原慶東 范志峰 冒家友 馮麗梅 王 紅

(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司)

壓力平衡式密封保護(hù)水下電纜方法研究與應(yīng)用

原慶東 范志峰 冒家友 馮麗梅 王 紅

(中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司)

水下電纜在深水海底存放需要進(jìn)行絕緣密封保護(hù),且因水下壓力高、溫度低,對(duì)密封性能要求較高。常用的水下電纜絕緣保護(hù)方法不能同時(shí)既保持電纜接頭完整性,又保證電纜絕緣性能。流花11-1油田“南海挑戰(zhàn)號(hào)”平臺(tái)塢修解脫時(shí)需要將水下電纜解脫并存放在300 m水深的海底至少8個(gè)月,為此研究出了一種不破壞電纜接頭(芯)的壓力平衡式密封保護(hù)水下電纜新方法,自行研制了新型電纜密封管,并進(jìn)行了氦氣密封測(cè)試,在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了良好效果,從而為其他有電纜接頭完整性保護(hù)需求的深水電纜應(yīng)用提供了借鑒。

水下電纜;絕緣密封保護(hù);壓力平衡式密封管;密封測(cè)試;應(yīng)用效果

1 問(wèn)題的提出

水下電纜通常作為電潛泵動(dòng)力電纜或水下控制系統(tǒng)控制纜用于海上油氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)作業(yè)[1],在安裝過(guò)程中或在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中有時(shí)需要棄置到海底并存放一段時(shí)間。流花11-1油田“南海挑戰(zhàn)號(hào)”平臺(tái)修塢解脫后,水下電纜要存放在300 m水深的海底長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月[2],棄置時(shí)電纜頭部必須進(jìn)行絕緣密封保護(hù),以便平臺(tái)塢修返回現(xiàn)場(chǎng)重新回接使用。

通常的水下電纜絕緣保護(hù)方法有鉛封絕緣保護(hù)法、熱縮套管保護(hù)法、機(jī)械密封法等[3],如圖1所示。其中,鉛封絕緣保護(hù)法是直接用鉛金屬融化后固化在電纜頭上(圖1a),電纜回收后電纜頭必須切掉,破壞了整根電纜的完整性,一般用于電纜頭切掉不會(huì)對(duì)整體電纜造成任何影響的電纜鋪設(shè)過(guò)程,但該方法在水下電纜用于深水海底存放且需要保持其完整性的情況下就不適用了。熱縮套管保護(hù)法是利用熱縮套管熱脹冷縮的原理,將熱縮套管裝在電纜頭上后加熱使套管內(nèi)的密封劑融化,冷卻后即固化在了電纜頭上(圖1b);但在實(shí)際海底存放試驗(yàn)時(shí)(15天)發(fā)現(xiàn),當(dāng)熱縮套管存放于深水時(shí)(300 m以上),由于密封內(nèi)外壓差和環(huán)境溫度變化等因素的影響,外部的海水很容易滲入電纜而造成絕緣失效。

在嘗試熱縮套管保護(hù)法失敗后,又考慮使用機(jī)械密封法(是用一根金屬密封管套裝在電纜頭上并用機(jī)械密封的方式使電纜頭與外界海水隔離,圖1c)對(duì)流花11-1油田“南海挑戰(zhàn)號(hào)”平臺(tái)塢修解脫時(shí)水下電纜進(jìn)行絕緣保護(hù),并根據(jù)電纜的尺寸定制了2根金屬密封管進(jìn)行海底存放試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明這種機(jī)械密封方式能夠在壓差較大(3 MPa)的海底存放時(shí)起到密封作用,但考慮到電纜需要在深水海底長(zhǎng)期存放至少8個(gè)月,其密封的可靠性也受到了嚴(yán)重質(zhì)疑。最后經(jīng)過(guò)多方討論和探索,研究出了一種不破壞電纜接頭的壓力平衡式密封保護(hù)水下電纜新方法,并得到了成功應(yīng)用。

圖1 水下電纜絕緣體保護(hù)方法

2 壓力平衡式密封保護(hù)水下電纜方法研究

2.1 壓力平衡式密封設(shè)計(jì)要求

針對(duì)流花11-1油田“南海挑戰(zhàn)號(hào)”平臺(tái)水下電纜的實(shí)際情況,對(duì)壓力平衡式密封設(shè)計(jì)提出了如下要求:①使用環(huán)境為海水,水深300 m。②對(duì)三芯電纜(4.16 k V、60 Hz、三相)進(jìn)行絕緣密封。③電纜在300 m水深的海底存放至少8個(gè)月仍保證絕緣性能。④密封管長(zhǎng)度不應(yīng)小于電纜芯長(zhǎng)度520 mm,并按此長(zhǎng)度進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)和制造;密封管外徑應(yīng)盡量小,重量應(yīng)盡量輕,以便于現(xiàn)場(chǎng)安裝作業(yè)。⑤選取適當(dāng)?shù)膲毫ρa(bǔ)償膜大小、數(shù)量和型式,設(shè)計(jì)依據(jù)是所需的電纜芯密封長(zhǎng)度和硅膠填充空間大小,保證薄膜既不會(huì)變形過(guò)大而損壞,也能夠起到壓力補(bǔ)償作用。⑥要防止海水由電纜芯之間的縫隙侵入,可使用一組合電纜芯密封膠套分別套緊在各個(gè)電纜芯上。⑦充填硅膠時(shí)要保證管內(nèi)的空氣已完全排放,可采用在管一端充填在另一端放氣的方式;硅膠充滿后,要擰緊硅膠填充放氣的孔眼螺絲。⑧整個(gè)電纜密封管必須固定在電纜上,不能有滑移現(xiàn)象出現(xiàn),并與電纜一起下放或回收,可通過(guò)一固定筒夾和鎖緊螺母的方式實(shí)現(xiàn)此功能。⑨密封管安裝時(shí)必須進(jìn)行氣密試驗(yàn)(應(yīng)使用氦氣或氮?dú)?,以保證密封管的密封有效性。

2.2 壓力平衡式密封設(shè)計(jì)方案

研究初期提出使用雙密封管加壓力補(bǔ)償器的方法(圖2),在雙層密封管之間充滿絕緣油,并與上部的壓力補(bǔ)償器連通。當(dāng)外管密封因在海底長(zhǎng)期存放失效而進(jìn)入海水時(shí),管間的絕緣油壓力就會(huì)升高,從而推動(dòng)上部補(bǔ)償器內(nèi)的活塞壓縮彈簧上移,由此保護(hù)了內(nèi)管密封及電纜內(nèi)芯。該方法理論上可行,但結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜,不易于現(xiàn)場(chǎng)安裝,因此最終被放棄。

后經(jīng)調(diào)研與探索,提出了利用塑膠薄膜的彈性和液體硅膠的絕緣及不可壓縮性來(lái)進(jìn)行壓力平衡式保護(hù)水下電纜的新方法(圖3)。由于密封外管內(nèi)裝有壓力補(bǔ)償塑膠薄膜總成,膜內(nèi)充有用于絕緣用的液體硅膠,膜外則通過(guò)聯(lián)通孔眼與外界海水相連,當(dāng)將裝配好的電纜密封管放置到海底時(shí),塑膠薄膜會(huì)因外界海水壓力增大而向內(nèi)變形,壓縮膜內(nèi)硅膠,但因硅膠的不可壓縮性,薄膜向內(nèi)變形到一定程度時(shí)就會(huì)停止,但腔內(nèi)硅膠的壓力則隨外部海水的壓力增大而相應(yīng)增大,這樣使得右側(cè)的電纜密封環(huán)兩側(cè)保持相對(duì)穩(wěn)定的較低的壓差,從而保證良好的密封。

圖3 壓力平衡式電纜密封管原理圖

2.3 密封管氦氣密封測(cè)試

密封管氦氣密封測(cè)試是確保密封管密封性能良好的最重要的環(huán)節(jié),每一個(gè)密封管都必須依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Statoil’s TR1233、Norsk Hydro’s NHT-152-00073進(jìn)行氦氣密封試驗(yàn)。氦氣密封測(cè)試是利用氦氣分子小、易滲透的原理檢驗(yàn)電纜密封管密封的有效性。圖3為一簡(jiǎn)單的密封管氦氣密封試驗(yàn)圖,氦氣從氦氣瓶中引出后通過(guò)一根直徑6 mm管線和一個(gè)高精密壓力表進(jìn)入密封管的硅膠充填腔,當(dāng)氦氣充氣壓力達(dá)到0.14 MPa,保持5 min使壓力逐漸穩(wěn)定,再調(diào)整壓力調(diào)節(jié)閥將壓力降至0.1 MPa,關(guān)閉壓力隔離閥,觀察壓力變化并記錄。如果測(cè)試壓力能在1 h內(nèi)保持0.1 MPa壓力(壓力降低小于0.8 kPa),則表示密封管密封測(cè)試合格。

安裝現(xiàn)場(chǎng)對(duì)密封管的密封測(cè)試結(jié)果一般通過(guò)對(duì)高精密壓力表的指示變化進(jìn)行觀察并記錄得到;如果有必要,也可通過(guò)在壓力表處安裝一個(gè)圖示記錄儀直接進(jìn)行檢測(cè)記錄(圖4)。圖4中紅線是環(huán)境溫度變化曲線,藍(lán)線為實(shí)測(cè)壓力曲線,若中間的直線段為1 h保持了0.1 MPa的壓力,則表示密封管密封測(cè)試合格。

需要指出的是,所安裝的每一個(gè)密封管都要進(jìn)行密封測(cè)試,測(cè)試下一個(gè)密封管前測(cè)試氦氣壓力應(yīng)完全釋放。環(huán)境溫度的變化對(duì)氦氣密封測(cè)試結(jié)果影響較大,應(yīng)盡可能選擇溫度變化較小的地方進(jìn)行密封測(cè)試,必要時(shí)可考慮將已裝在電纜端部的密封管置于水中進(jìn)行檢漏測(cè)試。密封測(cè)試用的氦氣如果難以提供時(shí),也可用氮?dú)獯?但是測(cè)試穩(wěn)壓時(shí)間應(yīng)由1 h提高到2 h,壓力衰減不應(yīng)大于1.6 k Pa。

2.4 密封管安裝時(shí)注意事項(xiàng)

這種新型密封設(shè)計(jì)管原理雖簡(jiǎn)單,但正確的安裝仍是密封是否有效的關(guān)鍵,安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1)密封管安裝人員應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的培訓(xùn),取得生產(chǎn)廠家的安裝認(rèn)可證書(shū)。

2)密封管安裝應(yīng)嚴(yán)格按照安裝程序進(jìn)行,不應(yīng)隨意更改安裝程序。

3)安裝時(shí)氦氣壓力密封測(cè)試是最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié),壓力測(cè)試結(jié)果應(yīng)有記錄。

4)充填液體硅膠時(shí),要將硅膠從下部向上部填充,保證管內(nèi)空氣排空排凈。

5)密封管隨水下電纜一起下放到海底時(shí),要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行相應(yīng)安排,密封管在隨水下電纜下放到海底過(guò)程中或存放海底時(shí)不能受壓或承受外力。

6)水下電纜回收后,拆下密封管時(shí)應(yīng)仔細(xì)檢查有無(wú)海水侵入,并對(duì)水下電纜進(jìn)行絕緣性能檢查。

圖4 氦氣密封試驗(yàn)結(jié)果曲線

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

在經(jīng)過(guò)大量研究和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,新型壓力平衡式電纜密封管終于研制成功,并首先將一個(gè)密封管安裝在一段長(zhǎng)約2 m的水下電纜上,存放到300 m水深的海底進(jìn)行了為期15d的試驗(yàn),結(jié)果證明其密封性能良好。新型壓力平衡式電纜密封管主要技術(shù)參數(shù)為:型號(hào)TC6A-800,長(zhǎng)度680 mm,直徑75 mm,保護(hù)電纜長(zhǎng)度520 mm,保護(hù)電纜規(guī)格4.15 k V、60 Hz、三相,海底存放深度300 m,海底存放時(shí)間8～10個(gè)月。

流花11-1油田“南海挑戰(zhàn)號(hào)”平臺(tái)于2011年11月在廣州黃埔船廠進(jìn)行塢修,塢修前對(duì)25根平臺(tái)電潛泵動(dòng)力水下電纜進(jìn)行了上部解脫,每根電纜都安裝了密封管并做了氦氣密封試驗(yàn),并存放在300 m水深的海底。2012年5月平臺(tái)塢修結(jié)束從船廠返回流花油田后,所有25根水下電纜被陸續(xù)從海底回收重新安裝就位,從電纜密封管拆下后的檢查情況來(lái)看,雖然電纜在海底存放了8～10個(gè)月,但所有電纜無(wú)一例發(fā)生海水滲入現(xiàn)象,密封性能非常良好,回裝后都能正常使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

流花11-1油田“南海挑戰(zhàn)號(hào)”電潛泵動(dòng)力水下電纜海底存放在國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)先例,采用自行研制的壓力平衡式電纜密封管有效地解決了在保持電纜完整性條件下海底長(zhǎng)期存放的難題,為“南海挑戰(zhàn)號(hào)”平臺(tái)順利解脫并進(jìn)行塢修創(chuàng)造了有利條件。

壓力平衡式電纜密封技術(shù)適用于各種深水電纜的密封,尤其是在保證電纜完整性條件下的電纜密封,也可用于現(xiàn)有在線使用深水電纜的維修及某些工程作業(yè)等。應(yīng)用實(shí)踐證明,該項(xiàng)技術(shù)可靠性高,是水下電纜海底存放最好的方法,但其制造工藝復(fù)雜,材料要求高,產(chǎn)品出廠時(shí)必須進(jìn)行合格性試驗(yàn),并在安裝現(xiàn)場(chǎng)必須進(jìn)行氦氣密封測(cè)試以保證密封管的密封效果。

[1] 郭宏,屈衍,李博,等.國(guó)內(nèi)外臍帶纜技術(shù)研究現(xiàn)狀及在我國(guó)的應(yīng)用展望[J].中國(guó)海上油氣,2012,24(1):74-78.

[2] 劉義勇,冒家友,原慶東,等.半潛式平臺(tái)永久錨泊系統(tǒng)解脫技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣,2013,25(3):64-67.

[3] 吳建峰.硅橡膠絕緣材料防護(hù)技術(shù)在變電站的應(yīng)用[J].電工技術(shù),2012(10):74-75.

The study and application of subsea cable insulation protection with pressure balancing seal method

Yuan Qingdong Fan Zhifeng Mao Jiayou Feng Limei Wang Hong
(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.,Guangdong,518052)

The subsea cable insulation has to beproperly protected while placed or stored on deep water sea bed due to being exposed to the environment of high pressure and low temperature.Neither the cable integrity nor insulation can be guaranteed by application of common cable insulation methods.The infield subsea cables of LH11-1 oilfield have to be placed or stored at the seabed of 300 meters deep with at least 8 months for the purpose of“Nan Hai Tiao Zhan”platform disconnection for dry docking.A new pressure balancing insulation protection method without damaging the cable end head was studied and the new cable insulation tubes were fabricated and passed the helium seal tests.A good effectiveness has been achieved in the real engineering application of the new method.It will be a good reference to the other deep water applications with cable integrity requirement.

subsea cable;insulation protection; pressure balancing seal tube;seal test;application effectiveness

2013-11-21改回日期:2014-01-23

(編輯:葉秋敏)

原慶東,男,高級(jí)工程師,1983年畢業(yè)于原華東石油學(xué)院,現(xiàn)主要從事海洋工程及海上安裝作業(yè)等工作。地址:廣東省深圳市南山區(qū)太子路22號(hào)金融中心9樓914室(郵編:518052)。電話:0755-26023739。