龍小品，井元彬，周佳，李世平，郝徑

（1.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳，518054；2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江，524057）

關(guān)鍵字：水下電纜；電測(cè)試；絕緣電阻；技術(shù)發(fā)展；檢測(cè)設(shè)備；應(yīng)用

0 引言

在海洋油氣開發(fā)，特別是深水油氣開發(fā)過程中，主要使用水下生產(chǎn)系統(tǒng)作為開發(fā)模式[1]，而電纜作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，在海洋油氣生產(chǎn)過程中承擔(dān)著電力輸送和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。為保證電纜功能性的完整，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行情況、維持水下生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的功能，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行前和運(yùn)營過程中都需要對(duì)電纜進(jìn)行預(yù)防性檢測(cè)。通過相關(guān)電測(cè)試，可及早發(fā)現(xiàn)電纜存在的問題，從而進(jìn)行更換或維修，以保證水下生產(chǎn)系統(tǒng)正常運(yùn)行，減少生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1 電測(cè)試的主要內(nèi)容

1.1 電纜主要故障類型

在水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，電纜主要包括臍帶纜中的攜帶電纜和系統(tǒng)末端的電飛線，其主要由導(dǎo)體、絕緣層和保護(hù)層三部分組成。

圖1 臍帶纜及電纜

電纜故障是指電纜在運(yùn)行過程中無法完成其既定的任務(wù)，而導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)受損或者無法運(yùn)行的情況。常見的電纜故障包括斷路故障和短路故障[2]，其中斷路故障是指導(dǎo)體中存在一相或者多相存在不連續(xù)情況，導(dǎo)致電力無法輸送至終端；短路故障是電纜的絕緣電阻低于正常值，根據(jù)絕緣電阻的衰減情況，短路故障又可以分為低阻故障和高阻故障，其中高阻故障是指導(dǎo)體與環(huán)境之間的絕緣電阻低于設(shè)計(jì)值但仍高于10Zc（Zc，電纜特性阻抗），低阻故障指導(dǎo)體與環(huán)境之間的絕緣電阻小于10Zc。

1.2 主要電測(cè)試內(nèi)容

根據(jù)電纜段的故障類型，對(duì)于電纜故障檢測(cè)，可以通過測(cè)量導(dǎo)體電阻（CR）和絕緣電阻（IR）來實(shí)現(xiàn)[3]，導(dǎo)體電阻反映電芯的導(dǎo)電性能和兩測(cè)量點(diǎn)之間的通斷情況，絕緣電阻則反映電路獨(dú)立回路之間的絕緣程度，對(duì)于經(jīng)測(cè)量存在問題的電阻，可以通過時(shí)域反射法快速定位故障發(fā)生點(diǎn)。

(1)導(dǎo)體電阻

導(dǎo)體電阻是評(píng)價(jià)電纜性能的重要指標(biāo)，根據(jù)GB/T 3048.4-2007規(guī)定，不同溫度下電纜的導(dǎo)體電阻可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

RL——t℃時(shí)L長(zhǎng)電纜的理論導(dǎo)體電阻值，單位為Ω；

R20——20℃時(shí)每公里長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體電阻值，單位為Ω/km；

L——待測(cè)電阻的長(zhǎng)度，單位為m；

當(dāng)導(dǎo)體電阻的阻值明顯超過理論值RL時(shí)，首先考慮電纜是否出現(xiàn)了通斷故障，當(dāng)通斷故障排除后，則考慮電纜的質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。導(dǎo)體電阻的超標(biāo)將加大線路上功率的消耗，導(dǎo)致其載流量下降，此時(shí)，為保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，往往需要加大供給側(cè)電功率的輸入，導(dǎo)致電纜處于滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)熱量增大，溫度升高，導(dǎo)致電纜的絕緣層加速老化，短路、漏電等故障發(fā)生的可能性大大增加[4]。

(2)絕緣電阻

絕緣電阻是評(píng)價(jià)電纜絕緣特性的重要指標(biāo)，它與絕緣層能夠承受電擊穿或熱擊穿的能力，與絕緣材料本身，以及絕緣材料在工作狀態(tài)下逐步劣化等均存在著極為密切的關(guān)系[5]。根據(jù)GB/T 3048.5-2007規(guī)定，不同溫度下電纜的絕緣電阻可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

RL，c——t℃時(shí)L長(zhǎng)電纜的理論絕緣電阻值，單位為MΩ；

R20，c——20℃時(shí)每公里長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)絕緣電阻值，單位為MΩ·km；

L——待測(cè)電阻的長(zhǎng)度，單位為km；

K——絕緣電阻的溫度校正系數(shù)。

絕緣介質(zhì)的絕緣性能是確保電纜能在安全指標(biāo)范圍內(nèi)正常工作的前提，水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的電纜完全浸沒于海水之中，一旦絕緣電阻不達(dá)標(biāo)，電纜極易發(fā)生短路故障，導(dǎo)致水下生產(chǎn)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行[6]，輕則產(chǎn)生高昂的維修費(fèi)用，重則可能導(dǎo)致油井失控，發(fā)生泄露現(xiàn)象。

2 水下電測(cè)試技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

近年來，隨著科學(xué)理論的發(fā)展和電力設(shè)施的不斷增多，相關(guān)的水下電纜檢測(cè)技術(shù)和市場(chǎng)也得到了很大的提升，更精確便捷的電纜檢測(cè)技術(shù)隨之發(fā)展，從最初的折半法，發(fā)展到現(xiàn)在最為先進(jìn)的時(shí)域反射法。

2.1 折半法

折半法是最早用于電纜診斷的技術(shù)之一，其通過將存在故障的電纜段平均分成兩份，分別測(cè)量?jī)呻娎|維持電壓的能力，然后對(duì)存在故障的電纜段進(jìn)行平分再測(cè)量，如此往復(fù)，直至最終獲得故障發(fā)生點(diǎn)[7]。折半法理論上是可行的，但對(duì)于海底動(dòng)輒數(shù)千米的電纜，其可操作性有待考量。

2.2 電橋法

電橋法[8]的基本原理是將故障電纜作為Wheatstone電橋的一個(gè)橋臂，用非故障變電阻電路作為Wheatstone的另一橋臂，通過調(diào)節(jié)電阻參數(shù)，使電橋達(dá)到平衡，此時(shí)可以得出故障電路的電阻值。由于電纜的電阻值與其長(zhǎng)度呈數(shù)量關(guān)系，利用Wheatstone電橋原理，可以計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離。

圖2 雙臂電橋

電橋法原理簡(jiǎn)單，精度也較高，但其更適用于低阻故障的排除，對(duì)于高阻故障，由于阻值過高導(dǎo)致流過電橋的電流很小，往往需要使用更為靈敏的電流檢測(cè)裝置或輸入更高的電壓來改善，在極端情況下，甚至需要通過高壓刺激，將電纜的絕緣條件破壞，使電纜的高阻故障轉(zhuǎn)化為低阻故障。這種方法需要破壞電纜的原本絕緣條件，甚至可能造成電路上相關(guān)電器設(shè)備高壓過載，對(duì)電纜和設(shè)備造成二次傷害，因此在使用方面應(yīng)更為慎重。

2.3 時(shí)域反射法

時(shí)域反射法[9]又稱行波法，通過在測(cè)試端施加驅(qū)動(dòng)電信號(hào)，脈沖電信號(hào)沿電纜傳播，當(dāng)碰到故障點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)反射波，從而可以通過計(jì)算電信號(hào)發(fā)出時(shí)間及反射波返回時(shí)間計(jì)算故障發(fā)生點(diǎn)距測(cè)量點(diǎn)的距離。時(shí)域反射法以電信號(hào)為驅(qū)動(dòng)，無需輸入高電壓，對(duì)電路無損壞威脅，測(cè)試簡(jiǎn)單，操作方便，且安全可靠。但脈沖法要求電纜放電完全，不能存在干擾電線號(hào)的游離電子。

圖3 脈沖法原理

3 電測(cè)試技術(shù)在某氣田中的應(yīng)用

3.1 某氣田基本情況簡(jiǎn)介

該氣田位于中國瓊東南盆地北部海灣，所在海域水深1220～1560米，為超深水氣田，氣田采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)+FPSO+穿梭油輪的生產(chǎn)模式。

圖4 南海某氣田開發(fā)方案及待測(cè)試設(shè)備分布情況

此次測(cè)試為該氣田新開發(fā)區(qū)域相關(guān)設(shè)備的投產(chǎn)前例行測(cè)試，測(cè)試主體包括水下生產(chǎn)系統(tǒng)所包含的所有電飛線和臍帶纜。測(cè)試內(nèi)容主要為電飛線和臍帶纜內(nèi)攜帶電纜的功能完整性。

3.2 測(cè)試方案

3.2.1 測(cè)試設(shè)備

此次電測(cè)試采用C-Kore最新一代電纜檢測(cè)儀，設(shè)備主要由C-Kore主體和激活插銷組成，可用于臍帶纜、電飛線、水下分配單元等涉電硬件的電氣完整性檢測(cè)，設(shè)備具有如下特點(diǎn)：

(1)根據(jù)下水之前的配置情況，可用于導(dǎo)體電阻、絕緣電阻、時(shí)域反射等不同內(nèi)容的測(cè)試。

(2)可適應(yīng)水上、水下和水上水下混合等各種測(cè)試場(chǎng)景。

(3)設(shè)備工作電壓為3.3V，不存在高壓風(fēng)險(xiǎn)，檢測(cè)施工過程更為安全。

(4)設(shè)備工作觸發(fā)方式豐富，可以在下水前設(shè)置測(cè)量程序，也可以在水下通過ROV照明或者潛水員接近觸發(fā)。

(5)設(shè)備內(nèi)部集成有大容量電池，當(dāng)不執(zhí)行測(cè)量任務(wù)時(shí)，設(shè)備可自動(dòng)進(jìn)入省電待機(jī)狀態(tài)，可允許長(zhǎng)時(shí)間部署。

(6)內(nèi)置大容量存儲(chǔ)裝置，具有存儲(chǔ)上千測(cè)試數(shù)據(jù)的能力，數(shù)據(jù)可導(dǎo)出為報(bào)告和csv表格的形式。

圖5 C-Kore測(cè)試單元

Kore檢測(cè)設(shè)備可適應(yīng)復(fù)雜的海底環(huán)境，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

表1 C-Kore檢測(cè)設(shè)備主要參數(shù)

此外，C-Kore具有完善的自檢功能和輸入保護(hù)措施。在每個(gè)測(cè)試程序開始之前，C-Kore都會(huì)進(jìn)行多輸入電路各電路單獨(dú)輸入完整性、環(huán)境溫度、蓄電池充電水平檢測(cè)。此外，裝置還會(huì)對(duì)測(cè)量環(huán)境中的電氣噪音進(jìn)行檢測(cè)，如果裝置檢測(cè)到噪音，其會(huì)自動(dòng)嘗試通過主動(dòng)調(diào)整測(cè)量濾波來消除干擾，并向用戶發(fā)出噪音警告。C-Kore具有內(nèi)置保護(hù)裝置，為防止電纜存在放電不充分情況，在測(cè)量之前，裝置都會(huì)對(duì)電荷殘留量情況進(jìn)行檢測(cè)，如果電纜確實(shí)帶電，裝置將嘗試通過一個(gè)大的內(nèi)阻對(duì)線路安全地進(jìn)行放電，直至放電完全后再進(jìn)行測(cè)量任務(wù)，如果放電程序失敗，則說明線路存在其他輸入，C-Kore將暫時(shí)停止本次測(cè)量。此外，C-Kore內(nèi)部也設(shè)置了完善的過載保護(hù)裝置，當(dāng)工作中瞬時(shí)電壓超過150V時(shí)，內(nèi)部保險(xiǎn)裝置將立即啟動(dòng)，切斷回路，以保護(hù)設(shè)備免受高壓損傷。

圖6 傳統(tǒng)設(shè)備與C-Kore操作方案

3.2.2 測(cè)試方案

與傳統(tǒng)的測(cè)量手段相比[10]，新一代C-Kore電纜測(cè)量?jī)x可通過潛水員或者ROV進(jìn)行部署，無需下放電纜將工程船與測(cè)量設(shè)備相連接，這樣可以大大節(jié)省設(shè)備部署的時(shí)間，且設(shè)備自帶數(shù)據(jù)分析功能和高清全彩顯示屏，通過ROV即可在海底邊測(cè)量邊讀取結(jié)果。

此次測(cè)試的主要水下生產(chǎn)系統(tǒng)如下所示，在電纜進(jìn)行測(cè)試之前，需要對(duì)待測(cè)電纜進(jìn)行斷電和放電，以確保其在測(cè)試開始時(shí)呈中性狀態(tài)。

圖7 水下生產(chǎn)系統(tǒng)分布

以臍帶纜SPUR A9的測(cè)試為例，在進(jìn)行測(cè)試之前，首先斷開UTA(臍帶纜終端)與采油樹A9之間的電飛線EFL3，然后將環(huán)形帽插在UTA上兩電飛線接口QA和QB；再將連接UTH（臍帶纜端頭）和管匯（manifold）的電飛線EFL9依次斷開。

圖8 SPUR A9臍帶纜測(cè)試方案

首先按將UTH上與EFL9連接的QA斷開，然后ROV將工具箱內(nèi)的測(cè)試單元取出，經(jīng)機(jī)械臂將其插入臍帶纜端頭的QA口，準(zhǔn)備對(duì)SPUR A9的A線進(jìn)行電測(cè)試。采用ROV照明觸發(fā)本次作業(yè)，當(dāng)一切準(zhǔn)備就緒后，ROV開啟照明燈，C-Kore開始進(jìn)行自檢測(cè)。在ROV觸發(fā)測(cè)試前，需要確定設(shè)備所處環(huán)境是否超出了設(shè)備的出廠設(shè)置，C-Kore在正式開始測(cè)試前首先會(huì)進(jìn)行全面的自檢功能，包括系統(tǒng)溫度、蓄電池電量、以及噪音檢測(cè)等，如果上述變量達(dá)不到出場(chǎng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)，C-Kore會(huì)發(fā)出警告，相關(guān)警告可以通過其自帶的OLED顯示屏進(jìn)行讀取。此外，需確保電路是不帶電的，當(dāng)電路放電不完全或存在帶電情況時(shí)，C-Kore首先會(huì)通過連接內(nèi)部大電阻進(jìn)行溫和放電，如果帶電情況無法改善，C-Kore會(huì)終止本次測(cè)試。

當(dāng)自檢和自動(dòng)校準(zhǔn)完成后，設(shè)備會(huì)顯示“SYS.OK”，此時(shí)可開始本次測(cè)量，設(shè)備可自動(dòng)完成導(dǎo)體電阻和絕緣電阻的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在內(nèi)置存儲(chǔ)裝置中，也會(huì)顯示在自帶OLED屏中，ROV可直接讀取相關(guān)結(jié)果。

圖9 ROV讀取絕緣電阻測(cè)試結(jié)果

待絕緣電阻和導(dǎo)體電阻測(cè)完后，ROV取下相關(guān)測(cè)量設(shè)備，介入時(shí)域反射測(cè)量設(shè)備，進(jìn)行時(shí)域反射測(cè)試。時(shí)域反射測(cè)試介紹后，ROV取下相關(guān)設(shè)備，回接EFL9飛線QA端。取下與UTH連接的EFL9QB飛線，重復(fù)上述側(cè)坐，完成臍帶纜B線的測(cè)試。相關(guān)測(cè)試完成，ROV取回相關(guān)設(shè)備，回收至甲板，臍帶纜SPUR A9的電測(cè)試結(jié)束。根據(jù)此流程，相繼完成臍帶纜SPUR A1、IFU-A1～I(xiàn)FU-A2～I(xiàn)FU-A3 的測(cè)量。

3.3 測(cè)試結(jié)果

本次測(cè)試合格標(biāo)準(zhǔn)為IR大于500MΩ·km，CR小于1.2Ω/km，根據(jù)式1和式2相關(guān)計(jì)算公式，可以得出本次測(cè)量整條電纜的理論接受阻值：

表2 臍帶纜電氣理論接受阻值

SPUR A9 4.8 5.76 104.167 IFU-A1～I(xiàn)FU-A2～I(xiàn)FU-A3～SPUR A1 66.216 79.46 8.917

表3 SPUR A9臍帶纜測(cè)試結(jié)果

以SPUR A9為例，可以看出導(dǎo)體電阻均在5.1Ω以下，遠(yuǎn)小于5.76Ω，說明電纜導(dǎo)電性能良好；在檢測(cè)范圍以內(nèi)，絕緣電阻均在10GΩ以上，遠(yuǎn)大于接受標(biāo)準(zhǔn)的104.167MΩ，說明電纜與環(huán)境之間絕緣情況很好，該電纜完整性良好，本次檢測(cè)通過。其他電纜本次檢測(cè)數(shù)據(jù)亦在接受范圍之內(nèi)，詳細(xì)測(cè)量數(shù)據(jù)見表4和表5。

圖10 SPUR A9臍帶纜Line1-Line2時(shí)域反射測(cè)試結(jié)果

表4 SPUR A1測(cè)試結(jié)果

表 5 IFU-A1～I(xiàn)FU-A2～I(xiàn)FU-A3 測(cè)試結(jié)果

Line2 IR - X - - 1.596GΩ CR - X - - -Line3 IR - - X - 1.427GΩ CR - - X 58.37Ω -Line4 IR - - - X 1.380GΩ CR - - - X -Seawater IR - - - - X CR - - - - X

4 結(jié)語

水下電纜的完整性是保證水下生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提，本文以水下電纜測(cè)試為基礎(chǔ)，介紹了電纜運(yùn)維過程中的常見故障類型，并對(duì)相關(guān)故障的關(guān)鍵檢測(cè)指標(biāo)及計(jì)算方法進(jìn)行了簡(jiǎn)述，針對(duì)常見故障類型，對(duì)電纜的檢測(cè)技術(shù)理論進(jìn)行了綜述。本文以南海某氣田投產(chǎn)前例行電測(cè)試為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了最新一代C-Kore電測(cè)試設(shè)備，并對(duì)其測(cè)試施工技術(shù)方案進(jìn)行了概述，最后，詳細(xì)分析了該次測(cè)試的結(jié)果，測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期，為南海某氣田的順利投產(chǎn)提供了有力保障。本文研究成果可用于電測(cè)試技術(shù)了解及電測(cè)試應(yīng)用方案的參考。