陶軍聯(lián) 葛 勇

（中海油能源發(fā)展采油服務公司曹妃甸作業(yè)公司，天津開發(fā)區(qū)，郵編：300457）

1.0 前言

曹妃甸油田單點電滑環(huán)擔負著油田的動力、控制信號、火氣和關(guān)斷信號、數(shù)據(jù)信息等的傳輸功能，是以FPSO為生產(chǎn)主體的油田的核心部件，其可靠性和安全性直接影響著油田的正常運行。

2.0 電滑環(huán)結(jié)構(gòu)和原理簡介

海洋石油112電滑環(huán)生產(chǎn)廠家為挪威的FOCAL公司，其主要組成部分為：高壓滑環(huán)、低壓滑環(huán)和光滑環(huán)。（另外還有流體滑環(huán)，本文不做介紹）

電滑環(huán)外觀如圖，自上到下依次為光滑環(huán)，低壓滑環(huán)和高壓滑環(huán)。

光滑環(huán)肩負著FPSO到各平臺的光纖數(shù)據(jù)傳輸功能。主要傳輸PMS系統(tǒng)（電源管理系統(tǒng)）的卸載信號，電視電話及網(wǎng)絡(luò)通訊信號。

單點的控制信號，火氣和關(guān)斷信號，CCTV和單點狀態(tài)監(jiān)測以及單點照明和設(shè)備動力電源則通過低壓滑環(huán)傳輸，傳輸電壓有24V、220V和380V。

高壓滑環(huán)主要是把FPSO發(fā)出的電輸送到各個小平臺。由三組10套

銅環(huán)組成，其中一套為接地環(huán)。電壓等級為10.5KV，單個銅環(huán)額定電流585A。

高壓滑環(huán)系統(tǒng)由固定部分和旋轉(zhuǎn)部分組成。FPSO來的高壓電通過升高塔跨接電纜，接到單點旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分－電刷上；去海纜的高壓電通過銅棒直接接到旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的固定部分－銅環(huán)上。兩者的連接通過電刷與銅環(huán)的接觸來實現(xiàn)。在電刷背后有彈簧壓緊電刷,以保持良好接觸。電刷圍繞銅環(huán)旋轉(zhuǎn)，不論FPSO怎樣旋轉(zhuǎn),電刷和銅環(huán)始終保持緊密接觸,實現(xiàn)電能傳遞。

3.0 電滑環(huán)故障檢修

海洋石油112電滑環(huán)在2007年和2010年出現(xiàn)過兩次嚴重故障，故障現(xiàn)象類同，均導致高壓滑環(huán)嚴重損毀。本文以2010年2月的事故為例，對滑環(huán)的事故處理和檢修以及后期的防范和改進措施進行介紹。

3.1 故障前設(shè)備的運行狀態(tài)

FPSO有5臺7.4MW發(fā)電機分別通過兩臺輸出變壓器TR－9001和TR－9002，途經(jīng)單點到WGPA，給 WHPA（TR－9001）以及給 WHPD（TR－9002）等平臺供電。正常情況下，平臺所需要的電力都是由112提供。除WHPD具備反送電能力，能夠通過應急發(fā)電機帶少量生產(chǎn)井，其他平臺都是主電一失，生產(chǎn)就關(guān)停。

下圖為海洋石油112配電系統(tǒng)簡圖：

在失電的前一天下午，兩臺輸出變壓器二次側(cè)（滑環(huán)側(cè)）的負載電流分別是：TR－9001為461A，TR－9002為376A。變壓器的二次側(cè)最大額定電流值是549A。對于TR－9001來說已經(jīng)達到最大額定負載的84%，負載已經(jīng)相當大了。TR－9002是最大額定負載的68.5%。

3.2 故障的發(fā)生和調(diào)查

201 0年2 月6日的下午1點多鐘，曹妃甸油田從FPSO輸送到井口平臺WGPA的兩路變壓器中的一路TR－9001的保護繼電器發(fā)生跳閘，導致部分平臺失電停產(chǎn)。根據(jù)高壓盤上的ABB綜合保護繼電器K500的故障指示，我們發(fā)現(xiàn)一個很大的短路電流出現(xiàn)，超過8000Amps，導致真空斷流器跳閘，切斷了主變壓器TR－9001輸出到井口平臺WGPA的電源。同時在TR－9002的保護繼電器上顯示出現(xiàn)一個很大的接地電流。我們隨即手動切斷了TR－9002的真空斷路器。

到變壓器室進行檢查，發(fā)現(xiàn)有大量異常氣味從變壓器中性點接地柜冒出。但對接地電阻進行目視檢查，沒有異?，F(xiàn)象。異味產(chǎn)生原因應是接地電流通過接地電阻造成的。是滑環(huán)故障？還是海纜故障？還是外部平臺負載故障？我們需要在最短的時間內(nèi)確定故障發(fā)生的位置。當時WGPA正在進行新MCC施工作業(yè)，他們有可能誤合在WGPA的高壓母聯(lián)開關(guān)，該母聯(lián)從投產(chǎn)后就從來沒有閉合過，而且該母聯(lián)沒有并車裝置，有可能故障是從這里發(fā)生？但是經(jīng)過詳細檢查，最終確認故障發(fā)生在海纜上或是電滑環(huán)上。

故障調(diào)查過程：

在把系統(tǒng)隔離，接地以后。我們對變壓器和接地電阻進行了檢查。沒有發(fā)現(xiàn)故障點。

檢查了升高塔上和SPM底甲板的高壓電纜接線箱。同時通知井口平臺檢查了從FPSO到WGPA海纜的接線箱。

然后對海纜以及變壓器到升高塔之間的高壓電纜進行了絕緣檢查，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的異常。

最后需要檢查的部分只剩下SPM里的電滑環(huán)部分。由于設(shè)計的原因，我們自己無法拆開進行檢查。從外部測量對地絕緣值均為0Ω。最終確認故障點在電滑環(huán)內(nèi)部。

我們不希望故障發(fā)生在單點的旋轉(zhuǎn)滑環(huán)部分，因為整個系統(tǒng)被設(shè)計的預計壽命是25年。

在我們進行故障檢查時，變壓器的二次側(cè)到SPM滑環(huán)之間是沒有斷路器的，這也是一個設(shè)計上的缺陷。

3.3 故障發(fā)生后采取的臨時補救措施

經(jīng)過5KV絕緣表檢查測試，我們發(fā)現(xiàn)9套電滑環(huán)已經(jīng)5套接地，只有備用滑環(huán)組，和TR－9002回路有一套滑環(huán)沒有接地。外方監(jiān)督想利用備用滑環(huán)供電。我們根據(jù)經(jīng)驗及測量結(jié)果，建議挑選出絕緣最好的三組滑環(huán)進行臨時供電，因為備用滑環(huán)組中有一組環(huán)的絕緣值很低，只有幾兆歐。從安全角度出發(fā)，外方監(jiān)督采納了我們的建議，按照我們的方案進行。最終我們決定采取兩個應急措施：

*海上團隊負責將將高壓電纜重新接線，利用TR－9002的一套滑環(huán)和兩套備用滑環(huán)組成臨時供電環(huán)組，接到TR－9002的變壓器及輸出海纜上，在WGPA閉合母聯(lián)開關(guān)，使用TR－9002變壓器給全油田各個平臺供電。為保障安全，停掉了許多平臺不重要負載，并關(guān)掉一部分低產(chǎn)油井，最終把通過電滑環(huán)的工作電流控制在470Amps（最大允許電流549A），同時安排24小時檢查監(jiān)視變壓器的工作狀況。

*陸地各部門緊急聯(lián)系各方，準備臨時發(fā)電機和電纜，隨時送出海，用臨時發(fā)電機給部分生產(chǎn)井供電，以增加產(chǎn)量，減少損失。同時也為將來更換電滑環(huán)期間，提供臨時電源給生產(chǎn)井ESP，保證即時是更換滑環(huán)期間，也能保持各平臺部分油井的正常生產(chǎn)。

經(jīng)過努力，在停電后的第二天晚上2月7日20：30開始恢復給WGPA送電，陸續(xù)起井。到2月8日早上03：46開始起生產(chǎn)注水，大部分油井恢復生產(chǎn)?？偣β?8.6MW。

3.4 電滑環(huán)修復的準備

由于我們2007發(fā)生過類似故障，通過和滑環(huán)廠家FOCAL公司的溝通，基本確定維修方案－對電滑環(huán)進行整體更換。后來又利用生產(chǎn)關(guān)停空隙，用內(nèi)窺鏡對滑環(huán)內(nèi)部進行了檢查，確定了故障程度。圍繞此項工作，我們制定了詳細的計劃，做了大量的準備工作：

*與滑環(huán)廠家FOCAL以及單點廠家APL保持每周的電話會議溝通聯(lián)系，協(xié)調(diào)督促各項工作和材料及人員的準備和進展情況。這是一項非常重要和復雜的工作，作業(yè)團隊來自四個不同的國家，保持良好的溝通是保障維修工作及時高效完成的重要因素。

*材料的準備：所有需要更換的備件提前準備好，運送到現(xiàn)場。超過800個備件需要從國外送到現(xiàn)場，需要考慮備件清關(guān)，現(xiàn)場擺放位置，零配件的保護等因素，如果有任何的疏漏都會影響工作。

*作業(yè)所需要的工具提前做好準備：吊具，木箱，防火毯，防雨布，通用工具等。

*施工作業(yè)需要使用的吊車提前檢查維修，確保處于良好的運行狀態(tài)。

*提前準備和連接臨時電源以及臨時照明設(shè)備。

*高壓測試設(shè)備和耐壓試驗提前準備

*人力準備工作：包括由于是不間斷作業(yè)，24小時需要有電工守護等的人員安排。

*科麥奇安全程序的準備工作，包括海纜高壓隔離程序，風險評估，工作許可，隔離證書等，以及FOCAL提交工作程序及計劃。其中風險評估要在各方都參加的前提下進行，應該包括電滑環(huán)FOCAL廠家的工作人員，單點APL的協(xié)調(diào)人員，科麥奇中外雙方的總監(jiān)和監(jiān)督，配合施工的承包商領(lǐng)班。風險評估要對施工的詳細工作步驟進行逐一分析，明確各項工作的潛在風險和控制應急措施。

*臨時光纖的準備，用于在維修滑環(huán)期間保持FPSO與外界的聯(lián)系。

*后勤的安排準備工作

3.5 電滑環(huán)的修復

由于制定了詳細的工作計劃和大量的前期準備工作，電滑環(huán)的整體更換工作于當年的4月11日正式開始。更換工作緊張有序，用時一周時間，安全高效的完成了更換。主要工作內(nèi)容就是拆除損壞的高壓電滑環(huán)，安裝新的高壓滑環(huán)。由于低壓滑環(huán)和光滑環(huán)在高壓滑環(huán)上面，拆除是必須首先整體移除光滑環(huán)和低壓滑環(huán)。具體拆除步驟，本文不做累述。下面對滑環(huán)的安裝步驟用圖片的方式，簡單介紹一下。

·安裝滑環(huán)支撐

·安裝環(huán)間絕緣墊

·安裝接地環(huán)和環(huán)間絕緣材料

·吊裝絕緣墊

·安裝電刷

·接連完成后的電刷

·安裝導電銅棒

·接地電刷（最底部第一道環(huán)）

·連接好的高壓堆

·導體裝上絕緣套

·高壓滑環(huán)套管絕緣子安裝

·高壓滑環(huán)套管絕緣子安裝

·高壓滑環(huán)組裝完成

·低壓及光纖滑環(huán)吊裝

4.0 故障原因分析

從下面的照片我們可以看到6號滑環(huán)表面接觸摩擦面只有少量接觸痕跡，說明該滑環(huán)和電刷的接觸表面的嚴重接觸不良。再看左下的一個比較照片，6#電刷已經(jīng)完全失效，接觸碳刷由于高溫已經(jīng)熔合在一起。分析初步的原因是由于該電刷的機械故障，導致接觸不良，在大電流的負載下（當時負載在460安培左右），又導致高溫，絕緣下降，形成惡性循環(huán)，最終燒壞電刷。該電刷的損壞，直接導致該輸出回路（TR9001）缺相，也就是說原本的三相輸出變成只有兩相輸出，同時導致真空斷路器故障跳閘。

從下面這兩張照片里，我們可以看到，這兩個環(huán)的接觸基本可以，但也不是100%的良好接觸。尤其是左上圖，可以清楚地看到表面有輕微的損傷 （灼傷）。灼傷產(chǎn)生的原因是：由于海流，導致SPM受到撞擊晃動，電刷和滑環(huán)之間輕微接觸不良，產(chǎn)生細小的電弧灼傷了電刷和滑環(huán)表面。如果這種情況持續(xù)很長時間，就會造成很嚴重的接觸不良，最終結(jié)果燒壞電滑環(huán)。從這張圖里能夠看到振動對電滑環(huán)工作的影響。

另外，我們還發(fā)現(xiàn)該環(huán)接入的絕緣子（bushing)也已經(jīng)破裂，表面有燒損的跡象。也就是說還有一種可能是絕緣子由于撞擊振動，導致其破裂最終致使該相接地。見下圖。

不管是由于電刷的原因還是絕緣子的原因，單點的搖晃振動都是導致其失效的重要因素之一。這點我們從2007年的一些照片和這次對比可以看到，當時滑環(huán)的損害程度要比今年拆開時要嚴重得多。在那之后，我們在頂部增加了幾個阻尼減震器，對減少振動有所改善，但也沒有完全解決這個問題，所以仍然導致這次損壞。

由于振動晃動，會導致電滑環(huán)接觸不良，使大負荷的負載在接觸點/面產(chǎn)生拉弧，負載電流越大，影響越大。這也是為什么這兩次故障都會首先發(fā)生在負載電流大的滑環(huán)上的主要原因。

5.0 改進措施

一、故障原因分析得出，如果非單點或電滑環(huán)本事設(shè)計和結(jié)構(gòu)缺陷，單點的振動沖擊，是兩次高壓滑環(huán)故障的主要誘因。因此APL設(shè)計和安裝了一套單點的減振裝置（Turn Buckle）。安裝后經(jīng)過測量，單點的震動得到了很大的改善。

二、增加單點和電滑環(huán)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。狀態(tài)監(jiān)測主要有以下幾個主要功能：

*高壓滑環(huán)內(nèi)部溫度監(jiān)測

*外部環(huán)境溫度監(jiān)測

*單點風速監(jiān)測

*單點振動狀態(tài)監(jiān)測

*高壓滑環(huán)實時電流監(jiān)測

所有測量數(shù)據(jù)都接入中控ICS系統(tǒng)，實現(xiàn)實時監(jiān)測。并設(shè)置溫度，振動，電流的報警值，在中控實現(xiàn)聲光報警。

單點和電滑環(huán)狀態(tài)監(jiān)測示意圖

三、112電滑環(huán)的電刷是由16個小銅塊組成，每個銅塊后面自帶彈簧。早在2007年電滑環(huán)的檢修報告上就指出，由于單點振動，電刷個別銅塊可能壓入后無法彈出，銅塊和銅環(huán)之間有間隙，運行中產(chǎn)生電弧。長期的大量的電弧導致銅環(huán)和電刷損壞嚴重。因此我們一直也在和廠家討論是否改進電刷。減少銅塊數(shù)量、增大接觸面積或是使用長行程電刷，一直沒有定論。

四、單點或電滑環(huán)的設(shè)計本身可能有缺陷（此類單點是首次在中國試驗應用，并且目前世界僅存），因此也徹底杜絕隱患，除了解決單點對滑環(huán)的影響外，還須考慮重新設(shè)計和使用新型滑環(huán)。另外還可以考慮增大電流傳輸?shù)慕佑|面，或使用油浸式電滑環(huán)。事實上，自2010年故障以來，科麥奇一直在和FOCAL和單點討論設(shè)計和更換新型滑環(huán)的可能性。

五、112滑環(huán)原來有一套消防水滑環(huán)，2007年故障時，懷疑高壓電滑環(huán)和消防水滑環(huán)之間的密封失效，消防水進入高壓滑環(huán)而導致故障。經(jīng)過和單點廠家、滑環(huán)廠家以及第三方檢驗公司討論，最后決定對消防水滑環(huán)進行封堵，消除消防水對電滑環(huán)的潛在威脅。

六、平衡和減小流過銅環(huán)的電流：

*對WGPA高壓盤A、B段的WHPA和WHPC/D的饋電開關(guān)互換，使TR－9001和TR－9002的電流基本平衡。

*起用備用銅環(huán)。計劃七月份輔設(shè)一條海纜，從備用電滑環(huán)直接到WHPC。如果投入運行，現(xiàn)運行的兩套滑環(huán)運行電流將大大減小。

5.0 結(jié)束語

正確的檢查和判斷、合理的應急措施、充分的準備和完善的施工方案不僅保障了電滑環(huán)快速安全修復，同時把油田產(chǎn)量的損失降低到最小。希望曹妃甸油田電滑環(huán)的檢修和改造經(jīng)驗，對以后電滑環(huán)的設(shè)計和維修提供幫助和指導。

Focal公司提供的電滑環(huán)維修手冊