CN114303287A

CN114303287A - 海底连接器

Info

Publication number: CN114303287A
Application number: CN202080060558.2A
Authority: CN
Inventors: C·布劳; S·斯宾塞; D·瓦尔顿
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2040-08-27
Also published as: US20220336996A1; EP4022721A1; BR112022001499A2; GB201912501D0; CN114303287B; WO2021037949A1

Abstract

一种可配置的海底湿配合连接器，包括插座连接器主体(36)和插头连接器主体(35)。所述海底湿配合连接器的插座连接器主体包括至少两个插座嵌入件，所述至少两个插座嵌入件由选自电源连接器单元(49)、数据连接器单元(43)、光纤连接器单元(90，91)、气体连接器单元或流体连接器单元中的至少一种连接器单元形成。所述海底湿配合连接器的插头连接器主体包括至少两个插头嵌入件，所述至少两个插头嵌入件由选自电源连接器单元、数据连接器单元、光纤连接器单元、气体连接器单元或流体连接器单元中的连接器单元形成，形成所述至少两个插头嵌入件的连接器单元与形成所述至少两个插座嵌入件的连接器单元相同。

Description

海底连接器

技术领域

本发明涉及可配置的海底或水下连接器以及操作所述连接器的方法。

背景技术

海底或水下连接器被设计成在水面下方操作。海底连接器一般包括两个部分，通常称作插头和插座。插座可包括一个或多个导体插针，插头可包括供插座的导体插针用的对应的插头插口。连接器可以在水上连接(干配合)或海底连接(湿配合)，根据连接器是湿配合连接器还是干配合连接器来调整具体的设计。海底连接器具有各种用途，包括向海底设备供电的电源连接器，或者在海底设备的不同部分之间、或者在海底设备与水上装置之间交换数据的控制和操纵连接器。

传统上，已经为电力或通讯用途提供了单独的连接器，这是因为这些应用的要求差别很大。但是，特别是对于湿配合连接器来说，由于每个连接器都必须单独地装配和解配，所以这会占用大量的空间，因为每个连接器必须具有足够的空间以便水下机器人或者潜水员能够在水下操作该连接器。因此，需要一种改进的连接器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种海底湿配合连接器，其包括插座连接器主体和插头连接器主体；所述海底湿配合连接器的插座连接器主体进一步包括至少两个插座嵌入件，所述至少两个插座嵌入件选自电源连接器单元、数据连接器单元、光纤连接器单元、气体连接器单元或流体连接器单元中的至少一种连接器单元；并且所述海底湿配合连接器的插头连接器主体包括至少两个插头嵌入件，所述至少两个插头嵌入件选自电源连接器单元、数据连接器单元、光纤连接器单元、气体连接器单元或流体连接器单元，并且所述至少两个插头嵌入件包括的连接器单元的组合与所述至少两个插座嵌入件包括的连接器单元的组合相同。

海底连接器的可配置性质允许使用者选择海底连接器单元的类型的特定组合以将其包括在连接器嵌入件中，每个连接器单元单独制造以满足海底要求，但连接器主体的形状和大小则保持为标准的。插头连接器主体和插座连接器主体包括同样组合的嵌入件，但该组合可以根据使用者对该特定连接器的要求进行定制，所以不是所有的一对插头连接器主体和插座连接器主体都要制造成具有同样数量和组合的嵌入件。

海底连接器的插头连接器主体和海底连接器的插座连接器主体可以具有都是相同类型的连接器嵌入件，例如全部是电源连接器嵌入件或者全部是数据连接器嵌入件，但是，作为另外一种选择，这些连接器主体包括选自可选的连接器单元的至少两种不同类型的嵌入件，例如电源连接器单元和数据连接器单元，电源连接器单元和光纤连接器单元，光纤连接器单元和数据连接器单元，电源连接器单元和气体连接器单元，数据连接器单元和流体连接器单元，或者两种或更多种这些连接器单元的任何其它组合，或者任何这些连接器单元的不同数量的组合。

其优点是，每个连接器单元可以针对其功能进行优化，而不是一定要在额定值、尺寸或性能上进行妥协以便能够将一种以上的连接器单元功能结合到连接器中。

连接器还可包括适配器，所述适配器用于将所述插座连接器主体或所述插头连接器主体可拆卸地装配到安装装置上。

这允许在其海底位置通过任何手段(例如潜水员或ROV)对连接器进行湿配合或解配。

电源连接器单元包括铜导体或铜合金导体。

例如，所述合金可以是铍合金或碲合金。

其优点是电阻低，从而降低了电力传输期间的损耗。

可以适当组合使用各种连接器类型，但在一个实施例中，数据连接器单元包括下列各项之一：以太网连接器，光纤连接器，铜线连接器，无线连接器和电感连接器。

光纤连接器单元可包括扩束光纤连接器。

其优点是体积小且设计简单，但仍能在多种条件下操作。

当所述至少两个连接器单元之一包括电源连接器单元时，连接器嵌入件还可包括供数据连接器单元用的电屏蔽件。电屏蔽件可包括金属屏蔽件(例如金属部件)或者金属涂层(例如电镀的金属涂层或涂覆的金属涂层)。

这允许将数据连接器单元和电源连接器单元组合到单个连接器主体中，但数据连接器单元不会受到电干扰。在某些情况下，电源连接器单元也可包括屏蔽件。

嵌入件的连接器单元还可构成嵌入件的一体形成的部分，或者可以自身***到预成型主体中(例如PEEK成型)。

插座连接器主体或者插头连接器主体可包括单个机加工主体，所述机加工主体包括在其中机加工出来的供各个嵌入件用的开口，以及用于将嵌入件密封到所述插座连接器主体或所述插头连接器主体上的一个或多个密封件。密封件通常是弹性体密封件，但在某些情况下还可以使用金属密封件。作为另外一种选择，可以例如通过成型法用适当的塑料材料形成连接器主体，在连接器主体中形成所需的孔，并用适当的密封剂将嵌入件密封到连接器主体上。

附图说明

下面参考附图描述根据本发明的海底连接器及其相关的操作方法的实例，在附图中：

图1a和1b示出了传统的水上连接器的布置方案的实例；

图2为示意图，其示出了根据本发明的混合式可配置湿配合连接器的一部分；

图3a和3b示出了根据本发明的连接器的实例，其中显示了一种配置的更多细节；

图4是框图，其示出了可以使用本发明的连接器的***；

图5示出了用于根据本发明的连接器的光纤连接器单元的更多细节；

图6示出了根据本发明的连接器中的连接器单元的多种可能的配置。

具体实施方式

为了降低与新型深水油气开发相关的整体寿命周期成本，包括资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)，需要改进现有的设计、制造过程和操作。需要一种这样的海底连接器***，其成本低，能够较快且较容易地安装，并且在整个工作寿命期间要求的维护或者所需的干预少，因为这种维护或干预会影响与其连接的***。

通常，为特定的用途使用特定的连接器，并且连接器可以是单路连接器或者多路连接器。例如，已知输送电力使用4-路连接器，通过以太网传输数据使用12-路连接器，光纤使用单路连接器。湿配合控制连接器通常具有大量的细导体插针，以便能够在单个控制线缆中包括传送给产品的不同部分的多个控制信号。例如，设备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)各自需要具有单独的通讯路径，从而能够被询问、监视或者在必要时能够给致动器通电以便例如打开或关闭阀门、或者启动或停止泵。

电力传输的目的是向海底设备供电，以使其能够操作以便例如关闭阀门或者驱动泵。湿配合电源连接器可以具有单个插针和插口的布置，或者可以是多路连接器。通讯或控制信号趋向于具有较低的数据速率、低电流和非常低的电压，例如10V至100V，而用于电力用途的现有多路连接器的操作电压则为600V至900V，很少超过1000V。但是，虽然数据用途只需额定最高到100V，但当要求用单个连接器同时执行数据传输和电力传输这两个功能时，导体插针就必须额定到600V至900V，或者高达1000V。一些电力传输类用途可能落入在此范围内，例如给小继电器通电或者操作小阀门，需要一种更有效的电源，其不增大连接器的整体尺寸，也不与控制和通讯信号的有效操作发生干扰。更一般地说，导体插针的尺寸和额定值对于数据用途来说过大，从而需要一种优化的连接器。

已知的是，对于水上用途来说，如图1a和1b所示，在单个框架内提供多个不同类型的连接器，例如电源连接，数据连接，光纤连接，气体连接和流体连接，以便将这些连接器方便地安装成能够用单个动作来触及、装配和解配这些连接器。但是，框架中的这些插口仅适用于水上使用。目前，还不存在本申请所提出的能够被配置成用于多个特定用途的单个海底湿配合连接器。虽然US20100252269描述了一种海底***，其中，控制/通讯箱或者控制/分配箱设有空端口，以后可以在海底将连接器湿装配到这些空端口中，但其却没有暗示以后添加的连接器能够以任何方式来对自身进行配置。本发明通过提供一种混合式连接器来解决上述问题，所述混合式连接器具有组合的低压通讯和控制信号载体、电力传输或光纤。这允许连接器插针和整体的连接器单元尺寸能够针对所要执行的功能进行优化，同时还能装配到单个连接器主体中以便易于在海底操作、部署和取回。

从下面的描述和附图中可以看出本发明的进一步的细节。图2示出了根据本发明的可配置连接器的简化实例。连接器包括连接器主体20，其中可安装有嵌入件21，嵌入件21带有具有合适的大小且适当定位的套筒22、23、24，这些套筒分别用于所需类型的连接25、26、27。在该实例中，用于电源连接器27的套筒24的直径比用于数据连接器26的套筒23、用于光纤连接器25的套筒22的直径大。连接器主体20通常由耐海水腐蚀的金属制成，例如不锈钢、超级双相不锈钢、或者壁厚至少2mm的其它合金。在连接器主体20中机加工出尺寸适合的孔以在每个连接器主体20中接收预定布置的嵌入件21，例如三个嵌入件或者四个嵌入件，但嵌入件内部的子部分的布置可以具有多种形式，如图6a至6g中的实例所示。根据具体组合和布置的各个连接器类型来选择嵌入件21的材料。例如，如图所示，存在电源连接器单元27就意味着要求在嵌入件21、或者电源连接器单元27的套筒24和数据连接器单元26的套筒23中的至少一者中包括可靠的电屏蔽件，以防止来自电缆或者电源连接器的干扰影响数据信号，而对只包括数据连接器和光纤连接器的实例来说则屏蔽要求较低。

嵌入件21可由热塑性聚合物材料制成，例如PEEK。嵌入件***到主体20中的机加工孔中，然后密封到金属上。嵌入件21的套筒22、23、24中的每个部件可以是在单独制造后再***到嵌入件中的小孔内的分立部件，或者作为嵌入件21制造过程的一体部分将这些部件用必要的层包覆成型，其中套筒用作最后的层。例如，可以用如下方式形成单个嵌入件，即：将多个合适材料层包覆成型到无论哪种类型(例如电源，数据，光纤，气体、液体)的导体或插针或线缆上，以获得所需的屏蔽、电连续性和绝缘电阻等特性。例如，可以用PEEK来成型这些部件。作为另外一种选择，嵌入件21可以预成型为带有多个中空的孔，这些孔的尺寸和横截面适于容纳用于构成特定连接器的一类部件。这些可选方案既适用于插头部分也适用于插座部分。

连接器单元的选择不限于电源、光纤和数据，而是还可以包括信号连接器、扩束光纤连接器、无线连接器(例如射频(RF)或

)、液体或者其它类型流体的连接器。根据其用途，例如用作通过水下机器人(ROV)装配和解配的连接器、通过***式装配或者潜水员装配的连接器，连接器主体通过设有适当的适配器来构成传统结构的一部分，其中，所述适配器例如是供ROV用的闩锁、或供潜水员装配用的螺纹。

选择每个连接器中的导体插针以及连接器的其它方面(例如密封技术和插针的布局)来满足连接器的具体海底用途的设计规格要求，同时优化连接器单元及其配件的尺寸。连接器单元在能够实现所需的功能性的前提下做得尽可能小，这也节省了成本和材料。

图3a和3b示出了用于电源和数据的混合式可配置连接器的一个实例的进一步的细节，其中详细显示了连接器如何配备ROV装配把手以进行安装和拆卸。本发明不限于使用ROV装配把手，本实例仅用于展示的目的。如上所述，连接器可包括分立的连接器模块或单元，每个模块或单元具有同样的接口。这些模块可以是各种不同类型的模块或者模块的组合，例如：电源连接器单元，数据连接器单元，光纤连接器单元或通讯连接器单元(例如单电源插针、双电源插针、4&8-路通讯模块、单“扩束”光纤模块、RF电源或通讯模块等)。然后，可以把这些模块组织到共用的连接器主体内以适合特定的定制用途。

如图3a所示，通过设置合适的兼容性适配器31，可以把传统的ROV装配把手30用于本发明的混合式可配置连接器。在本实例中，适配器31的端部33的外周上显示有螺纹32，螺纹32用于与主体34内的对应螺纹(未示出)配合。在适配器31的相反端，内周螺纹(未示出)设计成与插头连接器部分主体35或者插座连接器部分主体36的外周上的对应螺纹配合。优选的是，具有同样设计的兼容性适配器31可以既用于插头连接器部分主体35又用于插座连接器部分主体36。与设置插头专用适配器或插座专用适配器相比，因为只需制造、购买和存储更少的配件，所以本发明的方案降低了成本和复杂度。

插头连接器部分主体35包括通用主体37，插座连接器部分主体36包括通用主体38，根据连接器的特定要求，在通用主体37和38上分别安装特定的插头构造和插座构造。插座的通用主体38设有两个接口，即安装构造接口39和使用构造接口40，例如配置成供水下机器人装配、***式装配或者潜水员装配用的接口。类似地，插头的通用主体37设有使用构造接口41(例如配置成供水下机器人装配、***式装配或者潜水员装配用的接口)和安装构造接口42。在该具体实例中，可以看到，围绕连接器的中心线44安装有数据模块或单元43，电源模块45安装在数据模块43的径向外侧。本实例中的数据模块包括由排成直线的三个数据连接器插针47构成的分组46，每个分组围绕中心线44与紧邻的分组46成90°。每组数据插针通常设有电屏蔽层48以减少来自周围的电源连接器插针49的电磁干扰。每个电源连接器单元插针49也可以用屏蔽层50进行单独的电屏蔽。连接器类型和连接器插针的其它布置和组合同样也是可以的。每个连接器单元可以在制造和测试之后，再装配到连接器主体中。可以在装配之前或者之后进行端接。不正确的海底安装可能会导致不同连接器单元类型的螺纹错扣，从而造成损坏，因此，提供了合适的指示器以减少发生这种情况的可能性。

图4示出了可以用于海底安装的所描述类型的可配置连接器的***的实例。在该实例中，***包括位于水下或海底的多个操作模块，这些模块连接到或能够连接到控制器上。控制器可以位于海底或者水上，并通过数据链接和适合的通讯介质连接到海底设备上。例如，脐带终端组件(UTA)60可以借助ROV配合跨接线63利用ROV配合连接器配件连接到海底控制模块(SCM)64上。在跨接线的每一端以及UTA和SCM上，设置有根据本发明的混合式可配置连接器插头配件61和连接器插座配件62。跨接线可以是两端都具有插头连接器配件，或者一端具有插头连接器配件、另一端具有插座连接器配件，而UTA和SCM则安装有对应的插头连接器配件或插座连接器配件。通常来说，插头连接器配件设置在可拆除的海底设备上，插座连接器配件安装在固定的海底设备上。由于插针位于被油填充的腔室里，所以插头设计能够更好地保护插针，防止其在暴露于海水时受到通电影响。对于该实例来说，在可配置连接器中设置了一个电源连接器单元27和两个光纤连接器单元25。具体的配置可以具有多种不同的形式，如下面的图5和图6a至6j所示，图4所示的布置仅仅是示意性的。

海底***的另一个部分(在此是指固定***的部分)可包括***式配合部件，其中的一个***式配合部件的插头配件65和插座配件64只包括数据连接器单元26，另一个***式配合连接器包括组合了数据连接器单元26和电源连接器单元27的插座配件66和插头配件67。在本实例中，仅利用多个数据连接器单元26，另一个跨接线76可通过包括插头连接器配件70和插座连接器配件71的潜水员配合连接器或者通过直接连接来从***式板68的数据线连接到接线盒69。另一个跨接线72通过插头连接器配件73和插座连接器配件74从接线盒连接到海底采油树上的压力或温度传感器(PTT)75上。在该连接器中，设置了两个数据连接器单元26。跨接线77通过具有组合的电源连接器单元27和数据连接器单元26的潜水员配合插头连接器配件80和插座连接器配件79从***式板的混合式电源和数据线连接到电动致动器78上。

图5示出了特定类型的连接器单元的细节，该连接器单元是扩束光纤模块90，91。在该实例中，连接器配件包括位于陶瓷抛光套箍中的光纤纤芯92，93以及光学透镜96，97。光线从一个连接器配件90的纤芯92经过其透镜96进入到另一个连接器配件91的透镜97及其光纤纤芯93中。与其它类型的光纤连接器相比，扩束光纤连接器的优点是复杂性低且尺寸更小，同时对于许多用途来说仍然具有足够良好的性能。虽然光纤线缆连接器可以采用扩束连接器的形式，但也可以使用其它的光纤连接设计，例如参见EP2977802，EP3168940，EP3377930和EP3211466。

图6a至6j示出了连接器主体100的非限制性组合或布置，该连接器主体100的嵌入件可以拆卸并更换成用户所要求的配置。图6a示出的连接器主体100包括四-路电源嵌入件，其使用了例如3kV的四个单路电源单元101，但电源的额定值取决于用途，并且该模块化的连接器适用于高达5kV的电源。典型地，电源单元包括铜导体102以获得低电阻，还包括围绕导体的电绝缘层103。图6b示出的连接器主体100具有两个两-路电源模块嵌入件104以提供四-路电源。其可在较低的电压(例如前面所述的低于或等于1kV的电压)下操作，所以可以在模块嵌入件内部提供绝缘层106以防止导体相互接触，并且可以围绕每一个电源模块104中的绝缘层的外周或者边界设置屏蔽件以减少与双通道数据或通讯连接器单元107的电干扰，两个连接器单元107各自提供一个通道，例如双通道以太网，或者控制器局域网总线(CANbus)。作为另外一种选择，可以不围绕电源模块104，而是围绕数据或通讯连接器107设置一个或多个屏蔽层，例如金属屏蔽层。图6c示出的是通讯使用两个两-路电源连接器单元104结合两个高数据速率通讯连接器单元109的四-路电源嵌入件，通讯连接器单元109例如是具有安装在绝缘介质111中的多根芯线110的1Gb以太网。图6d示出的混合式可配置连接器主体包括四-路电源嵌入件(两个两-路电源模块104)和两个光纤连接器模块112。图6e示出的是由两-路电源连接器单元104，双通道通讯单元107和高数据速率连接器嵌入件109所构成的组合。

在图6f中，混合式可配置连接器主体完全由高数据速率数据连接器单元109构成，在图中是四个嵌入件。图6g示出的连接器的嵌入件包括适于在等于或低于1kV电压下操作的两个两-路电源单元104和一个高数据速率数据连接器模块(例如1Gb以太网或者CANbus)。图6h示出的连接器主体的嵌入件包括双通道通讯或数据连接器单元107(两个单元)和两-路电源单元104。图6i组合了光纤连接器模块112和两个两-路电源模块104。图6j的连接器主体100使用了三个嵌入件，即高密度高数据速率连接器单元，以提供二十四路/通道的通讯或数据传输。虽然没有具体示出，但混合式连接器可包括使用铜线的连接器模块，或者无线或电感连接器的连接器模块，或者可包括气体或流体连接器单元。

本发明提供了一种混合式电源和通讯连接器，其包括用于不同类型的电源或通讯传输的可互换、可配置的模块。该连接器允许使用可配置的连接器设计将多个连接器选项统一到单个连接器中。这通过减少部件的套数缩短了制造时间或交货周期，从而降低了成本，此外还通过减少所需连接的总数减轻了安装、维护或操作的工作量，这本身也降低了操作人员成本。把分立的嵌入件模块针对特定的用途(例如以太网，电源或扩束光纤)进行优化，然后将每个连接器单元装配到共用的连接器主体中并密封到连接器主体上。通过用模块化的嵌入件形成连接器而不是把每个连接器制造成定制的产品，这减少了不同的连接器的总数，从而减少了所需的测试量，此外，与多个单功能连接器相比，混合式连接器的整体尺寸更小，这降低了存储和运输成本。本发明的模块化设计还能够进一步进行改进，例如自动化的制造方法。

虽然前面参考各种实施例描述了本发明，但应理解，可以对所描述的这些实施例进行多种改变和修改。因此，前面的描述应被理解为是示意性的而不是限制性的，此外，还应理解，这些实施例的等同方案和/或组合均旨在被包括在本发明的范围内。

前面所提供的实例仅用于解释的目的，不应被理解成对所公开的本发明的限制。虽然参考各种实施例描述了本发明，但应理解，本文所使用的文字是描述性和展示性的文字，而不是限制性的文字。此外，虽然本文参考具体的装置、材料和实施例描述了本发明，但本发明并不局限于本文所公开的细节；相反地，本发明的保护范围包括落入后附权利要求范围内的所有功能上等同的结构、方法和用途。根据本说明书和权利要求书的教导，本领域的技术人员能够对本发明进行大量的修改，并且能够在不偏离本发明的保护范围的情况下对其各个方面做出改变。

需要指出的是，术语“包括”并不排除其他元件或者步骤，“一”或“一个”并不排除多个。结合不同实施例描述的特征可以进行组合。还需要指出的是，权利要求中的附图标记不构成对权利要求的保护范围的限制。虽然参考优选实施例详细展示和描述了本发明，但本发明不限于所公开的实例，在不偏离本发明的保护范围的情况下，本领域的技术人员能够想到这些实例的其它变型。

Claims

1.一种海底湿配合连接器，包括：插座连接器主体，以及插头连接器主体；所述海底湿配合连接器的所述插座连接器主体包括至少两个插座嵌入件，所述至少两个插座嵌入件由选自电源连接器单元、数据连接器单元、光纤连接器单元、气体连接器单元或流体连接器单元中的至少一种连接器单元形成；所述海底湿配合连接器的插头连接器主体包括至少两个插头嵌入件，所述至少两个插头嵌入件由选自电源连接器单元、数据连接器单元、光纤连接器单元、气体连接器单元或流体连接器单元中的连接器单元形成，形成所述至少两个插头嵌入件的连接器单元与形成所述至少两个插座嵌入件的连接器单元相同。

2.根据权利要求1所述的海底湿配合连接器，其中，所述海底湿配合连接器的所述插头连接器主体的连接器单元和所述插座连接器主体的连接器单元包括选自可选的连接器单元的至少两种不同类型的连接器单元。

3.根据权利要求1或2所述的海底湿配合连接器，其中，所述海底湿配合连接器还包括适配器，所述适配器用于将所述插头连接器主体或所述插座连接器主体可拆卸地装配到安装装置上。

4.根据前述权利要求中任一项所述的海底湿配合连接器，其中，所述电源连接器单元包括铜导体或铜合金导体。

5.根据前述权利要求中任一项所述的海底湿配合连接器，其中，所述数据连接器单元包括以太网连接器、光纤连接器、铜线连接器、无线连接器和电感连接器中的一者。

6.根据前述权利要求中任一项所述的海底湿配合连接器，其中，所述光纤连接器单元包括扩束光纤连接器。

7.根据前述权利要求中任一项所述的海底湿配合连接器，其中，当所述海底湿配合连接器的插座连接器主体和插头连接器主体的至少两个连接器单元之一包括电源连接器单元时，所述至少两个连接器单元还包括供所述数据连接器单元用的电屏蔽件。

8.根据权利要求7所述的海底湿配合连接器，其中，所述电屏蔽件包括金属屏蔽件。

9.根据前述权利要求中任一项所述的海底湿配合连接器，其中，插座嵌入件的连接器单元构成所述插座嵌入件的一体形成的部分，插头嵌入件的连接器单元构成所述插头嵌入件的一体形成的部分。

10.根据前述权利要求中任一项所述的海底湿配合连接器，其中，所述插座连接器主体或所述插头连接器主体包括单个机加工主体，所述单个机加工主体包括在其中机加工出来的供各个嵌入件用的开口，以及用于将各个嵌入件密封到所述插座连接器主体或所述插头连接器主体上的一个或多个密封件。