CN115173136A - 海底连接器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海底连接器，具体而言涉及用于海底连接器的插头部分(70)，该连接器包括插头(1)和插座(2)。插头部分包括一个或更多个母导电接触组件(18)，各母导电接触组件包括母接触件(51)，该母接触件(51)包括内导电表面和外导电表面(55、56)，内导电表面限定一个或更多个母导电接触组件的腔室，并且各母接触件单元还包括梭动销(10)，该梭动销(10)适于接收插座(2)的公接触插针(52)。母接触组件(18)还包括固体绝缘体(50)和孔口(42)，该固体绝缘体(50)安装在外部表面的径向外侧，并在母接触件的外表面(56)和固体绝缘体的内表面(57)之间形成环(40)，该孔口(42)形成在腔室与环之间。

Description

海底连接器

技术领域

本发明涉及一种海底或水下连接器和操作该连接器的方法。

背景技术

海底或水下连接器设计成用于在水面下工作。通常，海底连接器包括通常称为插头和插座的两个部分。插座可包括一个或更多个导体插针，并且插头可包括用于插座导体插针的对应的插头插口。该连接可在水上(干式插接)或海底(湿式插接)进行，并且具体设计根据连接器是湿式插接还是干式插接连接器来调整。海底连接器有着各种应用，包括向海底设备供电的功率连接器，或在海底设备的不同部分之间或在海底设备与水上装置之间交换数据的控制和仪表连接器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于海底连接器的插头部分，连接器包括插头和插座，插头部分包括一个或更多个母导电接触组件，各母导电接触组件包括母接触件，母接触件包括内导电表面和外导电表面，内导电表面限定一个或更多个母导电接触组件的腔室；各母接触组件还包括在腔室内的梭动销，该梭动销适于接收插座部分的公接触插针；其中，一个或更多个母接触组件中的各个还包括固体绝缘体，固体绝缘体安装在外导电表面的径向外侧，并在母接触件的外导电表面与固体绝缘体的内表面之间形成环；其中，一个或更多个母接触组件中的各个还包括母接触件中的孔口，孔口在环与腔室之间提供流体通道，由此容纳在由环、孔口和腔室形成的封闭容积中的流体可在环与腔室之间流动。

环和母接触件腔室中的至少一者可容纳压力补偿绝缘流体。

固体电气绝缘材料与流体填充的环的结合使得能够通过流体在母接触件内侧与环之间的移动来提供压力补偿，同时通过使用固体绝缘、而非使用都可透水并随时间退化的油和弹性体隔膜来提高连接器的电气绝缘阻抗。

插头部分还可包括隔膜，隔膜安装在固体绝缘体的径向外侧，并限定形成在环的外表面和隔膜的内表面之间的副流体腔。

封闭容积还可包括副流体腔。

隔膜安装在固体绝缘部的外侧，并且在固体绝缘体的外表面与隔膜的内表面之间形成的流体腔与环流体连通，从而使得能够进行压力补偿。

可在副流体腔中提供压力补偿绝缘流体。

压力补偿流体可包括电气绝缘流体。

在环与副流体腔之间可形成有通道。

这允许压力补偿流体在环与流体腔之间移动，并且隔膜的柔性允许流体腔相应地膨胀和收缩。

压力补偿流体可包括油。

压力补偿流体被选择为是电气绝缘的，以提高总体电气绝缘阻抗，但不是绝缘阻抗的主要来源。

母接触件还可包括一个或更多个孔口，以允许压力补偿流体在母接触件的内表面的腔室与环之间通过。

在接触插针的主体中提供至少一个孔口改善了在插接和拆开期间在接触插针与环之间的流体流动。

固体绝缘体可包括聚合物或热塑性材料，特别是聚醚醚酮(PEEK)或聚酰胺酰亚胺(PAI)。

高性能聚合物材料提供良好的电气绝缘、长期机械稳定性、以及与油的不反应性。

插头可包括多个母接触件和对应的固体绝缘体。

本发明特别适用于由于尺寸小、使用常规的油和隔膜技术难以单独提供有效电气绝缘的多插针连接器。

根据本发明的第二方面，湿式插接海底连接器包括根据第一方面的插头和插座。

附图说明

现在将参照附图描述根据本发明的海底连接器和相关操作方法的示例，在附图中：

图1示出了在插接之前的、可使用根据本发明的插头部分的插头和插座的示例；

图2更详细地示出了在插接之前的、用于海底连接器的插头的示例，该插头包括根据本发明的插头部分；

图3更详细地示出了在插接之后的、用于海底连接器的插头的示例，该插头包括根据本发明的插头部分；

图4示出了根据本发明的插头部分的截面；

图5更详细地示出了图4的插头部分的一部分；

图6是根据本发明的插头部分的一部分的立体视图，其中，梭动销露出；以及

图7是根据本发明的插头部分的一部分的立体视图，其中，梭动销缩回并且隔膜处于适当位置。

具体实施方式

降低与新的深水油气开发有关的总生命周期成本(即，降低资本支出(CAPEX，capital expenditure)和管理支出(OPEX，operational expenditure)两者)的趋势意味着需要改进现有的设计、制造工艺和操作。期望海底连接器系统具有较低的成本，能够相对快速和容易地安装，并且减少维护要求，或者减少在整个工作寿命期间对它们所连接的系统具有影响的干预需要。因此，需要在更长时间周期内持续工作而不退化的连接器。

通常，用于不同应用的连接器可以是单路或多路连接器。例如，4路连接器可用于输送功率，或者12路连接器可用于通过适当的海底仪器接口标准传输数据。对于模拟装置，可以是1级，对于数字串行设备，例如CANopen，可以是2级，或者在利用以太网TCP/IP的情况下，可以是3级。其他数据连接器包括光纤连接器。湿式插接的控制连接器通常具有大量的细导体插针，以便在单根控制电缆中可以容纳去往产品不同部分的多个控制信号。例如，设备的不同部分上的多个海底传感器(例如流量传感器、温度传感器或压力传感器)各自都需要具有单独的通信路径，以便可以询问、监测它们，并且如果需要，可以给致动器供能，例如以便打开或关闭阀，或者启动或停止泵。为了向海底设备供应功率，使其能够工作，例如以便关闭阀门或驱动泵，可需要功率传输。湿式插接功率连接器可以具有单插针和插口组件，或者可以是多路连接器，但通常比控制或通信连接器具有更少、更大的插针。

海底连接器插头内的母接触件通常被容纳在弹性体隔膜内的介电油包封，单个隔膜围绕单个接触件，各接触件在前面由滑动活塞或梭动销密封，当相同尺寸的公接触插针与母接触件接合并穿过隔膜开口时，梭动销缩回母接触件中，从而维持密封。电接触件的绝缘阻抗受介电油的绝缘阻抗限制。然而，已知介电油的绝缘性能会随着时间而退化，并且潮湿是重要的退化机制。连接器的多次插接/拆开会导致一些水进入连接器中，并且穿过弹性体的渗透会导致水含量增加，且从而导致介电油的吸湿，这与油的绝缘阻抗的降低直接相关。

常规来说，湿式插接插头和插座依赖于插头中的充油的隔膜来为导体插针提供电气绝缘。随着导体尺寸的减小，此种部分的组装变得更困难。因此，与连接器及其内的插针小得多的多路通信连接器相比，具有单个相对大的插针的功率连接器更容易受到充油隔膜保护。特别是对于多个较小的导体插针，给隔膜充油和测试的过程是困难的。

根据本发明的海底连接器包括插头部分1和插座部分2，如图1a和1b所示。这些图中示出的示例中的插头部分1包括ROV飞线插头连接器108，并且这些图中的插座部分2包括ROV穿壁式插座连接器109，但本发明适用于任何形式的海底连接器，例如，插头部分和插座部分可为用于stab型或diver型插接连接器的部件。然而，下文描述的插头和插座主体的构造和操作的细节是相同的。本发明的插头1和插座2包括壳体70、80，并且对于ROV连接器的特定示例，ROV手柄连接到ROV飞线后端组件115中，该组件可接收连接于安装区段111的电缆或软管113。附加的ROV插头附件117可通过插头主体110安装在插头前端壳体70中，该插头主体110具有数据和功率接触件，以从插座接收相对应的数据和功率插针52。对应的ROV穿壁式插座连接器80包括前部区段中的ROV插座附件118和在安装区段112后面的挡壁后端116。从电缆终端114进入后端116中的导体可与插座主体中的导体插针52连接。当插接时，插座插针52和插头接触件51电气接触。

本发明的连接器插头1解决了上述组装和保护问题，如图2中更详细地说明的那样。梭动销10安装在梭动销弹簧11上以用于移动。梭动销弹簧安装在由电气绝缘材料制成的插头主体19中的插口接触子组件18中。梭动销的远离梭动销弹簧11的一端相对于主隔膜13的主隔膜前密封部12密封，而梭动销10的另一区段14相对于副隔膜16的副隔膜密封部15密封。如图2所示，当拆开时，在主隔膜密封部12和副隔膜密封部15之间形成间隙17a。梭动销10的轮廓沿其长度变化，具体而言，形成抵靠前密封部12和后密封部15对应表面的肩部。主介电油腔20形成在两个隔膜13、16之间，且副介电油腔22在插头主体19内形成在固体绝缘体50的外表面与副隔膜16的内表面之间。主隔膜中的弯曲部21提供轴向顺应性。副隔膜16的顺应性允许其在压力补偿流体进出副流体腔22时挠曲。图1和图2示出了在与连接器的插座插接之前的插头。图3显示了与插座插接对插头密封部的影响。

插头1制造成具有插口子组件18的母接触件51，其通常由中空金属柱体形成，母接触件内形成有腔室，腔室由内导电表面限定。固体绝缘层50安装在母接触件51的径向外侧。母接触件包括第一区段和第二区段，在第一区段上模制固体绝缘部，使得固体绝缘部与该区段紧密接触，在第二区段中，在母接触件51的外导电表面55与固体电气绝缘层50的内表面57之间形成环40。提供孔口42，通过该孔口42可使流体在腔室与环之间流动。当没有插座插针52存在以将梭动销10推入插口接触件中时，插口接触件腔室内的梭动销10以常规方式密封接触件腔室。然而，代替依靠充油的隔膜来提供电气绝缘，母接触件的电气绝缘通过由形成环40的固体绝缘层50提供。

环40本身可被流体填充以提供压力补偿，利用流体在接触件腔室、接触件51内、通过孔口42、到环40和副流体腔22之间的移动，以用于在插接和拆开期间进行压力补偿。副流体腔22用作储存器以容纳流动的油，并且由于它由柔性材料(诸如橡胶)构成，它允许储存器进行压力补偿。然而，提供流体压力补偿的方式(在本示例中是借助于柔性隔膜)并不是提供压力补偿的唯一方式，并且可用其他合适的压力补偿机构来替换副流体腔。从环到副流体腔的流体流经过通道41。尽管流体通常是绝缘油，但流体的任何电气绝缘效果仅是次要的，并且不必依赖压力补偿流体作为绝缘介质。

固体绝缘部可为聚合物或热塑性材料，例如聚醚醚酮(PEEK)，或其他高性能聚合物材料，例如聚酰胺酰亚胺，其沿着插口组件18的全长延伸，从而沿着接触件的部分长度形成流体填充的环40。插口接触件51的主体中的孔口42增强了在环40和插口接触件腔室之间的流体流动。由腔室、孔口和环形成封闭容积。从环40到副隔膜16的副流体腔22的流体流动可通过在环的一端处提供通道41或其他开口来实现。在该情况下，封闭容积包括副流体腔22。连接器的绝缘阻抗通过包覆模制的插口组件而提高。通过在母接触件周围的绝缘系统中引入在大量环境条件下保持稳定的电气性能并最大限度地减少对介电油依赖的固体电介质，提高了连接器的绝缘阻抗的总体稳定性。

图4是插接时的插头主体70和插座主体80的截面，且图5示出了其一部分的更多细节。在操作中，当插座的公插针52被引入母插口51中时，在公插针52将梭动销10推回到其弹簧11上时，一定量的流体被移位到插头主体中，如图所示。被维持在导电母插口51的一部分和固体电介质50之间的环40与副隔膜的副流体腔22相结合，确保了通过允许流体流穿过在环和隔膜之间的通道41并穿过孔口42来补偿此种流体移位。因此，该结构包括导电管，该导电管在两个同心绝缘部的中心并与两个同心绝缘部同轴地形成插口接触件，第一内绝缘体是压力补偿流体，在本例中是油，且第二外绝缘体是固体绝缘体，在本例中是PEEK。

导电母接触件51位于固体绝缘部的孔口中，在固体绝缘部50和电接触金属筒51的外表面56之间有环40。充油的第二隔膜16流体腔22通过呈特征41的通道和开口以及孔口42与环40和插口接触件的腔室交换油。根据本发明的设计的主要优点是降低了对油的电气性能的依赖，因为油主要用于压力补偿，并且改善了总体电气性能。另一个好处是，单个壳体内的多个接触件和在一个弹性体隔膜内的多个绝缘体带来了部件的整合，并改善了隔膜的组装和充油的容易性。

总而言之，用于海底连接器的插头1包括一个或更多个母电气接触件51，各接触件包括空心筒，该空心筒具有内导电表面55和外导电表面56(通常是金属，例如铜或铜合金)，以及适于接收插座2的母接触插针52的梭动销10。安装在母接触件51外导电表面56的径向外侧，沿其长度的一部分，插头1还包括固体绝缘体50，使得在母接触件的外部表面56与固体绝缘体的内表面57之间形成环40。如图6所示，固体绝缘体可围绕形成数据线束54的导电接触件51形成。固体电气绝缘材料50与围绕插头的母接触件的填充有流体的环40结合，通过流体经由孔口42在母接触件51内侧的腔室和环40之间的移动，或者通过通道41在环40和隔膜的副流体腔之间的移动，能够提供压力补偿。与常规的油和弹性体隔膜设计相比，固体绝缘部50提高了连接器的电气绝缘阻抗。

如图7所示，隔膜16可安装在固体绝缘部50的径向外侧以形成副流体腔22。形成在母接触件51周围的固体绝缘部通过通道41通到安装在固体绝缘部外侧的隔膜16的流体腔22。隔膜16的柔性使得流体能够被压力补偿。当拆开时，梭动销10(如图7所示，在其插接位置中缩回到母接触件51的腔室内)密封形成在母接触件51中的、梭动销10在其中移动的腔室，因此将流体容纳在母接触件腔室内。在插接过程中，流体被从接触件腔室51内推出并穿过孔口42进入环40中。在插头与连接器的插座拆开期间，流体能够经由孔口42从环40流回，并且如果可能的话，从副流体腔22流回到接触件腔室中。在环40、隔膜流体腔22中并且在母接触件腔室51中提供的压力补偿流体可为绝缘流体，诸如油，这进一步提高了总的电气绝缘阻抗，但是油不是绝缘阻抗的主要来源，因此连接器更可靠，因为它不依赖于流体或随着时间的推移变得可渗透的材料。

通过在接触件主体51的区段中提供一个或更多个孔口42，以允许绝缘流体在插口接触件和环之间通过，且然后通过通道41到达形成在补偿隔膜16和环40之间的腔22，从而促进母接触件51和环40之间的流体流动。固体绝缘体50可包括聚合物或热塑性材料，特别是PEEK，或具有良好电气绝缘特性的其他固体材料。尽管插头可只有一个母接触件用于从插座接收单个公接触插针，但更常见的是，插头包括多个接触件51和围绕各接触件的对应的固体绝缘体50。该设计允许用于所有接触件的公共的隔膜。本发明特别适用于由于尺寸小，使用常规的油和隔膜技术难以单独提供有效电气绝缘的多插针连接器。

尽管上面已经参考各种实施例描述了本发明，但应当理解，可对所描述的实施例进行许多改变和修改。因此，应当将前述描述视为说明性的而非限制性的，并且应当理解，实施例的所有等同物和/或组合都应包括在本描述中。

上述示例仅仅是为了说明而提供的，并且绝不应解释为对本文中公开的本发明的限制。尽管已经参考各种实施例描述了本发明，但应当理解，本文中使用的词语是描述性和说明性的词语，而非限制性的词语。此外，尽管在此参考了特定的装置、材料和实施例描述了本发明，但本发明并不旨在限于本文中公开的细节；相反，本发明扩展到例如在所附权利要求的范围内的所有功能等同的结构、方法和用途。受益于本说明书教导的本领域技术人员可对其作出许多修改，并且可在不脱离本发明的范围的情况下在其各方面进行改变。

应当注意，术语“包括”并不排除其他元素或步骤，并且“一”或“一个”并不排除多个。可将与不同实施例相关联地描述的元件组合。还应注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。尽管通过优选实施例详细说明和描述了本发明，但本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域技术人员可在不脱离本发明范围的情况下从中衍生出其他变型。

Claims (11)

1.一种用于海底连接器的插头部分，所述连接器包括插头和插座，所述插头部分包括一个或更多个母导电接触组件，各母导电接触组件包括母接触件，所述母接触件包括内导电表面和外导电表面，所述内导电表面限定所述一个或更多个母导电接触组件的腔室；各母接触组件还包括在所述腔室内的梭动销，所述梭动销适于接收插座部分的公接触插针；其中，所述一个或更多个母接触组件中的各个母接触组件还包括固体绝缘体，所述固体绝缘体安装在所述外导电表面的径向外侧，并在所述母接触件的外导电表面与所述固体绝缘体的内表面之间形成环；其中，所述一个或更多个母接触组件中的各个母接触组件还包括所述母接触件中的孔口，所述孔口在所述环与所述腔室之间提供流体通道，由此容纳在由所述环、孔口和腔室形成的封闭容积中的流体能在所述环与所述腔室之间流动。

2.根据权利要求1所述的插头部分，其中，所述环和所述母接触件腔室中的至少一者容纳压力补偿绝缘流体。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的插头部分，其中，所述插头部分还包括隔膜，所述隔膜安装在所述固体绝缘体的径向外侧，并限定形成在所述环的外表面和所述隔膜的内表面之间的副流体腔。

4.根据权利要求3所述的插头部分，其中，所述封闭容积还包括所述副流体腔。

5.根据任一前述权利要求所述的插头部分，其中，在所述副流体腔中提供压力补偿绝缘流体。

6.根据任一前述权利要求所述的插头部分，其中，在所述环与所述副流体腔之间形成有通道。

7.根据至少权利要求2所述的插头部分，其中，所述压力补偿绝缘流体包括油。

8.根据至少权利要求2所述的插头部分，其中，所述母接触件还包括一个或更多个孔口，以允许所述压力补偿绝缘流体在所述母接触件的内表面的腔室与所述环之间通过。

9.根据任一前述权利要求所述的插头部分，其中，所述固体绝缘体包含聚合物或热塑性材料，特别是聚醚醚酮(PEEK)或聚酰胺酰亚胺(PAI)。

10.根据任一前述权利要求所述的插头部分，其中，所述插头包括多个母接触件和对应的固体绝缘体。

11.一种湿式插接海底连接器，其包括插头和插座，其中，所述插头包括根据任一前述权利要求所述的插头部分。

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