就要求密封结构应小巧、紧凑，以免连接器本身太重或者操作程序复杂，导致机器人无法实现插拔功能。正常情况下，机器人只能实现往复直线运动及旋转运动，要求机器人通过简单的直线运动，连接器内部根据需要可以自行将端口打开或者闭合。对于插拔过程中的密封控制技术是其关键技术之一，普通水下连接器由于在岸上进行连接，所以仅需要考虑连接后的密封性能即可，但水下插拔连接器的插拔及分离始终处于海水环境中，任何一个环节发生密封失效将导致严重后果。

3.2 密封可靠性

水下插拔连接器主要应用于大型水下探测网络中，需要面临工作在远海海域，所以耐高水压密封性能非常重要，同时密封性能需要考虑到海水腐蚀、海生物生长、海流冲击等影响。在密封原理上，一般预紧力愈大密封效果越好，但在端口部位的过大的预紧力往往会造成连接器插拔力的成倍增加，导致水下机器人难以实现操作。深海环境下的水下设备基本采用充油压力平衡模式以提高密封可靠性能，不仅可以保护原有的密封体系免受过大压差的作用，同时利用填充的特种胶体可以增加一层密封保护层，其示意图见图3所示。

图3 自适应装置原理示意图

4 国外典型水下插拔连接器的结构设计

国外发达国家对于水下插拔连接器的研发起步较早，产品成熟度和可靠性较高，并已投入工程化应用，作为水下连接器中的高端产品，水下插拔连接器的核心就是端面密封技术，通过稳定可靠的端面自动闭合密封/打开结构，确保连接器能够在水下实现耐水压插拔功能。

4.1 Rolling-Seal连接器及NRH连接器

Rolling-Seal连接器及NRH连接器的光单元密封结构示意图如图4a所示，非工作状态下，密封件中的光通道与端面平行，阻止海水渗入，因此可以保证内部密封；需要进入对接状态前，随着插头插入插座过程中，通过连接器内部的结构控制密封件旋转，在保证密封条件下完成光通道连通、对接。NRH连接器内部的大功率电源导体密封结构示意图如图4b所示。

4.2 I-CONN连接器

I-CONN在结构尺寸上及空间利用率上高于Rolling-Seal连接器及NRH连接器，密封原理图如图4所示。连接器的插头及插座通过各自的锁紧机构将其内部密封体的工作端口闭合，防止外界污染物进入光插芯周围，通过充油实现二次密封。对接的过程中，插头、插座内密封体的端面首先贴合，隔离外界污染物；在操作力作用下，插头向插座内部沿轴向移动，此时插头、插座内部的密封体相对锁口部位产生相对滑动；当密封体的工作端口滑离锁口部位时，锁口机构不再对密封体的工作端口提供闭合作用力，插头、插座内部的工作端口全部打开，实现内部的光纤插芯对接耦合。

图5 I-CON连接器端面密封原理示意图

4.3 Hydralight连接器

Hydralight连接器具有体积小、质量轻、结构紧凑等特点，密封原理图如图6所示，插头的光纤及电插芯安装于外壳中，其开口通过内部的可滑动的活塞轴进行密封，而插座中的光纤插芯及电插芯则安装于轴芯中，开口通过轴芯外部的可滑动套筒进行密封，这样在分离状态下，两者均可以防止外界污染物进入光插芯周围，并通过填充隔水光学匹配液实现二次密封效果；进行连接时，插头在插座导向孔的作用下前进，将插头的活塞轴和插座的密封套筒推动滑行，直至将各自的插芯端口打开，然后完成光纤对接耦合及电插芯的对接。

图6 Hydralight连接器端面密封原理示意图

结 语

我国已经开启海洋大规模建设，这为光电复合水下插拔连接器的应用提供了较大的技术平台，水下插拔光电复合连接器在今后的海洋工业以及海防军事建设中是拥有自己空间，通过水下插拔光电复合连接器实现数据、电源以及控制信号的透明复接，为用户提供方便、快捷的操作使用，大大提升整体功能；同时水下插拔连接器可以在水下自由拆除或者增加需要的设备仪器，方便水下工程升级换代，同时为维护提供新的方式。随着海洋开发与建设的规模在不断扩大，未来将海洋系统工程在工作水深、离岸距离都在不断增加，规模化、复杂化上的提升都会给平台搭建带来极大风险，通过水下插拔连接器可以大幅降低系统工程的组建风险和改进维护、维修性能，因此水下插拔连接器也是这些系统工程的关键部件，它对于我国今后的海洋建设起着重要的作用。

我国在这个领域处于起步阶段，与国外差距较大，在关键技术指标上及可靠性上目前仍无法达到工程应用要求，体现在容纳的光电芯数、工作水深、实际项目应用验证等。希望通过借鉴国外先进的技术，可以启发我们的设计灵感，缩短研发周期，为海洋建设而尽早研发出我们自己的水下插拔连接器。

【参考资料】

[1] J. Cairns. Hybrid Wet-Mate Connectors: Writing the Next Chapter[J]. Sea Technology，1997（7）：

[2] Stewart Barlow. Advances in undersea connector technology improve efficiency[J]. Lightwave Special Reports，1999（8）：

[3] Dave Jenkins and Stewart Barlow. Very High Performance, Small Form Factor, Harsh Environment Fiber Optic Connector[C]. Oceans Proceedings, US：IEEE ，2003（4）：

[4] Perry Wright, Stewart Barlow and Anton Brees. The Development and Application Of HT/HP Fiber-Optic Connectors For Use On Subsea Intelligent Wells[J]. Canadian journal of Latin American and Caribbean studies, 2003, 25(32):257-259

[5] HeinzK.Muller，BernardS.Nau著，程传庆译. 流体密封技术——原理与应用. [M].北京:机械工业出版社. 2002

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