压力平衡式密封保护水下电缆方法研究与应用

原庆东 范志峰 冒家友 冯丽梅 王 红

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

压力平衡式密封保护水下电缆方法研究与应用

原庆东 范志峰 冒家友 冯丽梅 王 红

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

水下电缆在深水海底存放需要进行绝缘密封保护,且因水下压力高、温度低,对密封性能要求较高。常用的水下电缆绝缘保护方法不能同时既保持电缆接头完整性,又保证电缆绝缘性能。流花11-1油田“南海挑战号”平台坞修解脱时需要将水下电缆解脱并存放在300 m水深的海底至少8个月,为此研究出了一种不破坏电缆接头(芯)的压力平衡式密封保护水下电缆新方法,自行研制了新型电缆密封管,并进行了氦气密封测试,在实际工程应用中取得了良好效果,从而为其他有电缆接头完整性保护需求的深水电缆应用提供了借鉴。

水下电缆;绝缘密封保护;压力平衡式密封管;密封测试;应用效果

1 问题的提出

水下电缆通常作为电潜泵动力电缆或水下控制系统控制缆用于海上油气田水下生产系统的生产作业[1],在安装过程中或在生产运营过程中有时需要弃置到海底并存放一段时间。流花11-1油田“南海挑战号”平台修坞解脱后,水下电缆要存放在300 m水深的海底长达8个月[2],弃置时电缆头部必须进行绝缘密封保护,以便平台坞修返回现场重新回接使用。

通常的水下电缆绝缘保护方法有铅封绝缘保护法、热缩套管保护法、机械密封法等[3],如图1所示。其中,铅封绝缘保护法是直接用铅金属融化后固化在电缆头上(图1a),电缆回收后电缆头必须切掉,破坏了整根电缆的完整性,一般用于电缆头切掉不会对整体电缆造成任何影响的电缆铺设过程,但该方法在水下电缆用于深水海底存放且需要保持其完整性的情况下就不适用了。热缩套管保护法是利用热缩套管热胀冷缩的原理,将热缩套管装在电缆头上后加热使套管内的密封剂融化,冷却后即固化在了电缆头上(图1b);但在实际海底存放试验时(15天)发现,当热缩套管存放于深水时(300 m以上),由于密封内外压差和环境温度变化等因素的影响,外部的海水很容易渗入电缆而造成绝缘失效。

在尝试热缩套管保护法失败后,又考虑使用机械密封法(是用一根金属密封管套装在电缆头上并用机械密封的方式使电缆头与外界海水隔离,图1c)对流花11-1油田“南海挑战号”平台坞修解脱时水下电缆进行绝缘保护,并根据电缆的尺寸定制了2根金属密封管进行海底存放试验,试验结果表明这种机械密封方式能够在压差较大(3 MPa)的海底存放时起到密封作用,但考虑到电缆需要在深水海底长期存放至少8个月,其密封的可靠性也受到了严重质疑。最后经过多方讨论和探索,研究出了一种不破坏电缆接头的压力平衡式密封保护水下电缆新方法,并得到了成功应用。

图1 水下电缆绝缘体保护方法

2 压力平衡式密封保护水下电缆方法研究

2.1 压力平衡式密封设计要求

针对流花11-1油田“南海挑战号”平台水下电缆的实际情况,对压力平衡式密封设计提出了如下要求:①使用环境为海水,水深300 m。②对三芯电缆(4.16 k V、60 Hz、三相)进行绝缘密封。③电缆在300 m水深的海底存放至少8个月仍保证绝缘性能。④密封管长度不应小于电缆芯长度520 mm,并按此长度进行相应设计和制造;密封管外径应尽量小,重量应尽量轻,以便于现场安装作业。⑤选取适当的压力补偿膜大小、数量和型式,设计依据是所需的电缆芯密封长度和硅胶填充空间大小,保证薄膜既不会变形过大而损坏,也能够起到压力补偿作用。⑥要防止海水由电缆芯之间的缝隙侵入,可使用一组合电缆芯密封胶套分别套紧在各个电缆芯上。⑦充填硅胶时要保证管内的空气已完全排放,可采用在管一端充填在另一端放气的方式;硅胶充满后,要拧紧硅胶填充放气的孔眼螺丝。⑧整个电缆密封管必须固定在电缆上,不能有滑移现象出现,并与电缆一起下放或回收,可通过一固定筒夹和锁紧螺母的方式实现此功能。⑨密封管安装时必须进行气密试验(应使用氦气或氮气),以保证密封管的密封有效性。

2.2 压力平衡式密封设计方案

研究初期提出使用双密封管加压力补偿器的方法(图2),在双层密封管之间充满绝缘油,并与上部的压力补偿器连通。当外管密封因在海底长期存放失效而进入海水时,管间的绝缘油压力就会升高,从而推动上部补偿器内的活塞压缩弹簧上移,由此保护了内管密封及电缆内芯。该方法理论上可行,但结构过于复杂,不易于现场安装,因此最终被放弃。

后经调研与探索,提出了利用塑胶薄膜的弹性和液体硅胶的绝缘及不可压缩性来进行压力平衡式保护水下电缆的新方法(图3)。由于密封外管内装有压力补偿塑胶薄膜总成,膜内充有用于绝缘用的液体硅胶,膜外则通过联通孔眼与外界海水相连,当将装配好的电缆密封管放置到海底时,塑胶薄膜会因外界海水压力增大而向内变形,压缩膜内硅胶,但因硅胶的不可压缩性,薄膜向内变形到一定程度时就会停止,但腔内硅胶的压力则随外部海水的压力增大而相应增大,这样使得右侧的电缆密封环两侧保持相对稳定的较低的压差,从而保证良好的密封。

图3 压力平衡式电缆密封管原理图

2.3 密封管氦气密封测试

密封管氦气密封测试是确保密封管密封性能良好的最重要的环节,每一个密封管都必须依据相关标准Statoil’s TR1233、Norsk Hydro’s NHT-152-00073进行氦气密封试验。氦气密封测试是利用氦气分子小、易渗透的原理检验电缆密封管密封的有效性。图3为一简单的密封管氦气密封试验图,氦气从氦气瓶中引出后通过一根直径6 mm管线和一个高精密压力表进入密封管的硅胶充填腔,当氦气充气压力达到0.14 MPa,保持5 min使压力逐渐稳定,再调整压力调节阀将压力降至0.1 MPa,关闭压力隔离阀,观察压力变化并记录。如果测试压力能在1 h内保持0.1 MPa压力(压力降低小于0.8 kPa),则表示密封管密封测试合格。

安装现场对密封管的密封测试结果一般通过对高精密压力表的指示变化进行观察并记录得到;如果有必要,也可通过在压力表处安装一个图示记录仪直接进行检测记录(图4)。图4中红线是环境温度变化曲线,蓝线为实测压力曲线,若中间的直线段为1 h保持了0.1 MPa的压力,则表示密封管密封测试合格。

需要指出的是,所安装的每一个密封管都要进行密封测试,测试下一个密封管前测试氦气压力应完全释放。环境温度的变化对氦气密封测试结果影响较大,应尽可能选择温度变化较小的地方进行密封测试,必要时可考虑将已装在电缆端部的密封管置于水中进行检漏测试。密封测试用的氦气如果难以提供时,也可用氮气代替,但是测试稳压时间应由1 h提高到2 h,压力衰减不应大于1.6 k Pa。

2.4 密封管安装时注意事项

这种新型密封设计管原理虽简单,但正确的安装仍是密封是否有效的关键,安装时应注意以下几点:

1)密封管安装人员应进行相应的培训,取得生产厂家的安装认可证书。

2)密封管安装应严格按照安装程序进行,不应随意更改安装程序。

3)安装时氦气压力密封测试是最为关键的一个环节,压力测试结果应有记录。

4)充填液体硅胶时,要将硅胶从下部向上部填充,保证管内空气排空排净。

5)密封管随水下电缆一起下放到海底时,要根据现场条件进行相应安排,密封管在随水下电缆下放到海底过程中或存放海底时不能受压或承受外力。

6)水下电缆回收后,拆下密封管时应仔细检查有无海水侵入,并对水下电缆进行绝缘性能检查。

图4 氦气密封试验结果曲线

3 现场应用效果

在经过大量研究和设计的基础上,新型压力平衡式电缆密封管终于研制成功,并首先将一个密封管安装在一段长约2 m的水下电缆上,存放到300 m水深的海底进行了为期15d的试验,结果证明其密封性能良好。新型压力平衡式电缆密封管主要技术参数为:型号TC6A-800,长度680 mm,直径75 mm,保护电缆长度520 mm,保护电缆规格4.15 k V、60 Hz、三相,海底存放深度300 m,海底存放时间8～10个月。

流花11-1油田“南海挑战号”平台于2011年11月在广州黄埔船厂进行坞修,坞修前对25根平台电潜泵动力水下电缆进行了上部解脱,每根电缆都安装了密封管并做了氦气密封试验,并存放在300 m水深的海底。2012年5月平台坞修结束从船厂返回流花油田后,所有25根水下电缆被陆续从海底回收重新安装就位,从电缆密封管拆下后的检查情况来看,虽然电缆在海底存放了8～10个月,但所有电缆无一例发生海水渗入现象,密封性能非常良好,回装后都能正常使用。

4 结束语

流花11-1油田“南海挑战号”电潜泵动力水下电缆海底存放在国内外未见先例,采用自行研制的压力平衡式电缆密封管有效地解决了在保持电缆完整性条件下海底长期存放的难题,为“南海挑战号”平台顺利解脱并进行坞修创造了有利条件。

压力平衡式电缆密封技术适用于各种深水电缆的密封,尤其是在保证电缆完整性条件下的电缆密封,也可用于现有在线使用深水电缆的维修及某些工程作业等。应用实践证明,该项技术可靠性高,是水下电缆海底存放最好的方法,但其制造工艺复杂,材料要求高,产品出厂时必须进行合格性试验,并在安装现场必须进行氦气密封测试以保证密封管的密封效果。

[1] 郭宏,屈衍,李博,等.国内外脐带缆技术研究现状及在我国的应用展望[J].中国海上油气,2012,24(1):74-78.

[2] 刘义勇,冒家友,原庆东,等.半潜式平台永久锚泊系统解脱技术及其应用[J].中国海上油气,2013,25(3):64-67.

[3] 吴建峰.硅橡胶绝缘材料防护技术在变电站的应用[J].电工技术,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

(编辑:叶秋敏)

原庆东,男,高级工程师,1983年毕业于原华东石油学院,现主要从事海洋工程及海上安装作业等工作。地址:广东省深圳市南山区太子路22号金融中心9楼914室(邮编:518052)。电话:0755-26023739。