趙吉振

(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 廊坊 065201)

隨著科技的不斷進(jìn)步，海上鉆井設(shè)備設(shè)施的電氣自動(dòng)化程度越來(lái)越高，弱電系統(tǒng)設(shè)備也逐步得到廣泛應(yīng)用。鉆井設(shè)備設(shè)施一旦遭受雷擊，輕則導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備故障和誤動(dòng)作，重則造成設(shè)備設(shè)施永久性損壞，甚至間接引發(fā)生產(chǎn)事故。

我國(guó)海上鉆井平臺(tái)一般在渤海、東海以及南海海域開(kāi)展作業(yè)。由于平臺(tái)在作業(yè)區(qū)域一般為最高的孤立金屬體，因此在雷雨季節(jié)易遭受雷擊。有學(xué)者基于星載光學(xué)瞬態(tài)探測(cè)器(OTD)和閃電成像傳感器(LIS)探測(cè)資料，計(jì)算出我國(guó)近海海域的閃電密度分別為4.21 fl·km-2·a-1(渤海)、2.52 fl·km-2·a-1(黃海)、2.28 fl·km-2·a-1(東海)和4.22 fl·km-2·a-1(南海)[1]。作為比較，雷電災(zāi)害較為嚴(yán)重的南京市，閃電密度也不超過(guò)4 fl·km-2·a-1[2]?？梢钥闯觯覈?guó)海上鉆井設(shè)備設(shè)施的防雷形勢(shì)較為嚴(yán)峻。

為此，我公司開(kāi)展了針對(duì)自升式鉆井平臺(tái)的防雷科研工作，并對(duì)試點(diǎn)平臺(tái)進(jìn)行防雷改造施工，以期平臺(tái)上的關(guān)鍵設(shè)備免遭雷電影響和破壞，保障生產(chǎn)作業(yè)的正常進(jìn)行。

1 典型雷電事故案例分析

近年來(lái)，我公司所屬鉆井平臺(tái)中，多個(gè)平臺(tái)均不同程度遭受了雷擊，造成頂驅(qū)編碼器接口板、電子司鉆系統(tǒng)服務(wù)器、頂驅(qū)變頻器數(shù)字測(cè)速接口(DTI)板、鉆井儀表主機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備損壞，視頻系統(tǒng)、探頭報(bào)警裝置失靈，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

1)電子司鉆光纖收發(fā)器損壞。光纖收發(fā)器是一種將短距離雙絞線電信號(hào)和長(zhǎng)距離光信號(hào)進(jìn)行互換的以太網(wǎng)傳輸媒體轉(zhuǎn)換單元。結(jié)合防雷理論分析雷擊損壞原因如下。

(1)收發(fā)器有雙絞線RJ-45接口和光纖接口，分別連接雙絞線和光纖。光纖本身不具備導(dǎo)電性，雷電浪涌不會(huì)在光纖上感應(yīng)和傳輸，但光纜具有加強(qiáng)芯，因此存在感應(yīng)雷電沿加強(qiáng)芯侵入光纖收發(fā)器并打壞接口電路的情況。

(2)雙絞線如未采取屏蔽措施(如使用非屏蔽雙絞線、線路未套管布設(shè)等)，線路上會(huì)有感應(yīng)浪涌產(chǎn)生，可入侵并打壞RJ-45接口電路?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，線路未屏蔽、布線不規(guī)范(如斜飛亂拉)都是光纖收發(fā)器遭感應(yīng)雷損壞的潛在原因。

2)電子司鉆系統(tǒng)主板和顯卡損壞。結(jié)合防雷理論分析電子司鉆系統(tǒng)主板和顯卡的損壞原因。

(1)主板和顯卡由各種微電子元器件組成，井架遭受雷擊時(shí)，周?chē)鷷?huì)感應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變電磁場(chǎng)。若電磁兼容性不佳，當(dāng)主板、顯卡所處環(huán)境的磁感強(qiáng)度峰值超過(guò)一定量時(shí)會(huì)損壞。

(2)現(xiàn)場(chǎng)傳感器線路多位于井架周?chē)?，線路上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)浪涌侵入數(shù)據(jù)采集器，擊穿電子元器件。雙絞線也可能產(chǎn)生雷電感應(yīng)浪涌，沿線路侵入電子司鉆網(wǎng)絡(luò)接口，擊穿電子元器件。

3)頂驅(qū)DTI板損壞。DTI板的作用是將頂驅(qū)編碼器輸出的信號(hào)整形成方波，然后再傳輸給主板(CUVC板)，由CUVC板對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，同時(shí)對(duì)旋轉(zhuǎn)方向是否與變頻器的驅(qū)動(dòng)相序相符合進(jìn)行辨別。DTI板卡與頂驅(qū)編碼器通過(guò)信號(hào)線路相連，經(jīng)由游動(dòng)電纜連接頂驅(qū)接線箱。該游動(dòng)電纜位于井架旁，雷擊時(shí)線路上會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生浪涌，加之編碼器、傳感器信號(hào)線路工作電壓低，DTI板接浪涌耐受流能力差，因此井架遭雷擊時(shí)，DTI板易遭雷電感應(yīng)浪涌的沖擊而損壞。

4)鉆井儀表數(shù)據(jù)采集處理單元(DAQ)板損壞。DAQ為鉆井儀表顯示屏的數(shù)據(jù)采集和處理設(shè)備，主要作用是為傳感器供電，接收和處理鉆機(jī)傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到鉆井儀表顯示屏，接收和處理操作員通過(guò)顯示面板輸入的數(shù)據(jù)等。DAQ板分別連接傳感器線路和鉆井儀表顯示屏線路。傳感器多處于井架附近，傳感器線路接入機(jī)艙內(nèi)DAQ板的布線長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米，因此雷擊井架時(shí)信號(hào)線路中會(huì)因電磁感應(yīng)產(chǎn)生共模過(guò)電壓，擊壞信號(hào)線的安全柵和DAQ電路接口。另外DAQ連接司鉆房鉆井儀表的網(wǎng)線為單屏蔽雙絞線，在強(qiáng)雷電暫態(tài)電磁場(chǎng)環(huán)境中屏蔽效果不佳，會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生雷電浪涌沿線路進(jìn)入DAQ板。

5)畫(huà)面分割器和井架攝像頭。畫(huà)面分割器位于司鉆房?jī)?nèi)，與井架攝像頭通過(guò)視頻信號(hào)線路相連。視頻信號(hào)電壓峰峰值為1 V，傳輸信號(hào)采用的同軸電纜對(duì)于雷電暫態(tài)電磁場(chǎng)的敏感度遠(yuǎn)高于雙絞線和光纖，雷擊井架時(shí)電纜感應(yīng)過(guò)電壓可達(dá)千伏級(jí)，極易侵入并損壞畫(huà)面分割器接口電路。井架攝像頭供電電壓為12 V(DC)，耐受浪涌電壓在數(shù)十伏，供電線路中侵入千伏級(jí)的感應(yīng)過(guò)電壓時(shí)必將擊壞攝像頭。

6)二層臺(tái)對(duì)講喇叭。對(duì)講喇叭與司鉆房?jī)?nèi)對(duì)講機(jī)通過(guò)音頻信號(hào)線路連接，這段線路挨著井架布設(shè)，井架遭雷擊時(shí)線路上會(huì)產(chǎn)生千伏級(jí)的感應(yīng)過(guò)電壓，侵入對(duì)講喇叭擊壞電路板。

7)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制電路板。氣體監(jiān)測(cè)裝置位于隊(duì)長(zhǎng)室內(nèi)，與13對(duì)現(xiàn)場(chǎng)硫化氫和可燃?xì)怏w探頭信號(hào)線路相連接，為探頭電路供電的同時(shí)接收信號(hào)，電壓為24 V(DC)。而氣體探頭多分布在司鉆房、振動(dòng)篩、泥漿池等附近，靠近井架且到隊(duì)長(zhǎng)室的布設(shè)線路較長(zhǎng)，在強(qiáng)雷電暫態(tài)電磁場(chǎng)環(huán)境中信號(hào)線上會(huì)感應(yīng)出雷電過(guò)電壓，擊壞變送器，同時(shí)浪涌侵入氣體監(jiān)測(cè)裝置擊壞控制電路板。

2 鉆井平臺(tái)防雷設(shè)計(jì)分析

雷電的破壞作用有熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)、沖擊波效應(yīng)、靜電感應(yīng)效應(yīng)、電磁感應(yīng)效應(yīng)、電磁輻射效應(yīng)等[3]，前三者由直擊雷造成，后三者則由感應(yīng)雷引起。雷電發(fā)生時(shí)，其強(qiáng)大的電流、熾熱的高溫、猛烈的沖擊波、劇變的電磁場(chǎng)以及強(qiáng)烈的電磁輻射等物理效應(yīng)，都可能會(huì)對(duì)鉆井設(shè)施及人員安全帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)于鉆井平臺(tái)應(yīng)綜合考慮直擊雷和感應(yīng)雷防護(hù)措施。

2.1 平臺(tái)防直擊雷措施

直擊雷防護(hù)措施由接閃器、引下線和接地系統(tǒng)組成。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有以下規(guī)定：避雷系統(tǒng)應(yīng)由接閃器、引下線和接地端子組成。對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)平臺(tái)，由于其桅、構(gòu)件和船體構(gòu)成固有的對(duì)地低電阻通路，故不需另設(shè)防直擊雷系統(tǒng)[4]；防雷引下線的沖擊接地電阻不宜大于10 Ω[5]。

根據(jù)靜電感應(yīng)理論，鉆井平臺(tái)各部位在閃電發(fā)生前會(huì)感應(yīng)出與雷暴云極性相反的電荷。井架與樁腿頂部物體表面曲率遠(yuǎn)大于平臺(tái)其他金屬部件，根據(jù)尖端放電理論，閃電發(fā)生前井架、樁腿頂部的面電荷密度極大，周?chē)妶?chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于平臺(tái)其他區(qū)域，致使附近空氣被電離，引發(fā)上行先導(dǎo)并與閃電下行先導(dǎo)匯合，形成閃電放電通道。因此，閃電發(fā)生時(shí)，平臺(tái)井架和樁腿就成了雷電接閃和泄放裝置。

未下套管時(shí)，井架沖擊接地電阻實(shí)測(cè)值在6 Ω左右，滿(mǎn)足要求。井架的接地電阻較樁腿大，這是因?yàn)閼冶叟c甲板、甲板與樁腿之間存在一定阻抗。如平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)，則除樁腿外又增加套管這一接地體。套管遠(yuǎn)超出常規(guī)的接地體尺寸，具備良好的接地性能[6]。此時(shí)平臺(tái)的整體接地電阻相當(dāng)于未作業(yè)時(shí)的接地電阻并聯(lián)上套管接地電阻，井架的沖擊接地電阻將進(jìn)一步減小。如出現(xiàn)井架接地電阻超過(guò)10 Ω的情況，可另設(shè)不少于2根、截面積不小于70 mm2的銅芯電纜，沿井架對(duì)稱(chēng)布置并將一端焊接在井架上[4]，在另一端剝?nèi)?0 m絕緣皮并將電纜置于海水中或者連接至樁腿合適位置。

綜上所述，鉆井平臺(tái)已具備符合要求的防直擊雷裝置，但還應(yīng)定期檢測(cè)井架接地電阻。如沖擊接地電阻超標(biāo)，建議采取上一段的做法。

2.2 平臺(tái)防感應(yīng)雷措施

感應(yīng)雷防護(hù)措施包括電纜和設(shè)備的屏蔽、等電位接地、配備浪涌保護(hù)器?？蓞⒖枷嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)置鉆井平臺(tái)感應(yīng)雷防護(hù)措施。

1)平臺(tái)設(shè)備應(yīng)采取的等電位接地措施。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有以下規(guī)定：設(shè)備的金屬外殼應(yīng)可靠接地，安全保護(hù)接地電阻小于4 Ω；可移動(dòng)和可攜電氣設(shè)備的不帶電裸露金屬部分，應(yīng)用專(zhuān)用軟銅絞線與船體連接，截面積不小于16 mm2[4]。

平臺(tái)上有大量設(shè)備設(shè)施，井架附近有頂驅(qū)變頻器柜、司鉆房?jī)x器儀表(鉆井儀表、司鉆控制臺(tái)、防爆控制器、畫(huà)面分割器等)、鉆井絞車(chē)、渦磁剎車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)以及防爆氣體變送器等。這些設(shè)備設(shè)施應(yīng)做好外殼接地且保護(hù)接地電阻應(yīng)小于4 Ω。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看和實(shí)測(cè)，保護(hù)接地均滿(mǎn)足要求，但由于海上的潮濕和高鹽腐環(huán)境，平臺(tái)應(yīng)對(duì)以上設(shè)備設(shè)施的保護(hù)接地線和端子進(jìn)行定期檢查，如發(fā)現(xiàn)保護(hù)接地達(dá)不到要求應(yīng)及時(shí)修復(fù)。

2)平臺(tái)電纜和設(shè)備的屏蔽措施。平臺(tái)室外布設(shè)有大量電纜，如未采用金屬鎧裝屏蔽電纜或雙層屏蔽電纜，則要求穿鋼管或封閉金屬電纜槽敷設(shè)。平臺(tái)所用電纜均為船用電纜，分為動(dòng)力電纜、控制電纜和通訊電纜，這些電纜均具備編織鎧裝層，因此可不要求穿管或封閉金屬電纜槽敷設(shè)。沿井架敷設(shè)的電纜無(wú)法滿(mǎn)足與井架的距離要求，而采用鎧裝電纜并在金屬橋架內(nèi)布線后，要求得到滿(mǎn)足。

對(duì)于弱電設(shè)備，應(yīng)采用所在金屬房體本身作為屏蔽裝置，并采用金屬箱體對(duì)設(shè)備實(shí)行進(jìn)一步屏蔽。平臺(tái)主要弱電設(shè)備包括頂驅(qū)(編碼器、頂電磁閥、傳感器等)、變頻器(PLC模塊、DTI板、CUVC板等)、司鉆控制器(遠(yuǎn)程I/O模塊等)、液位傳感器、氣體變送器、鉆井儀表(儀表、電子屏)、鉆井儀表控制箱(安全柵、變送器、PLC模塊等)、鉆井?dāng)z像頭、氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。其中，頂驅(qū)本體上的弱電器件均具備全封閉金屬外殼；變頻器內(nèi)弱電器件均處于變頻房房體和變頻器柜的雙重屏蔽中；司鉆控制器內(nèi)的弱電器件處于司鉆房房體與司鉆控制臺(tái)金屬外殼的雙重屏蔽中；液位傳感器、氣體變送器均具備封閉金屬外殼屏蔽；鉆井儀表的弱電器件均處于司鉆房房體與鉆井儀表外殼的雙重屏蔽中；鉆井儀表控制箱位于封閉機(jī)艙內(nèi)；鉆井?dāng)z像頭具備金屬外殼；氣體檢測(cè)系統(tǒng)位于生活樓的隊(duì)長(zhǎng)室內(nèi)?？偨Y(jié)來(lái)說(shuō)，平臺(tái)主要弱電設(shè)備都采取了符合規(guī)范要求的電磁屏蔽措施。

3)平臺(tái)設(shè)備浪涌保護(hù)器的設(shè)置。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有以下規(guī)定：儀表系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表端、變送器現(xiàn)場(chǎng)端、電磁閥等現(xiàn)場(chǎng)電信號(hào)執(zhí)行器類(lèi)儀表端、電子開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)端等應(yīng)設(shè)置電涌保護(hù)器，對(duì)應(yīng)的控制室端也均應(yīng)設(shè)置電涌保護(hù)器。

根據(jù)以上要求，應(yīng)設(shè)置浪涌保護(hù)器的設(shè)備包括幾種：①頂驅(qū)本體的電磁閥、編碼器端口的防爆箱中，變頻器游動(dòng)電纜進(jìn)線端的對(duì)應(yīng)線路端口；②司鉆控制臺(tái)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號(hào)端口；③泥漿返流、泥漿池液位、計(jì)量罐液位傳感器現(xiàn)場(chǎng)端的定制防爆箱內(nèi)，和相應(yīng)的鉆井儀表控制箱對(duì)應(yīng)線路進(jìn)線處(連接在安全柵之前)；④鉆井儀表的傳感器信號(hào)(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、泵沖、懸重、立管壓力傳感器)接收端的防爆箱內(nèi)；⑤鉆井儀表、鉆井儀表控制箱的網(wǎng)線進(jìn)線接口處；⑥二層臺(tái)、套管平臺(tái)攝像頭的控制線路和視頻線路接口，以及司鉆房處的上述線路接口處；⑦硫化氫、可燃?xì)怏w探頭(應(yīng)設(shè)置滿(mǎn)足防爆等級(jí)要求的裝配式浪涌保護(hù)器)和室內(nèi)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)端。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步，近年來(lái)海上鉆井平臺(tái)裝備了大量的弱電設(shè)備設(shè)施，在雷雨季節(jié)飽受雷電災(zāi)害困擾，已造成較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失并影響到安全生產(chǎn)。通過(guò)開(kāi)展自升式鉆井平臺(tái)的防雷技術(shù)研究工作，得到以下結(jié)論。

1)我國(guó)渤海和南海近海海域的平均閃電密度值遠(yuǎn)大于全球海洋的平均值，與東部沿海城市相當(dāng)；而自升式鉆井平臺(tái)又為海上孤立金屬體，其上配備了大量弱電設(shè)備，因此防雷形勢(shì)較為嚴(yán)峻。

2)根據(jù)已有鉆井平臺(tái)雷擊損失情況，受損的多為弱電設(shè)備設(shè)施，雷電靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)效應(yīng)造成的浪涌入侵是導(dǎo)致這類(lèi)設(shè)備設(shè)施誤動(dòng)作甚至損壞的元兇。

3)自升式鉆井平臺(tái)宜利用井架和樁腿作為雷電流接閃和泄放裝置。如未下套管時(shí)井架的沖擊接地電阻無(wú)法滿(mǎn)足要求，建議另設(shè)銅芯電纜作為井架到海水之間的引下線。

4)自升式鉆井平臺(tái)的電纜設(shè)備屏蔽、等電位接地等防感應(yīng)雷措施基本滿(mǎn)足要求。尚需為頂驅(qū)本體、頂驅(qū)變頻器、司鉆控制臺(tái)、液位傳感器、鉆井儀表控制器、鉆井儀表、井架攝像頭、云臺(tái)控制器和畫(huà)面分割器、氣體探頭、氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置匹配的信號(hào)浪涌保護(hù)器。

5)在爆炸危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)設(shè)置的浪涌保護(hù)器，應(yīng)安裝在滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)防爆等級(jí)的防爆箱內(nèi)。