海底電纜的故障檢測(cè)及修復(fù)工藝方法

王 昆，李敏雪，生 宏，王 靖，繳春景

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300452）

1 引言

隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，多樣化的海上石油平臺(tái)日益增加，而海底電纜作為海上各類平臺(tái)間的動(dòng)力傳輸設(shè)施，其安全性和重要性越來(lái)越廣泛地受到關(guān)注。由于海纜線路的隱蔽性和重要性，海底電纜一旦發(fā)生故障，不但會(huì)嚴(yán)重影響海上石油平臺(tái)的正常生產(chǎn)，造成很大的原油產(chǎn)量損失，而且還會(huì)影響平臺(tái)人員的正常工作和生活。因此如何準(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)并修復(fù)海底電纜變得尤為重要。

2 海底電纜的故障類型及檢測(cè)方法

2.1 海底電纜的故障原因

造成海底電纜故障的原因有很多，比如：機(jī)械損傷、絕緣老化變質(zhì)、過(guò)電壓、材料缺陷、設(shè)計(jì)和制作工藝不良以及護(hù)層腐蝕等。根據(jù)歷年來(lái)海纜故障的統(tǒng)計(jì)，引起海底電纜故障的原因大致如下：

（1）船舶拋錨引發(fā)的海底電纜損傷。

（2）電纜護(hù)管和電纜之間的摩擦造成電纜護(hù)層及絕緣層逐漸磨損，直至損壞。

（3）海纜交叉點(diǎn)部分經(jīng)常發(fā)生摩擦，久而久之，其電纜護(hù)層及絕緣層發(fā)生損壞而造成相間短路故障。

（4）地殼變動(dòng)對(duì)海纜形成的強(qiáng)拉力造成海纜損傷。

（5）潮汐能引發(fā)的波浪流使海纜移位和擺動(dòng)。

（6）海洋微小生物和有機(jī)體長(zhǎng)時(shí)間在海纜表面附著對(duì)海纜的化學(xué)腐蝕。

2.2 海底電纜的故障類型［1］

按照故障出現(xiàn)的部位，通?？煞譃榫€芯斷線故障、主絕緣故障和護(hù)層故障。按其故障性質(zhì)可分為低阻故障和高阻故障。

低阻故障指的是故障點(diǎn)絕緣電阻下降至該電纜的特性阻抗（即電纜本身的直流電阻值），甚至直流電阻為零的故障，也稱短路故障。

高阻故障指的是故障點(diǎn)的直流電阻大于該電纜的特性阻抗的故障，可分為斷路故障、高阻泄露故障和閃絡(luò)性故障。其中高阻泄露故障是指在電纜高壓絕緣測(cè)試時(shí)，當(dāng)試驗(yàn)電壓升高到一定值時(shí)，泄漏電流超過(guò)允許值的高阻故障。閃絡(luò)性故障是指試驗(yàn)電壓升至某值時(shí)，電纜局部出現(xiàn)閃絡(luò)放電現(xiàn)象，泄漏電流突然波動(dòng)，而此現(xiàn)象隨電壓稍降而消失，但電纜絕緣仍然有較高的阻值；由于這種故障點(diǎn)沒(méi)有形成電阻通道，只有放電間隙或閃絡(luò)性表面的故障，而稱為閃絡(luò)性故障。

2.3 海底電纜的故障檢測(cè)方法

電力電纜故障的查找一般要經(jīng)過(guò)診斷、測(cè)距（預(yù)定位）、定點(diǎn)（精確定位）3個(gè)步驟［2］。故障發(fā)生后，一般先通過(guò)測(cè)絕緣電阻等方法，初步判斷出故障的性質(zhì)；然后根據(jù)故障類型，采用合適的測(cè)量方法，初步測(cè)出故障的距離位置；最后沿著電纜走向在此位置前后仔細(xì)探測(cè)定點(diǎn)，直到找出精確的故障點(diǎn)位置。

在實(shí)際測(cè)試時(shí)，一般先用萬(wàn)用表、兆歐表等測(cè)量故障電纜的相間、相對(duì)地的絕緣電阻，結(jié)合電纜的情況以及絕緣電阻的測(cè)量情況初步判斷電纜的故障類型，再根據(jù)不同的故障類型針對(duì)性地選擇故障檢測(cè)方法，海底電纜的故障檢測(cè)流程如圖1所示。

圖1 海底電纜故障檢測(cè)流程圖

2.4 應(yīng)用實(shí)例

2011年3月22日下午JX1-1油礦突然停電，嚴(yán)重影響了各平臺(tái)正常運(yùn)行。經(jīng)排查判斷，CEPA至WHPB海纜故障。3月23日測(cè)試人員對(duì)JX1-1油礦CEPA至WHPB海纜進(jìn)行故障檢測(cè)，用萬(wàn)用表初測(cè)的結(jié)果如下：

綠相對(duì)地：0MΩ 綠相對(duì)紅相：0MΩ

紅相對(duì)地：0MΩ 綠相對(duì)黃相：0MΩ

黃相對(duì)地：0MΩ 黃相對(duì)紅相：0MΩ

由初測(cè)結(jié)果可以看出，此海纜的三相全為低阻性故障，故選擇低壓脈沖法分別對(duì)海纜的兩端進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

從絕緣測(cè)試和萬(wàn)用表測(cè)量數(shù)據(jù)可以判斷，海纜三相接地故障。由于海纜故障為三相接地故障，故無(wú)法測(cè)量海纜全長(zhǎng)，通過(guò)海纜測(cè)試數(shù)據(jù)分析：從CEPA平臺(tái)側(cè)測(cè)量故障點(diǎn)距離為127.7米；WHPB平臺(tái)側(cè)測(cè)量故障點(diǎn)距離為4202.3米，其故障點(diǎn)位置如圖3所示。

圖2 低壓脈沖法測(cè)量波形（JX1-1 CEPA至WHPB海纜）

圖3 海底電纜故障點(diǎn)位置示意圖

該測(cè)量結(jié)果經(jīng)海纜搶修項(xiàng)目檢驗(yàn)比較準(zhǔn)確，為海纜的修復(fù)工作起了重要的指導(dǎo)作用。事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于作業(yè)船施工時(shí)刮擦到海纜，導(dǎo)致海纜受損斷裂，后經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間海水浸泡導(dǎo)致最終接地。

3 海底電纜的修復(fù)工藝方法

電纜種類的不同決定了修復(fù)海纜工藝方法的不同，本文只針對(duì)淺海領(lǐng)域（水深50m以內(nèi)）的XLPE電纜維修作介紹。由于修復(fù)海纜是在船上作業(yè)，因此要求風(fēng)速不高于5級(jí)，浪涌不超過(guò)0.5m。

3.1 海底電纜修復(fù)工藝

故障點(diǎn)水深小于50m，修復(fù)XLPE電纜（非浸油電纜）的典型工藝修復(fù)順序如下［3］：

（1）海底電纜的故障點(diǎn)定位后，船舶在擬定故障點(diǎn)就位。

（2）潛水員水下探查故障海纜，確定海纜的位置。在海底用高壓水槍或其它吹泥設(shè)備，沿?cái)M定故障點(diǎn)兩側(cè)海纜走向?qū)⒑＠|沖出，需沖出的長(zhǎng)度由水深、電纜可彎曲半徑、故障點(diǎn)切除余量等因素決定。

（3）計(jì)算需用的備用海纜長(zhǎng)度。

（4）潛水員在水下切割電纜，在去除破損段的海纜兩頭安裝防水組件并做好標(biāo)記（1號(hào)和2號(hào)）。

（5）用就位在標(biāo)記為1號(hào)海纜斷點(diǎn)附近的浮吊，將故障海纜吊出水面并固定在作業(yè)平臺(tái)上。在去除損壞點(diǎn)和進(jìn)水部分后，對(duì)海纜進(jìn)行導(dǎo)體直流電阻測(cè)量、絕緣測(cè)量、鉛護(hù)套直流電阻均勻性測(cè)試和耐壓試驗(yàn)，排除其它故障情況［4］。

（6）采用海纜專用接頭將備用海纜與1號(hào)海纜端連接，并將1號(hào)海纜與備用海纜一起放回海底。

（7）將浮吊移至2號(hào)海纜斷點(diǎn)附近，并將2號(hào)海纜斷點(diǎn)吊出水面并固定在作業(yè)平臺(tái)上。在去除損壞點(diǎn)和進(jìn)水部分后，對(duì)海纜進(jìn)行導(dǎo)體直流電阻測(cè)量、絕緣測(cè)量、鉛護(hù)套直流電阻均勻性測(cè)試和耐壓試驗(yàn)，排除其它故障情況。

（8）采用海纜專用接頭將備用海纜與2號(hào)海纜端連接，并將2號(hào)海纜與備用海纜一起放回海底。

（9）對(duì)修復(fù)后的整根海纜進(jìn)行導(dǎo)體直流電阻測(cè)量、絕緣測(cè)量、鉛護(hù)套直流電阻均勻性測(cè)試和耐壓試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足最新API Spec17E標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 備用海纜長(zhǎng)度計(jì)算

海纜的修復(fù)工藝中，故障點(diǎn)、外部損傷、進(jìn)水部分都需要在進(jìn)行相關(guān)電氣測(cè)試工作時(shí)將其切除掉，修復(fù)海纜所需的備用電纜長(zhǎng)度需要通過(guò)手工比較計(jì)算得出。

修復(fù)海纜最常用的入水角度α一般接近60°，通過(guò)該角度就可以計(jì)算出需用備用海纜的長(zhǎng)度，修復(fù)海纜所需電纜長(zhǎng)度計(jì)算示意圖如圖4所示。

圖4 修復(fù)海纜所需電纜長(zhǎng)度計(jì)算示意圖

切除電纜的最小長(zhǎng)度為：

式中：H為從海纜所處的海床底部至海平面維修船舶甲板之間的距離；B為維修平臺(tái)長(zhǎng)度的1／2；J為海纜修復(fù)連接作業(yè)處為便于修復(fù)所需富余的長(zhǎng)度；D為海纜故障檢測(cè)出的破損段，底部的連接處不產(chǎn)生移位所需的最小長(zhǎng)度；W為切除電纜的長(zhǎng)度（外部破損、進(jìn)水、測(cè)試長(zhǎng)度）；α為連接作業(yè)時(shí)電纜的入水角度。

如果切除海纜的長(zhǎng)度W≤Wmin，則修復(fù)海纜所需的備用海纜長(zhǎng)度L1應(yīng)滿足：L1≥Lmin；

如果切除海纜的長(zhǎng)度W＞W(wǎng)min，則修復(fù)海纜所需的備用海纜長(zhǎng)度L2應(yīng)滿足：L2≥Lmin+W-Wmin。

3.3 海纜的連接及測(cè)試

海纜的連接及測(cè)試具體方法如下：

①用浮吊將故障海纜吊出水面并固定在作業(yè)平臺(tái)上。

②將故障電纜從過(guò)故障點(diǎn)1m處切除，并用兆歐表測(cè)量其絕緣電阻，若電纜絕緣值低于200MΩ，則繼續(xù)切除，直至絕緣達(dá)到200MΩ以上。

③對(duì)海纜進(jìn)行導(dǎo)體直流電阻測(cè)量、鉛護(hù)套直流電阻均勻性測(cè)試和耐壓試驗(yàn)，排除其它故障。

④將試驗(yàn)合格后的海纜端頭和備用海纜端頭固定在工作架上，使需要對(duì)接海纜兩端穿過(guò)海纜護(hù)卡的緊固部分。剝開海纜保護(hù)鋼鎧，使鋼絲回返均勻包住電纜護(hù)卡緊固部分的錐心，然后進(jìn)口外套。

⑤除去緩沖尼龍帶，松開纏繞在海纜線芯上的屏蔽帶，將兩段電纜三條芯線分別錯(cuò)開25～30cm鋸掉，兩端海纜必須一樣，以保證對(duì)接后三個(gè)接頭的位置互相交錯(cuò)，而不至于形成一個(gè)大“腫瘤”，防止接點(diǎn)過(guò)熱出現(xiàn)故障。

⑥剝除20cm絕緣屏蔽層，剝除10cm絕緣層，剝除5cm導(dǎo)體屏蔽層，用砂紙打磨平整，清除線芯氧化層，然后用無(wú)水酒精清潔表面，確定無(wú)雜質(zhì)后，方可纏繞絕緣帶。

⑦兩端線芯分層進(jìn)行熱熔接，三相線芯熔接完成后再用無(wú)水酒精進(jìn)行清潔。

⑧用半導(dǎo)體的交聯(lián)聚乙烯膠帶在距離導(dǎo)體屏蔽層5cm處均勻纏繞5層，然后用熱吹風(fēng)機(jī)使之均勻受熱融合，并用砂紙打磨平整，再用無(wú)水酒精清潔，恢復(fù)海纜的導(dǎo)體屏蔽層；用高壓干式交聯(lián)聚乙烯絕緣防水膠帶在距離絕緣層10cm處均勻纏繞20～25層，然后用熱吹風(fēng)機(jī)使之均勻受熱融合，并用砂紙打磨平整，再用無(wú)水酒精清潔，恢復(fù)海纜的導(dǎo)體的絕緣層；滿纏半導(dǎo)體的高壓交聯(lián)聚氟乙烯白膠帶5層，然后用熱吹風(fēng)機(jī)使之均勻受熱融合，并用砂紙打磨平整，再用無(wú)水酒精清潔，恢復(fù)海纜的絕緣屏蔽層；纏玻璃絲白粘帶5～10層；用縱向開口的鉛護(hù)套包住海纜的線芯接頭，使之熱融合，從而恢復(fù)海纜的鉛護(hù)套屏蔽層。

⑨安裝電纜護(hù)卡所有緊固螺栓。從護(hù)卡天窗澆注溫度低于50℃的瀝青，使瀝青充滿電纜護(hù)卡，以提高接頭處絕緣強(qiáng)度和防腐能力。

⑩海纜接頭制作完畢后，對(duì)整根海纜進(jìn)行導(dǎo)體直流電阻測(cè)量、絕緣測(cè)量、鉛護(hù)套直流電阻均勻性測(cè)試和耐壓試驗(yàn)，以上的測(cè)試結(jié)果應(yīng)滿足最新API Spec17E標(biāo)準(zhǔn)。

4 預(yù)防措施

海纜由于所處的海洋環(huán)境條件，維護(hù)和保養(yǎng)工作極為困難，一旦發(fā)現(xiàn)其損壞，往往很難維修，導(dǎo)致平臺(tái)停產(chǎn)，使客戶蒙受嚴(yán)重?fù)p失。因此，加強(qiáng)在其使用過(guò)程中的維護(hù)工作，尤為重要。海底電纜的維護(hù)管理工作，建議采取如下措施。

（1）定期對(duì)海纜進(jìn)行檢測(cè)，收集整理海纜使用過(guò)程中的相關(guān)資料，監(jiān)視海底電纜在操作使用過(guò)程中各種參數(shù)的變化情況，掌握海纜的使用情況。

（2）船在油田海域需要拋錨時(shí)應(yīng)先取得允許拋錨坐標(biāo)，并嚴(yán)格按照規(guī)定在指定區(qū)域拋錨。平時(shí)在海面值班巡視的工作船，一定要特別注意過(guò)往船舶及漁業(yè)捕撈作業(yè)等有無(wú)危機(jī)海纜安全的行為，以防止由此引起的機(jī)械損傷事故。SZ36-1油田、JZ21-1油田和JX1-1油田近年來(lái)在這方面有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)表明了防患工作的重要性。

（3）海纜自海底引向平臺(tái)甲板時(shí)，電纜護(hù)管起保護(hù)作用。因此必須加強(qiáng)對(duì)護(hù)管部位的防護(hù)措施，以防止冰荷載、惡浪及船舶的意外撞擊。定期對(duì)海纜護(hù)管進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)損壞的立即修復(fù)，防止護(hù)管斷裂沿海纜落入海中。

（4）收集海纜施工和檢測(cè)資料，對(duì)每一條海纜的走向、水底富余量、實(shí)際長(zhǎng)度等資料詳細(xì)收集，便于故障時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量和定位。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文探討的海底電纜故障檢測(cè)及修復(fù)工藝方法是針對(duì)淺海油田海底電纜出現(xiàn)故障后采取的檢測(cè)維修技術(shù)。此技術(shù)在SZ36-1、JZ21-1和JX1-1等油田的海纜維護(hù)搶修工程中多次得到應(yīng)用。

［1］徐丙垠.電力電纜故障探測(cè)技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［2］韓伯鋒.電纜故障閃測(cè)原理與電纜故障測(cè)量［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

［3］張文國(guó)，劉效國(guó)，曹志陽(yáng).電纜故障閃測(cè)原理與電纜故障測(cè)量［J］.電工技術(shù)，2010，（6）：56-57.