水下電纜測試技術(shù)及其在某氣田中的應(yīng)用

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；電測試；絕緣電阻；技術(shù)發(fā)展；檢測設(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，實現(xiàn)實時監(jiān)測水下生產(chǎn)系統(tǒng)運行情況、維持水下生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的功能，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)運行前和運營過程中都需要對電纜進行預(yù)防性檢測。通過相關(guān)電測試，可及早發(fā)現(xiàn)電纜存在的問題，從而進行更換或維修，以保證水下生產(chǎn)系統(tǒng)正常運行，減少生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1 電測試的主要內(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，其主要由導體、絕緣層和保護層三部分組成。

圖1 臍帶纜及電纜

電纜故障是指電纜在運行過程中無法完成其既定的任務(wù)，而導致生產(chǎn)系統(tǒng)受損或者無法運行的情況。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體中存在一相或者多相存在不連續(xù)情況，導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體與環(huán)境之間的絕緣電阻低于設(shè)計值但仍高于10Zc（Zc，電纜特性阻抗），低阻故障指導體與環(huán)境之間的絕緣電阻小于10Zc。

1.2 主要電測試內(nèi)容

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

(1)導體電阻

導體電阻是評價電纜性能的重要指標，根據(jù)GB/T 3048.4-2007規(guī)定，不同溫度下電纜的導體電阻可以通過以下公式進行計算：

式中：

RL——t℃時L長電纜的理論導體電阻值，單位為Ω；

R20——20℃時每公里長度的標準導體電阻值，單位為Ω/km；

L——待測電阻的長度，單位為m；

當導體電阻的阻值明顯超過理論值RL時，首先考慮電纜是否出現(xiàn)了通斷故障，當通斷故障排除后，則考慮電纜的質(zhì)量是否達標。導體電阻的超標將加大線路上功率的消耗，導致其載流量下降，此時，為保證設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，往往需要加大供給側(cè)電功率的輸入，導致電纜處于滿負荷甚至超負荷運行，發(fā)熱量增大，溫度升高，導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

絕緣電阻是評價電纜絕緣特性的重要指標，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行計算：

式中：

RL，c——t℃時L長電纜的理論絕緣電阻值，單位為MΩ；

R20，c——20℃時每公里長度的標準絕緣電阻值，單位為MΩ·km；

L——待測電阻的長度，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，一旦絕緣電阻不達標，電纜極易發(fā)生短路故障，導致水下生產(chǎn)系統(tǒng)無法正常運行[6]，輕則產(chǎn)生高昂的維修費用，重則可能導致油井失控，發(fā)生泄露現(xiàn)象。

2 水下電測試技術(shù)發(fā)展狀況

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

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，分別測量兩電纜維持電壓的能力，然后對存在故障的電纜段進行平分再測量，如此往復，直至最終獲得故障發(fā)生點[7]。折半法理論上是可行的，但對于海底動輒數(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)，使電橋達到平衡，此時可以得出故障電路的電阻值。由于電纜的電阻值與其長度呈數(shù)量關(guān)系，利用Wheatstone電橋原理，可以計算出測量點到故障點的距離。

圖2 雙臂電橋

電橋法原理簡單，精度也較高，但其更適用于低阻故障的排除，對于高阻故障，由于阻值過高導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 時域反射法

時域反射法[9]又稱行波法，通過在測試端施加驅(qū)動電信號，脈沖電信號沿電纜傳播，當碰到故障點時產(chǎn)生一個反射波，從而可以通過計算電信號發(fā)出時間及反射波返回時間計算故障發(fā)生點距測量點的距離。時域反射法以電信號為驅(qū)動，無需輸入高電壓，對電路無損壞威脅，測試簡單，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的游離電子。

圖3 脈沖法原理

3 電測試技術(shù)在某氣田中的應(yīng)用

3.1 某氣田基本情況簡介

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)方案及待測試設(shè)備分布情況

此次測試為該氣田新開發(fā)區(qū)域相關(guān)設(shè)備的投產(chǎn)前例行測試，測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 測試方案

3.2.1 測試設(shè)備

此次電測試采用C-Kore最新一代電纜檢測儀，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，設(shè)備具有如下特點：

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

(2)可適應(yīng)水上、水下和水上水下混合等各種測試場景。

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

(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，當不執(zhí)行測量任務(wù)時，設(shè)備可自動進入省電待機狀態(tài)，可允許長時間部署。

(6)內(nèi)置大容量存儲裝置，具有存儲上千測試數(shù)據(jù)的能力，數(shù)據(jù)可導出為報告和csv表格的形式。

圖5 C-Kore測試單元

Kore檢測設(shè)備可適應(yīng)復雜的海底環(huán)境，其主要設(shè)計參數(shù)如下：

表1 C-Kore檢測設(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措施。在每個測試程序開始之前，C-Kore都會進行多輸入電路各電路單獨輸入完整性、環(huán)境溫度、蓄電池充電水平檢測。此外，裝置還會對測量環(huán)境中的電氣噪音進行檢測，如果裝置檢測到噪音，其會自動嘗試通過主動調(diào)整測量濾波來消除干擾，并向用戶發(fā)出噪音警告。C-Kore具有內(nèi)置保護裝置，為防止電纜存在放電不充分情況，在測量之前，裝置都會對電荷殘留量情況進行檢測，如果電纜確實帶電，裝置將嘗試通過一個大的內(nèi)阻對線路安全地進行放電，直至放電完全后再進行測量任務(wù)，如果放電程序失敗，則說明線路存在其他輸入，C-Kore將暫時停止本次測量。此外，C-Kore內(nèi)部也設(shè)置了完善的過載保護裝置，當工作中瞬時電壓超過150V時，內(nèi)部保險裝置將立即啟動，切斷回路，以保護設(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 測試方案

與傳統(tǒng)的測量手段相比[10]，新一代C-Kore電纜測量儀可通過潛水員或者ROV進行部署，無需下放電纜將工程船與測量設(shè)備相連接，這樣可以大大節(jié)省設(shè)備部署的時間，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即可在海底邊測量邊讀取結(jié)果。

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

圖7 水下生產(chǎn)系統(tǒng)分布

以臍帶纜SPUR A9的測試為例，在進行測試之前，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)的測試單元取出，經(jīng)機械臂將其插入臍帶纜端頭的QA口，準備對SPUR A9的A線進行電測試。采用ROV照明觸發(fā)本次作業(yè)，當一切準備就緒后，ROV開啟照明燈，C-Kore開始進行自檢測。在ROV觸發(fā)測試前，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在正式開始測試前首先會進行全面的自檢功能，包括系統(tǒng)溫度、蓄電池電量、以及噪音檢測等，如果上述變量達不到出場設(shè)置標準，C-Kore會發(fā)出警告，相關(guān)警告可以通過其自帶的OLED顯示屏進行讀取。此外，需確保電路是不帶電的，當電路放電不完全或存在帶電情況時，C-Kore首先會通過連接內(nèi)部大電阻進行溫和放電，如果帶電情況無法改善，C-Kore會終止本次測試。

當自檢和自動校準完成后，設(shè)備會顯示“SYS.OK”，此時可開始本次測量，設(shè)備可自動完成導體電阻和絕緣電阻的測量，測量結(jié)果存儲在內(nèi)置存儲裝置中，也會顯示在自帶OLED屏中，ROV可直接讀取相關(guān)結(jié)果。

圖9 ROV讀取絕緣電阻測試結(jié)果

待絕緣電阻和導體電阻測完后，ROV取下相關(guān)測量設(shè)備，介入時域反射測量設(shè)備，進行時域反射測試。時域反射測試介紹后，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，重復上述側(cè)坐，完成臍帶纜B線的測試。相關(guān)測試完成，ROV取回相關(guān)設(shè)備，回收至甲板，臍帶纜SPUR A9的電測試結(jié)束。根據(jù)此流程，相繼完成臍帶纜SPUR A1、IFU-A1～IFU-A2～IFU-A3 的測量。

3.3 測試結(jié)果

本次測試合格標準為IR大于500MΩ·km，CR小于1.2Ω/km，根據(jù)式1和式2相關(guān)計算公式，可以得出本次測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～IFU-A2～IFU-A3～SPUR A1 66.216 79.46 8.917

表3 SPUR A9臍帶纜測試結(jié)果

以SPUR A9為例，可以看出導體電阻均在5.1Ω以下，遠小于5.76Ω，說明電纜導電性能良好；在檢測范圍以內(nèi)，絕緣電阻均在10GΩ以上，遠大于接受標準的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，本次檢測通過。其他電纜本次檢測數(shù)據(jù)亦在接受范圍之內(nèi)，詳細測量數(shù)據(jù)見表4和表5。

圖10 SPUR A9臍帶纜Line1-Line2時域反射測試結(jié)果

表4 SPUR A1測試結(jié)果

表 5 IFU-A1～IFU-A2～IFU-A3 測試結(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)定運行的重要前提，本文以水下電纜測試為基礎(chǔ)，介紹了電纜運維過程中的常見故障類型，并對相關(guān)故障的關(guān)鍵檢測指標及計算方法進行了簡述，針對常見故障類型，對電纜的檢測技術(shù)理論進行了綜述。本文以南海某氣田投產(chǎn)前例行電測試為基礎(chǔ)，詳細介紹了最新一代C-Kore電測試設(shè)備，并對其測試施工技術(shù)方案進行了概述，最后，詳細分析了該次測試的結(jié)果，測試結(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試技術(shù)了解及電測試應(yīng)用方案的參考。