EA007886B1 - Электрический соединитель - Google Patents

Abstract

Раскрываются электрический соединитель и способ изготовления электрического соединения для использования в особо жестких условиях, таких как прикладные задачи нефтедобычи в нисходящих скважинах. Изобретение обеспечивает очень высокую электрическую целостность и способность выдерживать установившиеся или флюктуирующие механические силы, действующие через кабель на соединитель. Излагается взаимосвязь между механическими и электрическими аспектами конструкции, в которой изолирующий элемент, посаженный с кольцевыми отгибами, действует совместно с механически мягким, по существу, несжимаемым, электрически изолирующим веществом (гелем), побуждая вибрации с большей вероятностью рассеиваться в кабеле по всей длине изолированных жил внутри соединителя, а не в единственной точке, в которой вибрации могли бы вызвать отказ жилы. Кроме того, обеспечиваются кольцевые хомуты геля между изолирующим элементом и обжатыми соединениями штырек-жила, а также между кольцевыми отгибами и изолированными жилами, давая дополнительную амортизацию. То обстоятельство, что изоляция жилы сидит глубоко внутри кольцевого отгиба изолирующего элемента и гелевых хомутов, создает хорошую электрическую поверхность раздела с большим расстоянием скользящего разряда. Способ раскрывает создание гелевых хомутов, центрирование контактных штырьков и изолированных жил, а также сборку соединителя.

Description

Область изобретения

Настоящее описание относится к электрическим соединителям, которые должны передавать очень высокие мощности в компактных пространствах во вредных окружающих средах, и охватывает как конструкцию соединителя, так и способ его сборки в полевых условиях.

Уровень техники, к которой относится изобретение

Нефтяная промышленность постоянно должна бороться с некоторыми из наиболее суровых условий окружающей среды. Они включают температурные вариации в широком диапазоне, например, от -40°С (хранение оборудования в Штате Аляска) до +120°С (в нисходящей скважине), термические удары, высокие давления, а также высококоррозионные, абразивные условия окружающей среды. Далее, часто главным фактором является механический удар, а также усталость, обусловленная, в частности, вибрациями, вызванными потоком текучей среды вокруг соединителя. Типичная установка изображена на фиг.1, на которой устье скважины 1 изображено находящимся на морском дне 2. Обсадная колонна 4 ствола скважины подвешивается из трубомонтажного эллинга 3 и поддерживает множество приборов, например электрический погружаемый насос (Е8Р, ЭПН) 5, который подключается через защищенный кабель 6. Ключевым прибором является соединитель 7 удлинителя подводящих проводов электропитания (МЬЕ), который иногда называют «кабельной манжетой».

Настоящее описание относится, в частности, к соединителям 7, например, таким, которые являются недоступными после установки в рабочее положение и должны служить, по меньшей мере, до окончания срока службы насоса 5.

Предыдущий опыт с доступными в настоящее время соединителями 7 оказался неудовлетворительным, поскольку промышленно изготовляемые модули часто страдают из-за проблем, связанных с температурными вариациями, из-за возникающих результирующих механических напряжений, а также электрических отказов, обусловленных эффектами перемещения контактов под действием тепла или рабочего давления. Одной частной проблемой является вибрация, вызванная высокой скоростью потока нефти и/или газа в обсадной колонне 4. Другим фактором является то, что кабель 6 должен быть отрезан точно по длине так, чтобы имелась минимальная длина свободного кабеля, поскольку нежесткое закрепление может приводить к повреждению кабеля вследствие истирания и/или соударений, по мере того, как кабель извивается в обсадной колонне 4. Высокочастотные вибрации, даже очень малой амплитуды, могут в течение некоторого времени создавать значительный разрушительный эффект на кабеле, например усталость, протирание изоляции и т. д.

Кабель 6 присоединяется к соединителю 7, и именно последний должен эффективно обеспечить «реакцию» на эти вибрации. Таким образом, «жилы» внутри соединителя 7 подвержены воздействию сил высокой частоты, циклическим осевым и изгибным силам. Действие указанных сил состоит в ослаблении соединения как механически, так и электрически, и обычно ведет к преждевременному электрическому отказу с серьезными последующими производственными потерями.

Как уже объяснялось, соединитель обеспечивает «механическую реакцию», то есть действие в режиме штырькового соединения или с защемленными концами. Некоторые современные соединители используют многослойный спрессованный диск из металла-резины, образуя герметизирующую прокладку. Он может давать течь из-за эффектов термоциклирования, а также давать усадку, когда при охлаждении резина полностью не покрывает свой первоначальный размер. (На практике при работе обычно он предназначен для опускания в скважину, либо для технического обслуживания нисходящей скважины, или для работы на морском дне или поверхностном оборудовании; это обеспечивает возможность термоциклирования от 100 до 4°С (температура на морском дне) и обратно). Здесь точка реакции находится там, где проводник вступает в контакт посредством прижатого или паяного соединения.

В других случаях используется формованная резина, и здесь точка реакции находится там, где изолируемая жила входит в резиновый изолятор. Ясно, что для минимизации эффектов усталости необходимо, насколько это возможно, распространить реакцию по всей осевой длине.

На практике в настоящее время кабели 6 и соединители 7 собирают в заводских условиях с фиксированными длинами, часто 16,76 м (55 футов). Хотя известны средства укорачивания кабелей, например путем охлаждения, пространство в обсадной колонне 4 или устье скважины 1 является чрезвычайно ограниченным. Кроме того, кабель 6 является армированным и его не легко сгибать. Дополнительные резкие изгибы создают в кабеле ненужные напряжения.

Таким образом, имеется потребность в высокомощном прецизионном электрическом соединителе, способном передавать большую мощность, который может быстро и надежно собираться на месте, и с точной длиной кабеля, предпочтительно полуквалифицированным персоналом. Предпочтительно, такие соединители должны быть способны выдерживать внешние силы, приложенные к ним, без ухудшения.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению обеспечивается электрический соединитель, соединяющий кабель к запитываемому прибору, соединитель, дополнительно содержащий:

ί) многожильный изолированный электрический кабель;

ίί) электрические соединители, прикрепляющие отдельные жилы к отдельным контактным штырькам;

- 1 007886 ίίί) отдельные контактные штырьки, жестко сцепляемые внутри изолирующего элемента;

ίν) гибкую манжету, наполненную механически мягким, по существу, несжимаемым, электрически изолирующим веществом;

ν) корпус, обеспечивающий уплотнение с изолирующим элементом, а также с запитываемым прибором/дополнительным соединителем; и νί) зажим, способный зажимать и прикреплять электрический кабель в корпус, отличающийся тем, что соединитель может быть поставлен частично предварительно собранным в мастерской с окончательной сборкой, выполняемой на месте персоналом относительно низкой квалификации, для того, чтобы создать кабель и соединитель определенной длины, и в котором, когда на соединитель через кабель прикладываются внешние силы, они рассеиваются распределенным образом по растянутой длине изолированных жил внутри соединителя, и в котором концы контактных штырьков, не прикрепленные к жилам кабеля, способны соединяться к записываемому прибору/дополнительному соединителю.

Согласно первому варианту воплощения устройства настоящего изобретения многожильный кабель является армированным.

Согласно второму варианту воплощения устройства настоящего изобретения отдельные жилы прикрепляются к контактным штырькам посредством обжимания.

Согласно третьему варианту воплощения устройства настоящего изобретения пружинные кольцевые замки обеспечивают жесткое сцепление для отдельных контактных штырьков внутри изолирующего элемента, а О-кольца обеспечивают герметизацию, чтобы исключить проникновение рабочей среды из области электрических соединений.

Согласно четвертому варианту воплощения устройства настоящего изобретения изолирующий элемент снабжается кольцевыми отгибами вокруг отдельных электрических проводников, когда они входят в изолирующий элемент.

Согласно пятому варианту воплощения устройства настоящего изобретения кольцевые отгибы вокруг отдельных электрических проводников, когда они входят в изолирующий элемент, имеют цилиндрическую форму.

Согласно шестому варианту воплощения устройства настоящего изобретения механически мягкое, по существу, несжимаемое, электрически изолирующее вещество заливается в нужное место в виде жидкости и впоследствии полимеризуется.

Согласно седьмому варианту воплощения устройства настоящего изобретения механически мягкое, по существу, несжимаемое, электрически изолирующее вещество заливается в нужное место так, чтобы избежать включения воздушных пузырьков.

Согласно восьмому варианту воплощения устройства настоящего изобретения между частями изолирующего элемента и изолированными жилами обеспечиваются кольцевые каналы, так, чтобы жидкость заполняла каналы и полимеризовалась, становясь механически мягким, по существу, несжимаемым, электрически изолирующим амортизатором между изолирующим элементом и изолированной жилой.

Согласно девятому варианту воплощения устройства настоящего изобретения кольцевые каналы, обеспеченные между частями изолирующего элемента и изолированными жилами, имеют форму правильных цилиндров.

Согласно десятому варианту воплощения устройства настоящего изобретения кольцевые каналы, обеспеченные между частями изолирующего элемента и изолированными жилами, имеют форму конических цилиндров.

Согласно одиннадцатому варианту воплощения устройства настоящего изобретения механически мягкое, по существу, несжимаемое, электрически изолирующее вещество заливается в нужное место как часть стадий предварительной сборки.

Согласно двенадцатому варианту воплощения устройства настоящего изобретения обеспечивается формующий инструмент для использования на стадиях предварительной сборки, предназначенный для заполнения гибкой манжеты механически мягким, по существу, несжимаемым, электрически изолирующим веществом.

Согласно тринадцатому варианту воплощения устройства настоящего изобретения обеспечиваются зажимные приспособления и/или инструменты для использования на заключительных стадиях сборки, предназначенные для обжимания и для центрирования контактных штырьков и изолированных жил для посадки в изолирующий элемент.

Согласно настоящему изобретению раскрывается способ изготовления электрического соединения, содержащий шаги:

ί) обеспечение компонентов для соединения;

ίί) посадка гибкой манжеты поверх изолирующего элемента;

ίίί) заполнение пустоты внутри манжеты механически мягким, по существу, несжимаемым, электрически изолирующим веществом, так, чтобы обеспечивалось пространство, в которое впоследствии должны быть посажены контактные штырьки и изолированные жилы;

- 2 007886 ίν) посадка заполненной субсборки изолирующий элемент-манжета в корпус и создание уплотнения между субсборкой и корпусом;

ν) отматывание многожильного электрического кабеля и обрезка до нужной длины;

νί) размещение кабельной лапки поверх кабеля;

νίί) подготовка соответствующей длины изоляции на каждом проводнике и оголение каждой жилы до нужной длины;

νίίί) вставка каждого оголенного проводника в подготовленную часть контактного штырька и закрепление в нужном положении;

ίχ) изгибание сборок проводник-штырек для центрирования проводников и штырьков, чтобы посадить их в области пространства, обеспеченные в манжете и в механически мягком, по существу, несжимаемом, электрически изолирующем веществе и изолирующем элементе;

х) вставка каждой субсборки контактного штырька и соединителя через отверстия в манжете, через проходы в механически мягком, по существу, несжимаемом, электрически изолирующем веществе и в изолирующий элемент;

χί) осуществление жесткого сцепления контактных штырьков с изолирующим элементом и формирование уплотнения с изолирующим элементом; и χίί) закрепление зажима кабеля.

Согласно первому варианту воплощения способа настоящего изобретения обеспечивается ручной инструмент для создания проходов для изолированных жил, чтобы заполнять манжету механически мягким, по существу, несжимаемым, электрически изолирующим веществом.

Согласно второму варианту воплощения способа настоящего изобретения механически мягкое, по существу, несжимаемое, электрически изолирующее вещество помещается внутри гибкой манжеты с использованием шприца.

Согласно третьему варианту воплощения способа настоящего изобретения обеспечивается ручной инструмент для подготовки изоляции на проводниках и для обрезки и удаления изоляции, чтобы оголить нужную длину жил.

Согласно четвертому варианту воплощения способа настоящего изобретения обеспечивается шаблон для центрирования контактных штырьков и проводников для их посадки в изолирующий элемент.

В предпочтительном примере концевой кабельный соединитель является частично предварительно подготовленным перед поставкой. Шагами являются посадка гибкой манжеты на изолирующий элемент и заполнение манжеты механически мягким, по существу, несжимаемым, электрически изолирующим веществом. Для задания проходов, через которые сборки штырьков и проводников будут проходить в изолирующий элемент, используется формующий инструмент. Вещество предпочтительно вводится в качестве смеси мономера и отвердителя так, чтобы избежать включения пузырьков в жидкость, например, используя шприц, вкалываемый через манжету. По мере того, как невязкая жидкость втекает, сборка мягко вращается и наклоняется так, чтобы жидкость заполнила каждую часть манжеты, включая каналы между частями формующего инструмента и отгибами на изолирующем элементе. После заполнения полимерная смесь внутри сборки манжеты изолятора полимеризуется, например, путем помещения в теплый сушильный шкаф на некоторое время.

В отверстия изолирующего элемента, в которые должны быть посажены контактные штырьки, помещаются внутренние пружинные кольцевые замки. Сборка изолятор-манжета сажается на корпус с Окольцевым уплотнением. О-кольца также сажаются на контактные штырьки, которые упакованы, чтобы сохранять чистоту. Клиенту поставляются отдельные приборы, как описано выше, включая кабельный зажим.

На месте, сборочное устройство отрезает кабель до нужной длины, так чтобы он имел квадратный торец. В нефтедобывающей промышленности для применений в нисходящей скважине обычно используются армированные кабели. Армировка удаляется, а изоляция на проводниках подготавливается, предпочтительно используя специально для этого обеспеченные инструменты. Кабельный зажим помещают поверх кабеля. Для подготовки изоляции на жилах и для оголения нужных участков жил используется дополнительный инструмент. К каждой жиле прикрепляют контактные штырьки. Предпочитается обжимание, так как оно является менее критической операцией, чем, скажем, припаивание, и так как персонал невысокой квалификации с меньшей вероятностью произвел бы сомнительное соединение.

Для центрирования обжиманием контактных штырьков и проводников обеспечивается зажимное приспособление так, чтобы их можно было вставить в сборку изолятор-манжета через отверстие в корпусе. Центрированные контактные штырьки и проводники обрызгиваются смазкой, так чтобы они проходили в изолирующий элемент через механически мягкий, по существу, несжимаемый, электрически изолирующий полимер. Штырьки жестко сцепляются с пружинными кольцевыми замками, предварительно помещенными в изолирующий элемент и уплотнение в форме О-колец. Заключительная стадия состоит в том, чтобы посадить кабельный зажим, который также закрывает отверстие в корпусе.

Ключевое преимущество этой формы сборки состоит в том, что высокоразвитый электрически и механически разработанный соединитель будет посажен правильно, потому что критические операции выполняются изготовителем, а конечная сборка, которая должна выполняться на месте, сокращается до

- 3 007886 ряда простых операций с помощью специально обеспеченных зажимных приспособлений и инструментов. Ясно, что критические операции могли бы выполняться на месте специалистом, но это подразумевает, что он/она имел бы возможность в нужное время выполнить эти операции и имел под рукой нужные средства. Поскольку этот соединитель рассчитывается для критического применения, производство не может быть подвергнуто опасности риска плохо сделанного соединения.

Предпочтительно, механическая и электрическая конструкция включает кольцевые отгибы, окружающие изолированные жилы, по мере того, как они входят в изолирующий элемент. Между этими кольцевыми отгибами и изолированными жилами имеются каналы, заполненные механически мягким, по существу, несжимаемым, электрически изолирующим веществом. Форма этих отгибов и каналов, по существу, цилиндрическая и может быть правильными цилиндрами, коническими цилиндрами и любой комбинацией этих форм. Между изолирующим элементом и обжатым участком соединения жилаштырек может быть обеспечен дополнительный канал. Интерактивная конструкция кольцевых отгибов и заполненных каналов обеспечивает как оптимальную электрическую среду для обеспечения прохождения электрического тока из кабеля в контактные штырьки, так и идеальную механическую конструкцию для рассеяния вибраций, изгибания и других механических сил, которые прикладываются к соединителю.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 - схематический разрез устья скважины на морском дне и обсадной колонны ствола скважины (уровень техники), фиг. 2 - вид сбоку в разрезе собранного соединителя согласно настоящему изобретению, фиг. 3 - вид сверху соединителя, показанного на фиг. 2, фиг. 4 - вид сбоку соединителя, показанного на фиг. 2, в разрезе вдоль линии АА, фиг. 5 - частично увеличенный вид сбоку в разрезе соединителя, показанного на фиг. 2, фиг. 6 - частичный вид в разрезе инструмента, заполняющего манжету гелем, согласно настоящему изобретению, фиг. 7 - вид с торца инструмента, заполняющего манжету гелем, показанного на фиг. 6, глядя в направлении стрелки В, фиг. 8 - вид в разрезе инструмента зачистки жилы согласно настоящему изобретению, фиг. 9 - вид с торца инструмента зачистки жилы, показанного на фиг. 8, фиг. 10 - вид сверху инструмента сгибания жилы, включающего шаблон жилы согласно настоящему изобретению, фиг. 11 - вид сбоку инструмента сгибания жилы фиг. 10, и фиг. 12 - вид сбоку инструмента сгибания жилы согласно настоящему изобретению, без шаблона жилы.

В последующем описании для одинаковых компонентов или для разных компонентов, выполняющих одинаковые функции, используются одинаковые номера позиций.

Соединитель А сначала будет описан в собранном состоянии, чтобы дать общее представление, а затем способ сборки будет описан подробно.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения

Фиг. 2 и 5 изображают армированный кабель 6, проходящий в соединитель А кабеля. Конкретный показанный соединитель имеет три штырька 12, расположенные в виде треугольника, чтобы соответствовать гнезду 7 на ЭПН 5 (фиг. 1).

Армированный кабель 6 проходит через кабельный зажим 24 в корпус 8 соединителя. Вне зажима 24 армировка 6 срезается, чтобы открыть проводники 9 в свинцовой оболочке, которые проходят через хомуты 27 в гибкую манжету 23. Свинцовая оболочка 9 удаляется вне конца хомута 27, чтобы вскрыть изоляцию 10. Последняя секция изоляции 10 удаляется, чтобы вскрыть жилу 13, которая обжимается в кольцевом пространстве 14 в конце контактного штырька 12. Для того, чтобы видеть конец жилы 13, чтобы убедиться в том, что она находится на месте, перед обжиманием обеспечивается высверленное отверстие 15.

Штырек 12 жестко фиксируется пружинным кольцевым замком 17 в металлической втулке 18, скрепленной с изолятором 11. Пружинный кольцевой замок 17 необходим, чтобы обеспечить осевое положение штырька 12, но его присутствие создает высокие концентрации локализованного электрического напряжения. Металлическая втулка 18 является важной особенностью, поскольку она рассеивает указанные концентрации электрического напряжения и таким образом защищает изолятор 11. Хомут 21 является неотъемлемой особенностью изолятора 11, механически и электрически поддерживая втулку 18, кольцевой нос 18А которой гладко пропускает электрические напряжения в штырьки 12. О-кольца 16 отделяют изолирующее масло 47 от обжатого соединения 13, 14 для того, чтобы содействовать в обеспечении однородной электрической изоляции по всему изолятору 11, обеспечиваются пустоты 19.

Гибкая манжета 23 покрывает изолятор 11 и обжатые соединения 13, 14 каждого проводника. Манжета 23 прикрепляется к изолятору 11 через закраину 29, зацепляющуюся в кольцевой выемке 30. Про

- 4 007886 странство 28 внутри манжеты 23 заполняется механически мягким, по существу, несжимаемым, электрически изолирующим веществом 28, которое в дальнейшем упоминается как гель.

Цель указанного геля 28 заключается в том, чтобы обеспечивать электрическую изоляцию и механическую опору для изолированных проводников 10, смежных с обжатым соединением 13, 14. Кольцевые хомуты 28В и 28А геля обеспечиваются между круговым кольцом 14 и телом 11 изолятора и между изолированной жилой 10 и хомутом 20 изолятора, соответственно. Конструкция сужающегося хомута 20 обеспечивает постепенно возрастающую гибкость для изгибания с увеличивающимся расстоянием от обжатого соединения 13, 14 так, чтобы внешние нагрузки, приложенные через кабель 6, вызывали распределенное отклонение вдоль всей длины изолированной жилы 10 внутри манжеты 23, наиболее вероятно, чем резкий изгиб в единственной точке. Хомуты 28В и 29А геля вносят значительный вклад в этот аспект конструкции.

Формы изолирующих хомутов 20 и хомутов 28А и 28В геля в основном цилиндрические, но могут быть правильными цилиндрами, коническими цилиндрами и любой комбинацией этих форм. Комбинация хомутов 20, 28А и 28В вместе действует так, чтобы поддерживать изолированные жилы внутри манжеты 23 амортизирующим распределенным по длине способом. Тем самым минимизируются реакции, требуемые от обжатого соединения 13, 14, что важно для гарантии срока службы соединителя А.

Очень важно то, что изоляция 10 жилы сидит глубоко внутри отгиба хомутов 20 изолятора и гелевых хомутов 28А, создавая хорошую электрическую поверхность раздела с большим расстоянием для скользящего разряда. Это делается для того, чтобы выдерживать разность потенциалов, например, 3000 В на обжиме 14 относительно потенциала земли на свинцовой оболочке 9. Поскольку гель 28 заполняется при нормальном атмосферном давлении, увеличенное рабочее давление будет действовать, вжимая гель 28 в 28А и 28В, таким образом, гарантируя максимальную электрическую изоляцию.

Гель 28 также амортизирует жилы 10 от изменений во внешнем давлении или от грубого обращения с соединителем А и кабелем 6. Это важно, поскольку в экстремальных условиях, в которых работают соединители, и при высоких уровнях передаваемой мощности, любое незначительное отклонение от технических характеристик изоляции может привести к высоким электрическим напряжениям с возможным дугообразованием и к возможному отказу. Соединитель изобретения был изобретен именно для того, чтобы решить проблемы таких отказов, и внимание к таким деталям (20, 28А и 28В) должно гарантировать, что срок службы соединителя 7 превысит таковой насоса 5.

Обычно для нефтедобычи бурение производят в воде на глубине свыше 1000 м, где давление более 100 атм. Приложение такого давления к манжете 23 заставляет вещество 28, 28А, 28В течь, например, вжимаясь в кольца 28А и 28В. Область электрических изоляторов, которые подходят для геля 28, представляет натуральную резину, мягкий эластичный полимер и т.д. Особенно предпочтительным гелем является двойная смесь фторосиликона.

Пружинный кольцевой замок 22 и взаимодействующие заплечики 31 фиксируют изолятор 11 аксиально с корпусом 8. Кабель 6 закрепляется в кабельном зажиме 24 двумя установочными винтами 25, которые также фиксируют зажим 24 аксиально в корпусе 8. Это гарантирует, что осевые силы, приложенные к кабелю 6, не затрагивают обжатые соединения 13, 14 или сцепление штырьков 12 в их гнездах (не показаны). Защитное переходное покрытие 46, герметизированное О-кольцом 48, показано прикрепленным болтами 49 к корпусу 8. Когда для ЭПН 5 делают соединение 7, болты 49 и уплотнение 48 используются многократно. Пустота 47 внутри соединения 7 будет заполнена электрически изолирующим маслом и обеспечена компенсацией давления от самого двигателя (не показана).

Только что описанный соединитель является прецизионным прибором, который, будучи подключенным к ЭПН 5, будет поддерживать среду, в которой работают насос 5 и соединение 7, от проникновения загрязнений во внутренности соединителя, независимо от изменений во внешнем давлении. Размеры и материалы конструкции втулок 18, хомутов 18А и изолятора 11, включая хомуты 20 и 21, были тщательно рассчитаны, чтобы минимизировать электрические напряжения между контактными штырьками 12 (включая круговое кольцо 14) и изоляцией 10 жил. Как уже объяснялось, механическая опора для жил 10 является неотъемлемой частью всей конструкции.

Теперь будут описаны детали сборки соединителя А.

Обеспечивается набор специальных инструментов, предназначенных для того, чтобы позволить осуществить посадку соединителя А. Один из них, инструмент наполнения геля В (фиг. 6 и 7) используется изготовителем, но остальные используются на месте. Эта процедура устраняет потребность в прецизионных цеховых процессах на месте, так что окончательную сборку может выполнять персонал низкой квалификации и все же производить соединитель с гарантированной точностью. Принцип процедуры состоит в следующем.

Заводские процессы сборки:

ί) Посадка манжеты 23 на изолятор 11 и заполнение гелем 28 (специальный инструмент В);

ίί) Установка пружинных кольцевых замков в выемки 32 во втулках 18;

ίίί) Посадка сборки изолятор-манжета в корпус 18;

ίν) Посадка герметизирующих прокладок 16 на штырьки 12; и

ν) Упаковка в запечатанных контейнерах для поставки.

- 5 007886

Процессы сборки на месте: ί) Подготовка кабеля, т.е.: снятие армированной защиты 6; подготовка и удаление заданных отрезков свинцовой оболочки (специальный инструмент С); снятие заданных отрезков изоляции 10 для оголения жил 13;

обжимание оголенных жил 13 круговым кольцом 14 контактных штырьков 12 (специальный инструмент не показан); и сгибание для центрирования трех жил, чтобы посадить сборку манжета-изолятор (специальные инструменты и шаблон Ό и Е);

ίί) Посадка сборки штырьки-проводники через корпус 8 в манжету-изолятор и обеспечение жесткого сцепления 17 и герметизации 16; и ϊϊΐ) Прикрепление кабельного зажима 24 к корпусу 8.

Заводская предварительная сборка начинается с посадки манжеты 23 на изолятор 11 путем зацепления закраины 29 в выемку 30. (Металлические втулки 18 связывают с изолятором 11, когда делают изолятор, например, путем процесса полимеризации). Инструмент В заполнения геля (фиг. 6 и 7) состоит из рукоятки 42, к которой прикреплены 43 три формирователя 40 штырьков. Формирователи 40 штырьков проходят через хомуты 27 манжеты 23. Секция формирователя 40 штырьков внутри манжеты 23 вмещает втулку 41. Части втулки 41 тщательно профилированы с некоторыми секциями 41А до полного размера изолированной жилы 10, а другие секции 41В имеют уменьшенный размер по сравнению с секциями изолированной жилы 10 и контактного штырька 14. Секции уменьшенного размера позволят создавать кольца 28А и 28В геля. Втулки 41 формирователя штырьков покрывают литейной смазкой и вставляют через хомуты 27 и втулки 18 до тех пор, пока фланцы 44 не войдут в контакт с заплечиками 18В (как показано на фиг. 6). Герметизирующие прокладки 45 удерживают полимерную смесь.

Фиг. 7 изображает торец инструмента В и изолятора 11, глядя в направлении стрелки В. Показаны торцы формирователей 40 штырьков, втулок 18, хомутов 21 и обтекателей 21А хомута 21, входящие в изолятор 11. Также показаны пустоты 19 тоже с обтекателями.

Неполимеризованный раствор геля и отвердителя смешивают и вводят в манжету 23 через отверстие (не показано), чтобы полностью заполнить пространство 28 внутри манжеты 23 между поверхностями 41, 41А и 41В формирователей штырьков, включающих круговые кольца 28А и 28В. Смесь полимеров имеет низкую вязкость и поэтому полностью заполняет все внутренние пустоты, включая круговые кольца 28А и 28В, и вводится медленно, чтобы избежать включения пузырьков, до тех пор, пока не выйдет излишек из соответствующей точки, например одного из хомутов 27. Во время заполнения все мягко вращается и наклоняется, чтобы гарантировать полное заполнение без захватывания воздушных пузырьков. После заполнения всю сборку помещают в сушильный шкаф для сухого постепенного отверждения.

После полного отверждения сборку вынимают из сушильного шкафа, и инструмент вынимают из втулки сборки. Из-за того, что используется литейная смазка, полимеризованный гель не будет прилипать к поверхностям 41, но будет сильно связываться с изолятором 11. Если бы возникли проблемы во время удаления инструмента, его можно было бы демонтировать 43, и любые прилипшие штырьки мягко вращаются, чтобы высвободить его.

При сборке на месте используют обдирающий инструмент С (фиг. 8 и 9) и инструменты Ό и Е сгибания кабеля (фиг. 10-12).

Конец кабеля 6 помещают в зажимной патрон и ровно обрезают конец. Удаляют нужную длину армировки 6 и осторожно отделяют три жилы. Отрезки кабеля помечают, используя шаблон (не показан). Инструмент С используется для подготовки заданных отрезков проводников 9, находящихся в свинцовой оболочке. Оболочка 9 часто имеет квадратное сечение и должна быть скруглена, чтобы подойти к хомутам 27 манжеты 23. Это делается посредством подвижного инструмента 39 округления (фиг. 8) вниз по проводнику до тех пор, пока обрезанный конец не достигнет предела отверстия 38. Чтобы поворачивать 36 инструмент С, обеспечивается рукоятка 35. Указанная операция повторяется для каждого проводника

9.

Теперь инструмент С реверсируется, и несквозное кольцевое отверстие 34 скользит по свинцовой оболочке 9, пока не остановится 37, т.е. не упрется в конец несквозного отверстия 34. Внутри отверстия 34 резаки 33 прорезают оболочку 9 аксиально, пока кабель вталкивается до остановки 37. Затем инструмент С поворачивается 36, используя рукоятку 35, прорезая оболочку 9 по окружности. Удаление кабеля из отверстия 34 позволяет счистить оболочку, обнажая изоляцию 10. Теперь удаляется отрезок изоляции

10, равный аксиальной глубине кольцевого пространства 14 обжимания, оголяя жилу 13. Указанную операцию можно сделать ножом или специальным инструментом (не показан). Теперь оголенный конец 13 готов для обжимания 14 к штырьку 12. Высверленное отверстие 15 позволяет проверить, что был удален отрезок изоляции 10 нужной длины.

Вышеприведенное описание дано для армированного обшитого свинцом кабеля, обычно используемого для операций в нисходящей скважине. Другая форма армированного кабеля, используемого для указанного применения, имеет двойные кольцевые слои полимерной изоляции. Для этого последнего

- 6 007886 случая обеспечивается модифицированный инструмент С для удаления только внешнего слоя изоляции.

Контактные штырьки 12 обжимаются на оголенные концы жил 13. Предпочтительным является инструмент прецизионного обжимания (не показан) с гексагональными матрицами. Высверленное отверстие 15 позволяет проверить, что жилы 15 полностью вставлены во втулку 14 перед обжиманием.

Инструменты И и Е (фиг. 10-12) используются для сгибания жил 9, 10 для посадки изолятора 11. Оба инструмента И и Е состоят из короткого полого цилиндра 51 с расточными отверстиями 52, скрепленного с вытянутой деталью 53, прикрепленной к рукоятке 54. Расточные отверстия 52 сажаются на штырьки 12, 14 (включая О-кольцо 16), жилы 10 и свинцовую оболочку 9 (и изолированные жилы 10) так, чтобы три изолированных жилы 10 и штырька 12 были параллельны друг другу. Шаблон 55 с отверстиями 56 обеспечивается для центрирования штырьков и изолированных жил 10 для посадки манжеты 23 и изолятора 11. Следует отметить, что шаблон 55 имеет значительную глубину 57, чтобы гарантировать, что штырьки 12 и изолированные жилы 10 точно параллельны и правильно расположены по их полной оголенной длине .

Три штырька 12 и изолированные жилы 10 проходят в корпус 8 через кабельное отверстие. В корпусе 8 обеспечивается вырез (не показан, но накрыт вырезом 26 (фиг. 3)), чтобы позволить верхнему контактному штырьку 12 (заштрихован на фиг. 2 и 5) входить так, чтобы не влиять на центрирование параллельных жил. Штырьки 12, 14 и жилы 10 входят в хомуты 27, проходят через заранее сформированные отверстия в геле 28, через хомуты 20, 28А, 28В и в изолятор 11. Чтобы облегчить прохождение через гель 28 или изолятор 11, может использоваться легкая смазка или распыленная смазка. Скругленные концы штырьков 12 входят в пружинные кольцевые замки 17, и тела штырьков медленно скользят через них до тех пор, пока пружинные кольцевые замки 17 не вставятся в выемки 50. Изолированные жилы 10 могут осторожно вталкиваться или втягиваться через кабель 6, через штырьки 12, когда они выходят через изолятор 11. О-кольцо 16 войдет в контакт с втулкой 18, образуя уплотнительную прокладку между наполненным маслом пространством 47 и обжатым соединением 13, 14.

В выемках 50 и 32 пружинного кольцевого замка обеспечивается аксиальный просвет, чтобы гарантировать, что штырьки 12 зафиксировались на месте, независимо от любых незначительных разностей аксиальной длины изолированных жил 10 или обжимания 13, 14. Указанная особенность является дополнительной демонстрацией внимания к деталям конструкции и способа настоящего изобретения, чтобы гарантировать соединение, которое механически и электрически является идеалом для этих целей.

Кабельный зажим 24 сажается и закрепляется 25. Язычок 26 закрывает вырез (не показан) в корпусе

8.

Подробности способа сборки можно подытожить следующим образом:

Стадии предварительной заводской сборки:

1. Посадить манжету 23 на изолятор 11 и заполнить пустоты 28 манжеты гелем, используя заполняющий инструмент В с формирователями 40, 41 штырьков. Полимеризовать заполняющий гель. Вынуть заполняющий инструмент В с формирователями 40, 41 штырьков.

2. Посадить пружинные кольцевые замки 17, фиксирующие штырьки, на втулки 18.

3. Вставить сборку изолятор-манжета в корпус 8 до упора о заплечики 31. Вставить фиксирующий пружинный кольцевой замок 22.

4. Посадить О-кольца 16 на штырьки 12 и упаковать.

5. Упаковать сборку 8 корпуса, включая кабельный зажим 24.

Стадии сборки на месте:

1. Поместить конец кабеля 6 в зажимный патрон и ровно обрезать конец.

2. Снять армированную защиту 6 до нужной длины. Осторожно раздвинуть изолированные жилы 10.

3. Сгладить свинцовую оболочку 9, чтобы получить круглое сечение (используя инструмент С) и снять свинцовую оболочку 9 с заданной длины всех трех жил (снова используя инструмент С).

4. Снять изоляцию 10, чтобы оголить заданную длину жилы 13, используя нож или зачищающий инструмент (не показан).

5. Посадить оголенную жилу 13 полностью в кольцевое пространство 14 в штырьке 12 (так, чтобы жила полностью поместилась 15 и изоляция уперлась в штырек 12) и обжать, используя инструмент гидравлического обжимания. Повторить для других соединителей.

6. Согнуть жилы 9 и 10, используя инструменты И и Е, так чтобы штырьки 12 и изолированные жилы 10 были параллельны друг относительно друга и центрированы с шаблоном 55.

7. Посадить сборку штырек-изолированная жила в хомуты 27 в манжете 23 внутри корпуса 8 так, чтобы штырьки 12 прошли во втулки 18. Осторожно толкать и тянуть штырьки 12 до тех пор, пока пружинные кольцевые замки 17 не зацепятся в выемки фиксации штырька и О-кольца 16 будут расположены должным образом.

8. Посадить кабельный зажим 24.

9. При необходимости посадить защитное покрытие 46 с О-кольцом 48.

10. Соединитель настоящего изобретения был описан относительно соединителя 7 удлинителя подводящих проводов электропитания электрического погружаемого насоса 5 в нефтедобывающей скважи

- 7 007886 не. Практически это трудная прикладная задача, где требуется исключительная надежность при невозможности технического обслуживания. Соединитель настоящего изобретения и способ его использования равно применимы к другим ситуациям, где требуется чрезвычайная надежность, хотя окружающая среда и не такая суровая.

Claims (23)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Электрический соединитель для соединения кабеля с запитываемым прибором или дополнительным соединителем, содержащий многожильный изолированный электрический кабель, отдельные жилы которого прикреплены к отдельным контактным штырькам, изолирующий элемент, причем отдельные контактные штырьки выполнены с возможностью жесткого зацепления внутри изолирующего элемента;

   гибкую манжету, вместе с изолирующим элементом определяющую внутреннюю полость, наполненную механически мягким, по существу, несжимаемым, электрически изолирующим веществом;

   корпус, обеспечивающий уплотнение с изолирующим элементом, а также с запитываемым прибором или дополнительным соединителем; и зажим, выполненный с возможностью зажима и закрепления электрического кабеля в корпусе;

   при этом между изолирующим элементом и контактными штырьками предусмотрены кольцевые полости, а механически мягкое, по существу, несжимаемое, электрически изолирующее вещество, заполняющее указанные полости, по существу, выполняет роль амортизатора, при этом концы контактных штырьков, не прикрепленные к жилам кабеля, выполнены с возможностью подсоединения к запитываемому прибору или дополнительному соединителю.
2. 2. Электрический соединитель по п.1, в котором многожильный кабель является армированным кабелем.
3. 3. Электрический соединитель по п.2, в котором средством для прикрепления отдельных жил к отдельным контактным штырькам является обжимание.
4. 4. Электрический соединитель по п.3, в котором внутри изолирующего элемента обеспечиваются металлические втулки для содействия жесткому сцеплению отдельных контактных штырьков в изолирующем элементе.
5. 5. Электрический соединитель по п.4, в котором жесткое сцепление отдельного контактного штырька в металлической втулке в изолирующем элементе осуществляется через пружинный кольцевой замок.
6. 6. Электрический соединитель по п.5, в котором выемка(и) пружинного кольцевого замка в металлической втулке и/или отдельный контактный штырек обеспечивает(ют) свободу перемещения в аксиальном направлении для пружинного кольцевого замка.
7. 7. Электрический соединитель по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий средство для герметизации электрических соединений от внешней окружающей среды.
8. 8. Электрический соединитель по любому из предшествующих пунктов, в котором изолирующий элемент снабжается кольцевым отгибом(ми), окружающим отдельную изолированную жилу(ы), там, где они входят в изолирующий элемент.
9. 9. Электрический соединитель по п.8, в котором кольцевой отгиб(ы) имеет цилиндрическую форму.
10. 10. Электрический соединитель по п.8, в котором кольцевой отгиб(ы) имеет форму конических цилиндров.
11. 11. Электрический соединитель по любому из предшествующих пунктов, в котором механически мягкое, по существу, несжимаемое, электрически изолирующее вещество представляет собой жидкий мономер, который впоследствии полимеризуется.
12. 12. Электрический соединитель по любому из предшествующих пунктов, в котором кольцевые полости обеспечиваются также между частями изолирующего элемента и изолированными жилами, при этом механически мягкое, по существу, несжимаемое, электрически изолирующее вещество, заполняющее указанные каналы, по существу, выполняет роль амортизатора.
13. 13. Электрический соединитель по п.12, в котором кольцевые каналы имеют форму правильных цилиндров.
14. 14. Электрический соединитель по п.12, в котором кольцевые каналы имеют форму конических цилиндров.
15. 15. Способ изготовления электрического соединителя по п.1, содержащий шаги, при которых осуществляют

    ί) посадку гибкой манжеты поверх изолирующего элемента;

    ίί) заполнение пустоты внутри манжеты механически мягким, по существу, несжимаемым, электрически изолирующим веществом, этим обеспечивают пространство, в которое впоследствии помещают контактные штырьки и изолированные жилы;

    - 8 007886 ϊϊί) осуществляют посадку заполненной субсборки изолирующий элемент-манжета в корпус, и создают уплотнение между субсборкой и корпусом;

    ΐν) отматывают многожильный электрический кабель и обрезают до нужной длины;

    ν) размещают кабельные лапки поверх кабеля;

    νΐ) осуществляют подготовку отрезка изоляции соответствующей длины на каждом проводнике и оголение каждой жилы до нужной длины;

    νΐΐ) вставку каждого оголенного проводника в подготовленную часть контактного штырька и закрепление в нужном положении;

    νΐΐΐ) осуществляют изгибание сборок проводник-штырек для центрирования проводников и штырьков, осуществляют их размещение в пространствах, обеспеченных в манжете и в механически мягком, по существу, несжимаемом, электрически изолирующем веществе и изолирующем элементе;

    ΐχ) осуществляют вставку каждой субсборки контактного штырька и соединителя через отверстия в манжете, через проходы в механически мягком, по существу, несжимаемом, электрически изолирующем веществе и в изолирующий элемент;

    х) осуществляют жесткое сцепление контактных штырьков с изолирующим элементом и формирование уплотнения с изолирующим элементом; и χΐ) закрепляют зажим кабеля.
16. 16. Способ изготовления электрического соединения по п.15, в котором, во время заполнения гибкой манжеты полимеризуемым жидким мономером, используют формующий инструмент для обозначения проходов, через которые осуществляют проход отдельного контактного штырька (штырьков) и соединенной изолированной жилы (жил), после полимеризации мономера.
17. 17. Способ изготовления электрического соединения по п.16, в котором жидкий мономер помещают внутри гибкой манжеты так, чтобы избежать включения воздушных пузырьков в мономер.
18. 18. Способ изготовления электрического соединения по п.17, в котором жидкий мономер помещают до полимеризации внутри гибкой манжеты с использованием шприца.
19. 19. Способ изготовления электрического соединения по п.17 или 18, в котором осуществляют мягкое вращение и/или наклон сборки гибкая манжета-инструмент, этим гарантируют, что жидкий мономер полностью заполнил внутреннее пространство внутри гибкой манжеты.
20. 20. Способ изготовления электрического соединения по п.15, в котором на формующие элементы формующего инструмента наносят литейную смазку и способствуют освобождению формующих элементов после того, как жидкий мономер полимеризовался.
21. 21. Способ изготовления электрического соединения по п.15, в котором для обжимания оголенных жил к контактным штырькам используют инструмент гидравлического обжимания.
22. 22. Способ изготовления электрического соединения по п.15, в котором используют инструменты для центрирования множества контактных штырьков и соединенных изолированных жил с проходами в механически мягком, по существу, несжимаемом, электрически изолирующем веществе и в изолирующем элементе.
23. 23. Способ изготовления электрического соединения по п.22, в котором один из центрирующих инструментов включает шаблон для центрирования контактных штырьков и соединенных изолированных жил с проходами в механически мягком, по существу, несжимаемом, электрически изолирующем веществе и в изолирующем элементе.