水下電飛線及接頭國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)研究

陳斌，蘇鋒，范玉楊，劉立新，李斌

（海洋石油工程股份有限公司天津濱海新區(qū)，300451）

引言

水下電飛線及接頭是水下控制系統(tǒng)的必要組成部分，如果說水下控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的“中樞神經(jīng)”，那么電飛線及接頭就猶如水下生產(chǎn)系統(tǒng)的“血管”。目前世界海洋油氣領(lǐng)域的水下電飛線及接頭主要由英國 Siemens(Tronic)，美國Teledyne ODI，德國GISMA和英國RMS幾家公司的產(chǎn)品壟斷。

近年來，水下生控制系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備比如水下控制模塊（SCM）、水下分配單元（SDU）、臍帶纜、液壓動力站、電力單元和主控站等先后進行了國產(chǎn)化研制、并逐步開展國產(chǎn)化示范應(yīng)用。在近期的一些水下生產(chǎn)系統(tǒng)項目方案制定和工程實施中，發(fā)現(xiàn)僅僅實現(xiàn)水下控制系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化還不能真正解脫國外“卡脖子”技術(shù)與設(shè)備的束縛，其中最顯著的就是水下電飛線與接頭，國外公司的產(chǎn)品不僅報價高，而且供貨周期長，最長的供貨周期長達(dá)40周，這嚴(yán)重制約著工程項目的計劃執(zhí)行和成本控制，甚至在合同簽署過程中會有一些不公平的附加條件。這嚴(yán)重制約著我國水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為此，我們必須盡快開展水下電飛線與接頭的國產(chǎn)化研究和實施。

1 水下電飛線及接頭基本構(gòu)成介紹

通常說的電飛線包括三部分組成，兩端的電接頭和中間的連接電纜構(gòu)成，如圖1所示。兩端的電接頭根據(jù)具體工程項目的系統(tǒng)設(shè)計，一般有3大操作類型，2種規(guī)格，組合起來就是有六種不同型式。3大操作類型主要包括：水下機器人（ROV）操作類型、潛水員（Diver）操作類型和板式類型，2種規(guī)格包括針式和孔式。

圖1 典型潛水員操作型式電飛線組成圖

圖2 典型ROV操作型式電飛線組成圖

水下電飛線一般由電接頭、電纜、緊固件和限彎器等部分組成，水下飛線組件要求如下：

a) 填充了非導(dǎo)電介質(zhì)的軟管，內(nèi)部包含電線，兩端都配有合適的接頭。

b) 在電飛線軟管內(nèi)有足夠長的電線，以適應(yīng)軟管組件的最大伸長。

c) 水下電飛線和軟管組件都預(yù)充介質(zhì)，目的是在地表和水下溫度和壓力（包括施工期間）的所有條件下保持最低0.3bar的內(nèi)部超壓。預(yù)充壓力不應(yīng)在軟管材料中產(chǎn)生對臭氧或紫外線抗性造成不利影響的應(yīng)變。

d) 還應(yīng)考慮在儲存過程中，在臭氧和紫外光作用下，在內(nèi)部預(yù)充介質(zhì)和捆綁在結(jié)構(gòu)上的飛線材料。

e) 飛線中電纜芯線的絕緣層不得與任何具有接地電位的導(dǎo)體材料直接接觸。

2 水下電飛線與接頭設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

水下電飛線與接頭應(yīng)設(shè)計為可靠的和可重復(fù)使用的，其配置適合于潛水員或ROV/ROT在水下混濁條件下操作。在設(shè)計電氣與控制回路時有一個重要的原則即是：嚴(yán)禁帶電操作插拔水下電氣接頭與飛線，禁止在意外解脫的工況下出現(xiàn)帶電針腳直接與海水接觸，以免造成短路與針腳電解。

水下電接頭（見圖3）和水下電飛線組件的設(shè)計主要考慮以下幾個方面：

圖3 電接頭主要組成

a) 海水與電氣導(dǎo)體之間應(yīng)設(shè)置雙密封，雙密封的完整性應(yīng)能在質(zhì)量鑒定試驗期間進行測試，在出廠驗收測試(FAT)期間至少進行一次測試。

圖4 電接頭雙密封示意圖

b) 當(dāng)處于未對接狀態(tài)下，兩個電接頭中至少有一個接頭的電氣元件應(yīng)采用雙密封，采用雙密封端應(yīng)為電氣帶源端或者送源端。

c) 電接頭壓力完整性和阻水方式應(yīng)通過質(zhì)量鑒定。

d) 電接頭的尾端應(yīng)設(shè)計有軟管組件終端裝置，與充油電纜（應(yīng)用水深較淺時可以為普通電纜）連接，為電接頭和電纜之間消除應(yīng)變和提供支撐。

e) 不論電飛線及電接頭的電流/功率要求如何，接觸點應(yīng)牢固可靠，且最好是鍍金的。

f) 在初步對接中，接頭引腳不能與另一端有物理接觸，以確保接頭引腳不受任何接頭的初步對準(zhǔn)力。

g) 設(shè)計應(yīng)滿足為同一接頭提供多個獨立交流電路的應(yīng)用要求，允許相鄰電路之間存在180o相位差的電位。

h) 電接頭終端連接方式可以采用直線型連接盒或者斜角連接兩種形式。

i) 電接頭所有材料都要經(jīng)過鑒定和驗證，以適合接頭的應(yīng)用。

2.1 工作水深要求

由于深水油氣田開發(fā)中，其主要的難度就在于水下巨大的外部水壓，因此水下電氣接頭與飛線主要考慮的性能參數(shù)就是水深適應(yīng)能力，目前國際主流廠商的產(chǎn)品一般標(biāo)配為水下3000 m工作水深，這一性能足以滿足目前我國周邊深水開發(fā)工程的需要。

2.2 插拔次數(shù)要求

水下電接頭與電飛線是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，除能夠滿足油氣田的整體開發(fā)壽命要求外，有時根據(jù)生產(chǎn)計劃或緊急情況下需要對水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備進行檢修、維護或者回收，因此，需要在水下對電接頭或飛線進行拔出與重新連接，但受海水高壓強以及海水不清潔的影響，容易造成水下電接頭與飛線端接口發(fā)生短路、腐蝕、進砂、進水等情況的發(fā)生，導(dǎo)致金屬針腳不能正常耦合。考慮正常操作、緊急情況發(fā)生頻率以及現(xiàn)場測試等需求，一般要求電接頭在其設(shè)計年限內(nèi)插拔次數(shù)至少不小于200次。

2.3 接觸電阻

由于水下電氣接頭與飛線存在于每一個水下控制設(shè)備中，在進行水下濕式連接時，為保證正確的連接，要求接觸電阻不大于10 兆歐姆。

2.4 操作形式要求

根據(jù)油氣田總體的開發(fā)方案與水深要求，水下電氣接頭與飛線的操作方式分為ROV操作、潛水員操作，操作把手可分為T型、船槳型以及魚尾型，具體的把手形式可根據(jù)工程實施者的操作者習(xí)慣來決定，目前較為常用的為船槳型把手。

2.5 插拔力矩要求

根據(jù)操作形式的要求R0V操作的多芯數(shù)接頭，其插拔力矩一般要求小于51千克，潛水員操作的要求小于23千克。在水下作業(yè)時，如果操作力矩過大，可能會造成水下插拔失敗，給項目施工帶來不便。

2.6 可靠性

水下電氣接頭與飛線的可靠性一般由其失效前的平均工作時間(MTBF)來衡量，MTBF 越大說明可靠性越高。在進行選型時盡量選擇可靠性較高的水下電氣接頭與飛線，盡量降低后期維護費用。

2.7 材料要求

水下電飛線和接頭應(yīng)使用經(jīng)過驗證的材料進行設(shè)計和測試，這些材料在規(guī)定的使用壽命內(nèi)適用于相關(guān)設(shè)備、應(yīng)用和環(huán)境。建議將NORSOK M-001作為材料選擇和材料測試的參考標(biāo)準(zhǔn)。

考慮到水下電氣接頭與飛線所能接觸的應(yīng)用場景，其所有接頭材質(zhì)，包括護套充油管均應(yīng)滿足與海水、自來水以及硅油等介質(zhì)接觸，不發(fā)生由于化學(xué)變化引起水下電氣接頭與飛線發(fā)生老化或性能降低。

水下電氣接頭與飛線一般應(yīng)用于水下幾百米甚至上千米，海水中含有大量的氯離子，氯離子會破壞金屬保護層，對奧氏體不銹鋼會產(chǎn)生晶間腐蝕，一般水下電氣接頭與飛線外殼采用低碳不銹鋼，采用與CP系統(tǒng)保持電連續(xù)性的方式進行防腐保護，另外，一些產(chǎn)品的外殼直接采用鈦合金材料，使其防腐性能更加優(yōu)異。目前，國內(nèi)水下項目上通常采用超級雙向不銹鋼材質(zhì)的電接頭。

3 水下電飛線與接頭制造關(guān)鍵技術(shù)

水下電飛線與接頭制造商應(yīng)具有適用于接頭組件中包括的所有材料的材料規(guī)格書，這些材料規(guī)格書應(yīng)包括確保設(shè)計的可重復(fù)性能所需的參數(shù)。在制造過程中，每個接頭組件及其各個部件都應(yīng)有100%的制造記錄，作為可追溯文件，以便對同樣的接頭組件進行比較和校正。

對于金屬材料，制造商應(yīng)按照EN10204標(biāo)準(zhǔn)的3.1類進行的證書進行交付。對于聚合物和彈性材料，制造商應(yīng)根據(jù)記錄的材料特性和以下準(zhǔn)則制定驗收標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)給出最大值時，結(jié)果應(yīng)該是滿足+0%到-20%。當(dāng)給定最小值時，結(jié)果應(yīng)滿足-0%到+20%。

在制造過程中，對于金屬材料焊接方面，制造商應(yīng)使用其內(nèi)部合格的焊接和測試技術(shù)、程序、設(shè)備、材料和人員。按照制造商正常的電連接器焊接程序，焊接的過程文件應(yīng)包含在電連接器的完工文件中。如果業(yè)主有需要，電連接器焊接過程中的所有文件都應(yīng)提供審查。

制造商應(yīng)證明其擬用的制造設(shè)備，滿足在產(chǎn)品設(shè)計期間提出的ISO 13628-6第9節(jié)中規(guī)定的制造要求以及下列的制造要求。

電連接器的端子連接應(yīng)由經(jīng)批準(zhǔn)的人員按照批準(zhǔn)的程序進行；

電飛線應(yīng)由經(jīng)批準(zhǔn)的人員按照批準(zhǔn)的程序進行組裝和測試；

注油前應(yīng)對油料進行測試和檢查。

圖5 公接頭內(nèi)部零部件組裝

圖6 公接頭與飛線集成

4 水下電飛線與接頭測試關(guān)鍵技術(shù)

4.1 接觸電阻測試

接觸電阻測試主要是測量2個濕式對接接頭的接觸電阻。接觸電阻應(yīng)是從用于連接導(dǎo)線到觸點的點（即焊點/壓接點）之間測量的電壓降（僅在額定電流下）或使用相同測量精度的歐姆表（開爾文四線法）測量。當(dāng)測量線電阻，外部引線時，必須在接頭和導(dǎo)線終端連接之前測量和驗證導(dǎo)線電阻。在任何情況下，導(dǎo)線的電阻都不會使測量精度降低。應(yīng)記錄實際測量值。

一般情況下，接觸電阻的計算公式為a*b+0.2*c，a表示單位長度電纜阻值，b表示測試電纜總長度，c表示測試回路中接頭數(shù)量。

4.2 殼連續(xù)性測試

殼連續(xù)性測試適用于帶陰極保護的接頭。測試的目的是確定具有金屬外殼的接頭之間的電阻，以便在對接時提供電連續(xù)性。在對接的接頭上進行測量。本測試的接頭應(yīng)用于連接有絞線或殼連接線的自由端和安裝在法蘭上的固定端。驗收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)小于0.1Ω。

4.3 絕緣電阻測試

絕緣電阻測試的目的是量化以下各項之間的絕緣電阻：

1) 接頭中的單個觸點/線束導(dǎo)體；

2) 單個觸點/線束導(dǎo)體和接頭外殼。

單個觸點的絕緣電阻應(yīng)用最小量程為100GΩ的儀器測量。應(yīng)記錄測試期間的溫度和濕度。

測試電壓應(yīng)為1000VDC，但以下情況除外：1) 飛線中以太網(wǎng)電纜試驗應(yīng)根據(jù)實際電纜的額定電壓進行。

2) 終端設(shè)備的飛線試驗應(yīng)根據(jù)實際端接設(shè)備的額定電壓進行。參考API 17F 附錄H。

驗收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為，讀數(shù)大于20GΩ（僅適用于接頭），飛線組件（包括不適用于1000VDC測試的帶有電纜或設(shè)備的飛線）的讀數(shù)大于10GΩ，帶終端儀表的飛線組件的讀數(shù)大于1GΩ。

4.4 驗證電壓測試

該測試用于驗證絕緣隔離和觸點/電路間距是否足以防止發(fā)生閃絡(luò)，將驗證電壓下接頭的電流泄漏或絕緣擊穿概率降至最低。

驗證電壓試驗應(yīng)按照IEC 60502-1和IEC 60060-1標(biāo)準(zhǔn)進行。

每根導(dǎo)體與外殼（接地）之間的選定驗證電壓（剩余導(dǎo)體接地）應(yīng)為3.5kVAC。如果最終使用的所有引腳的接觸電壓不超過50VDC，則可使用4.5kVDC進行測試。

飛線中以太網(wǎng)電纜的驗證電壓試驗應(yīng)根據(jù)實際電纜的額定電壓進行。飛線的驗證電壓測試應(yīng)根據(jù)實際終端設(shè)備的額定測試電壓進行。

每次電壓檢查應(yīng)持續(xù)5分鐘。所有結(jié)果應(yīng)記錄為絕對值。在裝配過程中可以進行多次這樣的試驗。驗收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為，無絕緣擊穿跡象，無閃絡(luò)跡象，并測量和記錄漏電電流。

5 水下電飛線與接頭國產(chǎn)化建議

(1) 水下電飛線與接頭國產(chǎn)化建議分兩步走。第一步重點瞄準(zhǔn)電接頭密封和絕緣，能夠通過機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對準(zhǔn)和插拔動作；第二步重點關(guān)注接頭中間連接電纜或者充油纜的相關(guān)設(shè)計，同時對第一步的內(nèi)容進行優(yōu)化和定型。

(2)進一步研究密封、絕緣等關(guān)鍵材料，保證材料和零部件規(guī)格參數(shù)滿足技術(shù)要求，并逐步建立我國電飛線與接頭設(shè)計、制造和測試技術(shù)體系。

(3) 國產(chǎn)電飛線與接頭的安全可靠性和使用壽命是研制工作的重中之重，可加強實施客戶委托的第三方駐廠質(zhì)量監(jiān)督工作，同時通過在生產(chǎn)項目中設(shè)計冗余或者備用等方式，優(yōu)先為國產(chǎn)化水下電飛線與接頭創(chuàng)造國產(chǎn)化示范機會。

6 結(jié)論

(1) 水下電飛線及其組件設(shè)計主要依據(jù) API 17F /SEAFOM TSD-02 標(biāo)準(zhǔn)，一般應(yīng)設(shè)計為雙密封型，非金屬密封一般采用氟硅橡膠等性能優(yōu)異的橡膠材料。

(2) 水下電飛線及其組件是否采用水下機器人操作方式，還是潛水員操作方式，取決于產(chǎn)品實施的目標(biāo)油氣田水深參數(shù)。

(3) 水下電飛線及其組件的材料選擇應(yīng)滿足API 17D、API 6A、NORSOK M-001、NORSOK M-630和NORSOK M-710。

(4)水下電飛線及組件出廠試驗步驟及驗收準(zhǔn)則嚴(yán)格按照 API 17F相關(guān)規(guī)定及要求執(zhí)行。