海底電纜的故障檢測及修復工藝方法

王 昆，李敏雪，生 宏，王 靖，繳春景

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.中海油田服務股份有限公司，天津 300452）

1 引言

隨著海洋石油工業的發展，多樣化的海上石油平臺日益增加，而海底電纜作為海上各類平臺間的動力傳輸設施，其安全性和重要性越來越廣泛地受到關注。由于海纜線路的隱蔽性和重要性，海底電纜一旦發生故障，不但會嚴重影響海上石油平臺的正常生產，造成很大的原油產量損失，而且還會影響平臺人員的正常工作和生活。因此如何準確及時地檢測并修復海底電纜變得尤為重要。

2 海底電纜的故障類型及檢測方法

2.1 海底電纜的故障原因

造成海底電纜故障的原因有很多，比如：機械損傷、絕緣老化變質、過電壓、材料缺陷、設計和制作工藝不良以及護層腐蝕等。根據歷年來海纜故障的統計，引起海底電纜故障的原因大致如下：

（1）船舶拋錨引發的海底電纜損傷。

（2）電纜護管和電纜之間的摩擦造成電纜護層及絕緣層逐漸磨損，直至損壞。

（3）海纜交叉點部分經常發生摩擦，久而久之，其電纜護層及絕緣層發生損壞而造成相間短路故障。

（4）地殼變動對海纜形成的強拉力造成海纜損傷。

（5）潮汐能引發的波浪流使海纜移位和擺動。

（6）海洋微小生物和有機體長時間在海纜表面附著對海纜的化學腐蝕。

2.2 海底電纜的故障類型［1］

按照故障出現的部位，通常可分為線芯斷線故障、主絕緣故障和護層故障。按其故障性質可分為低阻故障和高阻故障。

低阻故障指的是故障點絕緣電阻下降至該電纜的特性阻抗（即電纜本身的直流電阻值），甚至直流電阻為零的故障，也稱短路故障。

高阻故障指的是故障點的直流電阻大于該電纜的特性阻抗的故障，可分為斷路故障、高阻泄露故障和閃絡性故障。其中高阻泄露故障是指在電纜高壓絕緣測試時，當試驗電壓升高到一定值時，泄漏電流超過允許值的高阻故障。閃絡性故障是指試驗電壓升至某值時，電纜局部出現閃絡放電現象，泄漏電流突然波動，而此現象隨電壓稍降而消失，但電纜絕緣仍然有較高的阻值；由于這種故障點沒有形成電阻通道，只有放電間隙或閃絡性表面的故障，而稱為閃絡性故障。

2.3 海底電纜的故障檢測方法

電力電纜故障的查找一般要經過診斷、測距（預定位）、定點（精確定位）3個步驟［2］。故障發生后，一般先通過測絕緣電阻等方法，初步判斷出故障的性質；然后根據故障類型，采用合適的測量方法，初步測出故障的距離位置；最后沿著電纜走向在此位置前后仔細探測定點，直到找出精確的故障點位置。

在實際測試時，一般先用萬用表、兆歐表等測量故障電纜的相間、相對地的絕緣電阻，結合電纜的情況以及絕緣電阻的測量情況初步判斷電纜的故障類型，再根據不同的故障類型針對性地選擇故障檢測方法，海底電纜的故障檢測流程如圖1所示。

圖1 海底電纜故障檢測流程圖

2.4 應用實例

2011年3月22日下午JX1-1油礦突然停電，嚴重影響了各平臺正常運行。經排查判斷，CEPA至WHPB海纜故障。3月23日測試人員對JX1-1油礦CEPA至WHPB海纜進行故障檢測，用萬用表初測的結果如下：

綠相對地：0MΩ 綠相對紅相：0MΩ

紅相對地：0MΩ 綠相對黃相：0MΩ

黃相對地：0MΩ 黃相對紅相：0MΩ

由初測結果可以看出，此海纜的三相全為低阻性故障，故選擇低壓脈沖法分別對海纜的兩端進行測試。測試結果如圖2所示。

從絕緣測試和萬用表測量數據可以判斷，海纜三相接地故障。由于海纜故障為三相接地故障，故無法測量海纜全長，通過海纜測試數據分析：從CEPA平臺側測量故障點距離為127.7米；WHPB平臺側測量故障點距離為4202.3米，其故障點位置如圖3所示。

圖2 低壓脈沖法測量波形（JX1-1 CEPA至WHPB海纜）

圖3 海底電纜故障點位置示意圖

該測量結果經海纜搶修項目檢驗比較準確，為海纜的修復工作起了重要的指導作用。事故調查發現，由于作業船施工時刮擦到海纜，導致海纜受損斷裂，后經長時間海水浸泡導致最終接地。

3 海底電纜的修復工藝方法

電纜種類的不同決定了修復海纜工藝方法的不同，本文只針對淺海領域（水深50m以內）的XLPE電纜維修作介紹。由于修復海纜是在船上作業，因此要求風速不高于5級，浪涌不超過0.5m。

3.1 海底電纜修復工藝

故障點水深小于50m，修復XLPE電纜（非浸油電纜）的典型工藝修復順序如下［3］：

（1）海底電纜的故障點定位后，船舶在擬定故障點就位。

（2）潛水員水下探查故障海纜，確定海纜的位置。在海底用高壓水槍或其它吹泥設備，沿擬定故障點兩側海纜走向將海纜沖出，需沖出的長度由水深、電纜可彎曲半徑、故障點切除余量等因素決定。

（3）計算需用的備用海纜長度。

（4）潛水員在水下切割電纜，在去除破損段的海纜兩頭安裝防水組件并做好標記（1號和2號）。

（5）用就位在標記為1號海纜斷點附近的浮吊，將故障海纜吊出水面并固定在作業平臺上。在去除損壞點和進水部分后，對海纜進行導體直流電阻測量、絕緣測量、鉛護套直流電阻均勻性測試和耐壓試驗，排除其它故障情況［4］。

（6）采用海纜專用接頭將備用海纜與1號海纜端連接，并將1號海纜與備用海纜一起放回海底。

（7）將浮吊移至2號海纜斷點附近，并將2號海纜斷點吊出水面并固定在作業平臺上。在去除損壞點和進水部分后，對海纜進行導體直流電阻測量、絕緣測量、鉛護套直流電阻均勻性測試和耐壓試驗，排除其它故障情況。

（8）采用海纜專用接頭將備用海纜與2號海纜端連接，并將2號海纜與備用海纜一起放回海底。

（9）對修復后的整根海纜進行導體直流電阻測量、絕緣測量、鉛護套直流電阻均勻性測試和耐壓試驗，測試結果應滿足最新API Spec17E標準。

3.2 備用海纜長度計算

海纜的修復工藝中，故障點、外部損傷、進水部分都需要在進行相關電氣測試工作時將其切除掉，修復海纜所需的備用電纜長度需要通過手工比較計算得出。

修復海纜最常用的入水角度α一般接近60°，通過該角度就可以計算出需用備用海纜的長度，修復海纜所需電纜長度計算示意圖如圖4所示。

圖4 修復海纜所需電纜長度計算示意圖

切除電纜的最小長度為：

式中：H為從海纜所處的海床底部至海平面維修船舶甲板之間的距離；B為維修平臺長度的1／2；J為海纜修復連接作業處為便于修復所需富余的長度；D為海纜故障檢測出的破損段，底部的連接處不產生移位所需的最小長度；W為切除電纜的長度（外部破損、進水、測試長度）；α為連接作業時電纜的入水角度。

如果切除海纜的長度W≤Wmin，則修復海纜所需的備用海纜長度L1應滿足：L1≥Lmin；

如果切除海纜的長度W＞Wmin，則修復海纜所需的備用海纜長度L2應滿足：L2≥Lmin+W-Wmin。

3.3 海纜的連接及測試

海纜的連接及測試具體方法如下：

①用浮吊將故障海纜吊出水面并固定在作業平臺上。

②將故障電纜從過故障點1m處切除，并用兆歐表測量其絕緣電阻，若電纜絕緣值低于200MΩ，則繼續切除，直至絕緣達到200MΩ以上。

③對海纜進行導體直流電阻測量、鉛護套直流電阻均勻性測試和耐壓試驗，排除其它故障。

④將試驗合格后的海纜端頭和備用海纜端頭固定在工作架上，使需要對接海纜兩端穿過海纜護卡的緊固部分。剝開海纜保護鋼鎧，使鋼絲回返均勻包住電纜護卡緊固部分的錐心，然后進口外套。

⑤除去緩沖尼龍帶，松開纏繞在海纜線芯上的屏蔽帶，將兩段電纜三條芯線分別錯開25～30cm鋸掉，兩端海纜必須一樣，以保證對接后三個接頭的位置互相交錯，而不至于形成一個大“腫瘤”，防止接點過熱出現故障。

⑥剝除20cm絕緣屏蔽層，剝除10cm絕緣層，剝除5cm導體屏蔽層，用砂紙打磨平整，清除線芯氧化層，然后用無水酒精清潔表面，確定無雜質后，方可纏繞絕緣帶。

⑦兩端線芯分層進行熱熔接，三相線芯熔接完成后再用無水酒精進行清潔。

⑧用半導體的交聯聚乙烯膠帶在距離導體屏蔽層5cm處均勻纏繞5層，然后用熱吹風機使之均勻受熱融合，并用砂紙打磨平整，再用無水酒精清潔，恢復海纜的導體屏蔽層；用高壓干式交聯聚乙烯絕緣防水膠帶在距離絕緣層10cm處均勻纏繞20～25層，然后用熱吹風機使之均勻受熱融合，并用砂紙打磨平整，再用無水酒精清潔，恢復海纜的導體的絕緣層；滿纏半導體的高壓交聯聚氟乙烯白膠帶5層，然后用熱吹風機使之均勻受熱融合，并用砂紙打磨平整，再用無水酒精清潔，恢復海纜的絕緣屏蔽層；纏玻璃絲白粘帶5～10層；用縱向開口的鉛護套包住海纜的線芯接頭，使之熱融合，從而恢復海纜的鉛護套屏蔽層。

⑨安裝電纜護卡所有緊固螺栓。從護卡天窗澆注溫度低于50℃的瀝青，使瀝青充滿電纜護卡，以提高接頭處絕緣強度和防腐能力。

⑩海纜接頭制作完畢后，對整根海纜進行導體直流電阻測量、絕緣測量、鉛護套直流電阻均勻性測試和耐壓試驗，以上的測試結果應滿足最新API Spec17E標準。

4 預防措施

海纜由于所處的海洋環境條件，維護和保養工作極為困難，一旦發現其損壞，往往很難維修，導致平臺停產，使客戶蒙受嚴重損失。因此，加強在其使用過程中的維護工作，尤為重要。海底電纜的維護管理工作，建議采取如下措施。

（1）定期對海纜進行檢測，收集整理海纜使用過程中的相關資料，監視海底電纜在操作使用過程中各種參數的變化情況，掌握海纜的使用情況。

（2）船在油田海域需要拋錨時應先取得允許拋錨坐標，并嚴格按照規定在指定區域拋錨。平時在海面值班巡視的工作船，一定要特別注意過往船舶及漁業捕撈作業等有無危機海纜安全的行為，以防止由此引起的機械損傷事故。SZ36-1油田、JZ21-1油田和JX1-1油田近年來在這方面有關的經驗和教訓表明了防患工作的重要性。

（3）海纜自海底引向平臺甲板時，電纜護管起保護作用。因此必須加強對護管部位的防護措施，以防止冰荷載、惡浪及船舶的意外撞擊。定期對海纜護管進行檢查，發現損壞的立即修復，防止護管斷裂沿海纜落入海中。

（4）收集海纜施工和檢測資料，對每一條海纜的走向、水底富余量、實際長度等資料詳細收集，便于故障時準確測量和定位。

5 結束語

本文探討的海底電纜故障檢測及修復工藝方法是針對淺海油田海底電纜出現故障后采取的檢測維修技術。此技術在SZ36-1、JZ21-1和JX1-1等油田的海纜維護搶修工程中多次得到應用。

［1］徐丙垠.電力電纜故障探測技術［M］.北京：機械工業出版社，1999.

［2］韓伯鋒.電纜故障閃測原理與電纜故障測量［M］.西安：陜西科學技術出版社，1993.

［3］張文國，劉效國，曹志陽.電纜故障閃測原理與電纜故障測量［J］.電工技術，2010，（6）：56-57.