海底復合電纜的故障定位及修復

顧偉偉，張 華，葛揚志，黃鐵軍，孫建生，李春剛

(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海200030;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

東海某氣田群的井口平臺電力和信號通訊由一條連接中心平臺的海底動力/通訊復合電纜提供(以下簡稱海纜)。2011年5月，中心平臺完成某設備檢修，準備給井口平臺供電的過程中，開關面板發生故障報警，供電開關自動分閘。隨即檢測了海纜的絕緣電阻，發現三相中的黃相對地絕緣電阻為零，確認海纜發生故障，無法正常供電。該海纜鋪設后與其它已鋪設海纜有四點不同:一是該海纜的密封方式為統包型，而不是分包型;二是海纜上平臺的護管底部塞了塞子;三是海纜被填埋;四是鋪好的海纜已有兩個接頭盒。針對這四點不同，展開了一系列修復方案的研究和探討，最終在現場成功實施，為故障海纜的維修提供了新思路。

1 故障點定位

1.1 海纜參數

海纜額定電壓為12.7/22 kV，復合光纖18芯，3相，導體截面50 mm2，絕緣材料為交聯聚乙烯(XLPE)，鋪設長度19.45 km。海纜結構見圖1。

海纜于2005年11月鋪設完工，由于鋪設過程中檢測發現單相導體電阻偏高，在距離中心平臺17.033 km和18.561 km處安裝有兩個電纜接頭。

1.2 故障測試

1.2.1 絕緣測試

故障發生后，選用2 500 V搖表測試海纜的三相絕緣，將絕緣電阻值與歷年絕緣電阻值列于表1。

表1 海纜絕緣電阻檢測結果

1.2.2 故障點測試

采用電纜故障測試儀對海纜的故障點進行檢測，從中心平臺向井口平臺端檢測，故障點距離中心平臺17.032 km，見圖1。從井口平臺向中心平臺端檢測，故障點距離井口平臺2.38 km，見圖2。

1.3 滲水長度

海纜故障后三相絕緣電阻降幅較大，黃相絕緣失效。結合海纜為統包型防水結構，可以判斷黃相在故障點已被擊穿，并已進水，從而導致藍、紅兩相絕緣電阻降低。

圖1 故障海纜的結構圖(型號規格SCC-YJA41 12.7/22 kV 3×50+18SM)

圖1 中心平臺檢測故障點

圖2 井口平臺檢測故障點

根據故障點的測試結果，海纜的故障點在距離中心平臺17.032至17.07 km之間。

海纜路由段最大水深約110 m，隨著時間的推移，已擊穿海纜在水壓作用下進水長度會不斷增大，參考電纜廠家提供的海纜經驗進水長度公式:

式中，L為進水海纜長度(m);T為進水時間(d);H為水深(m)。

按照三個月的準備周期考慮，單側進水長度約1.9 km，累計進水長度約3.8 km。因此，搶修時間長短直接決定整個維修費用的多少。

2 確定修復方案

2.1 確定單接頭修復方案

實施海纜維修會產生至少一個接頭盒，受海上施工環境限制，接頭盒連接工藝難以滿足接頭工藝環境濕度的要求，接頭盒是整條海纜的薄弱環節。

從海纜故障點的位置判斷，故障點剛好在JB01接頭盒附近(見圖3)。綜合考慮，該接頭盒在送電過程中被擊穿導致海纜進水的可能性較大。

圖3 接頭盒和故障點位置

結合海纜的現狀，有四種可能的修復方案，見表2。

表2 可能的海纜修復方案對比

為兼顧海纜修復后的可靠性和修復成本，選擇“單接頭修復”為施工方案。

2.2 確定更換海纜的長度

一旦決定采取“單接頭修復方案”，即切除故障段海纜，將新海纜與非故障段的海纜相連接的方案。那么，決定購買新海纜的長度由兩部分組成:一是井口平臺至故障點JB01接頭盒的電纜2.38 m;二是從故障點JB01算起，往中心平臺方向，根據電纜廠家提供的經驗進水長度公式，按照3個月的準備周期考慮，至少準備約4.4 km的海纜。再考慮到船舶檔期和海上施工海況不確定等因素，最終決定采購6 km海纜。

3 施工難點的解決

3.1 密封塞的抽拉

原海纜鋪設時在護管喇叭口處安裝了密封塞，以防止海纜在護管內隨涌浪撞擊護管，密封塞結構及位置見圖4。在110 m深度下，若通過移動施工船直接從喇叭口強行抽拉，將會發生海纜撕裂護管的風險。

圖4 海纜護管和密封塞位置

設計方案:制作10 t的配重導向裝置，在距離護管喇叭口5 m左右下放。在完成工作潛水器(ROV)掛鎖海纜后，移動施工船抽拉海纜，海纜在導向裝置的作用下不會施加給海纜護管縱向拉力，以保障護管安全(見圖5)。

圖5 配重導向裝置示意圖

方案分析:雖然安裝海纜導向裝置可保護海纜護管，但該裝置的就位對船舶和海況的要求較高，實現的難度較大，花費時間較長。安裝導向裝置大約需要1 d，而且安裝期間船舶距離平臺很近，若動態定位(DP)失效，存在著施工船撞擊平臺的風險。

因此，實際的操作過程中還是考慮了兩個方案，安裝導向裝置方案作為備選方案。優先嘗試使用施工船的尾吊小幅度提拉海纜，使密封塞松動，平臺卸放海纜，借助約120 m海纜的自重壓送密封塞。最終的實施效果是，在船舶尾吊1 t的拉力和海纜自重壓力作用下，密封塞從護管內退出，整個過程約20 min，安全順利地完成了海纜抽拉作業。

3.2 接頭盒的回收

海纜原有接頭盒重量約300 kg，且未安裝限彎器。由于考慮不周，在回收第一個接頭盒(JB02)時，直接利用張緊器回收，接頭盒提拉上船尾時，在涌浪的作用下，海纜從接頭盒端部脫落，落入海中。這樣的結果，直接增加了約20 h的海纜打撈時間。因此，急需制定一套可靠的接頭盒回收方案。

設計方案:當回收海纜到接頭盒處時，下放ROV對接頭盒兩側海纜進行掛扣，利用絞車配合收纜滾筒同時回收鋼絲繩和海纜，兩端同時提拉接頭盒，如圖6所示。

圖6 海纜接頭盒回收示意圖

在回收第二個接頭盒(JB01)時使用了此回收方案，增加了約3 h的水下掛扣時間，但接頭盒回收順利，整個過程總計耗時約6 h。

3.3 接頭盒的連接

海纜接線盒的安裝質量是保障海纜修復質量的關鍵。按照要求，相對濕度應小于60%，而海上施工期間，很難滿足該要求，因此，需要采取一系列的措施:

(1)制作臨時工房，無此條件也可搭設封閉防雨棚，在船舶甲板上利用腳手架搭設并鋪蓋帆布，防止涌浪進入;

(2)空調抽濕或放置除濕器;

(3)在導體連接時使用酒精棉擦拭，借助酒精揮發吸收局部環境的熱量，從而達到降低濕度的效果;

(4)導體連接好后，用電吹風吹烤，保障導體表面干燥。

通過以上辦法，有效地提高了海洋環境下接頭盒的連接質量。在完成接頭盒連接后，海纜三相絕緣電阻測試均在105MΩ以上，與原海纜鋪設后絕緣量級一致。

4 結束語

井口平臺海纜單接頭盒修復方案的實施取得了良好效果，主要體現在以下幾個方面:

(1)提高了整根海纜的可靠性。一個接頭盒替換了原有的兩個接頭盒。

(2)節約了工程費。經過優化海纜密封塞的抽拉方案，大大縮短了電纜抽拉時間，減少了船舶租賃費用。

(3)驗證了海纜故障點測試的準確性。JB01接頭盒被打撈出來后，經絕緣測試，接頭盒內黃相絕緣電阻為零，明確為接頭盒內故障。

(4)電纜進水長度計算公式有一定的參考價值。從截斷的回收海纜可以看出，JB01接頭盒向中心平臺側海纜進水約1 km，距離故障發生時間約4個月。

(5)為海纜的回收和修復積累了經驗。