自升式平臺(tái)深潛泵電纜燒毀事故致因分析與對策

2021-07-16 03:12:22王直干

船舶與海洋工程 2021年3期

董翔，王直干

（滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129）

0 引言

深潛泵是自升式平臺(tái)重要的海水供給設(shè)備之一，其泵塔由深潛泵與豎直海水管連接組成（見圖1）。深潛泵的軟電纜沿著泵塔綁扎，多余的軟電纜通過主甲板的電纜絞車收納和存儲(chǔ)。隨著平臺(tái)的升高，深潛泵塔通過甲板吊機(jī)，沿著樁腿的導(dǎo)向軌道移動(dòng)并固定至適合的高度處。泵塔上的通岸接頭與主甲板上的海水進(jìn)水管相連接，實(shí)現(xiàn)向平臺(tái)供應(yīng)海水。

圖1 典型自升式平臺(tái)深潛泵布置

國外某船廠曾發(fā)生一起在建自升式平臺(tái)深潛泵軟電纜燒毀事故，導(dǎo)致深潛泵的軟電纜完全報(bào)廢，需進(jìn)行更換。該事故不僅造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重影響了該項(xiàng)目的進(jìn)度。

1 事故致因分析

在該事故中，深潛泵電纜絞車上的軟電纜局部外護(hù)套完全損毀（見圖2）。初步分析發(fā)現(xiàn)，引發(fā)該事故的原因是電纜局部溫度過高，超過了電纜絕緣外護(hù)套的保護(hù)能力，從而導(dǎo)致電纜絕緣外護(hù)套燒毀。導(dǎo)致電纜局部溫度過高的原因可能有以下幾種：

圖2 燒毀的深潛泵電纜

1) 深潛泵電纜的選型與深潛泵規(guī)格不匹配，電纜的載流量小于深潛泵的額定工作電流。在正常運(yùn)行過程中，電纜因發(fā)熱與散熱不平衡而出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。

2) 深潛泵電纜相間的絕緣性能不好，造成絕緣電阻較小，運(yùn)行過程中出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。

3) 深潛泵電纜護(hù)套破損，進(jìn)水后破壞了電纜的絕緣性能，導(dǎo)致絕緣電阻的阻值減小，從而造成發(fā)熱現(xiàn)象。

4) 深潛泵電纜絞車的規(guī)格與深潛泵電纜不匹配，導(dǎo)致電纜敷設(shè)過密，通風(fēng)效果不佳，影響電纜正常散熱，造成運(yùn)行過程中出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。

為滿足不同場景的應(yīng)用需求，深潛泵和軟電纜的相關(guān)參數(shù)（長度、載流量和防護(hù)等級等）會(huì)根據(jù)具體應(yīng)用場景的不同發(fā)生變化。同時(shí)，軟電纜與泵本體的連接涉及特殊水下接頭的制作，因此深潛泵的電纜和泵體通常由深潛泵廠家提供，選型匹配工作完全由廠家負(fù)責(zé)。該事故項(xiàng)目的深潛泵廠家為業(yè)內(nèi)知名供應(yīng)商，不太可能出現(xiàn)深潛泵電纜的載流量與深潛泵規(guī)格不匹配的情況，且對比同類型項(xiàng)目，該事故項(xiàng)目中深潛泵的功率和軟電纜規(guī)格參數(shù)均大致相當(dāng)，因此基本上可排除上述原因1）。

該事故項(xiàng)目中的深潛泵軟電纜為圓形橡膠護(hù)套軟電纜，絕緣材質(zhì)為乙丙橡膠，滿足德國電氣工程師協(xié)會(huì)0250標(biāo)準(zhǔn)的要求。該軟電纜適合在絞車上簡易繞卷，相關(guān)證書齊全，故基本上可排除上述原因2）。

該事故項(xiàng)目為新造海工平臺(tái)項(xiàng)目，相關(guān)電纜不存在長期磨損的問題。除非刻意破壞，電纜外護(hù)套一般不會(huì)破損。海工平臺(tái)項(xiàng)目在設(shè)備通電之前通常會(huì)進(jìn)行機(jī)械完工檢查，對設(shè)備和電纜的安裝情況進(jìn)行檢查。若軟電纜外護(hù)套有損傷，會(huì)在該階段被發(fā)現(xiàn)，因而基本上可排除上述原因3）。

由于電纜自身的電阻特性，在長時(shí)間運(yùn)行時(shí)，由于電纜的電效應(yīng)，電纜上的部分電能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能。多層電纜疊加敷設(shè)之后，由于其自身結(jié)構(gòu)的差異性，加上路徑長度的差別，集聚敷設(shè)的電纜會(huì)因集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)而使單位截面的電纜載流量減小，導(dǎo)致各電纜回路的電流分配嚴(yán)重不平衡，此時(shí)個(gè)別電纜回路處于超載過熱狀態(tài)。結(jié)合圖2可知，電纜燒毀部位位于平臺(tái)主甲板電纜絞車處。電纜絞車的電纜通常不應(yīng)超出絞車兩側(cè)邊緣，而圖2中的電纜均已超出電纜絞車邊緣外側(cè)，說明電纜絞車實(shí)際收納和存儲(chǔ)的電纜容量超標(biāo)，存在多層電纜集聚敷設(shè)的情況。由于電纜絞車存在多層電纜集聚敷設(shè)的情況，個(gè)別回路必然處于超載過熱狀態(tài)。

該事故項(xiàng)目中與深潛泵配套的電纜為特殊的軟電纜，外護(hù)套的材質(zhì)為乙丙橡膠。隨著溫度的下降，該絕緣材料的表面會(huì)變硬；當(dāng)溫度達(dá)到某一臨界值時(shí)，材料表面會(huì)變脆。結(jié)合圖2可知，軟電纜的部分顏色變黑，表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。當(dāng)軟電纜持續(xù)在高溫環(huán)境下運(yùn)行，其表面溫度超過正常使用溫度時(shí)，外護(hù)套絕緣層受到破壞，護(hù)套的顏色變黑，絕緣性能下降。當(dāng)溫度下降至臨界溫度之后，軟電纜表面會(huì)變硬變脆，甚至出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，絕緣性能喪失。

另外，經(jīng)多方求證發(fā)現(xiàn)，該事故發(fā)生在深潛泵負(fù)荷試驗(yàn)過程中。在進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)，電纜絞車上的軟電纜固定繞卷在電纜絞車上，并在100%負(fù)荷下連續(xù)運(yùn)行4h。在實(shí)際工況下，全平臺(tái)配置2臺(tái)深潛泵和1臺(tái)預(yù)壓載泵，工況為間斷運(yùn)行；在連續(xù)運(yùn)行工況下，電纜絞車上的軟電纜根本無法周期性散熱，長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行勢必會(huì)導(dǎo)致大量的熱量集聚超載。

因此，通過上述分析可知：由于該項(xiàng)目的深潛泵電纜絞車規(guī)格與深潛泵電纜不匹配，導(dǎo)致電纜絞車容量超標(biāo)，存在軟電纜多層敷設(shè)的情況，導(dǎo)致軟電纜的載流能力下降；在長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行過程中，局部軟電纜超載過熱，超出了軟電纜護(hù)套的保護(hù)能力范圍，導(dǎo)致軟電纜外護(hù)套絕緣遭到破壞，從而引發(fā)電纜燒毀事故。

2 同類項(xiàng)目選型驗(yàn)證

受成本等因素影響，電纜絞車通常由第三方舾裝件廠家提供。若不熟悉平臺(tái)相關(guān)參數(shù)、運(yùn)行工況和具體安裝位置等信息，同時(shí)缺乏與相關(guān)廠家溝通，極易出現(xiàn)深潛泵軟電纜在電纜絞車上超標(biāo)敷設(shè)的情況，造成兩者不匹配，在極端環(huán)境和使用條件下引發(fā)事故。上述事故正是兩者不匹配造成的，因此非常有必要對同類型項(xiàng)目進(jìn)行選型驗(yàn)證，確保不存在類似問題。

2.1 軟電纜選型驗(yàn)證

電纜選型驗(yàn)證主要檢驗(yàn)電纜的載流量是否滿足設(shè)備的使用要求。在熱穩(wěn)定條件下，當(dāng)電纜導(dǎo)體的溫度達(dá)到長期允許的工作溫度時(shí)，對應(yīng)的電流載流量就稱為長期允許載流量。在電纜實(shí)際運(yùn)行過程中，電纜的載流量受工作溫度、環(huán)境溫度和敷設(shè)方式等多種因素的影響。

對于多層集聚敷設(shè)的電纜而言，電纜相與相之間和回路與回路之間會(huì)互相影響散熱，使載流能力下降，下降程度與電纜回路數(shù)、排列方式、間距和通風(fēng)條件等都有關(guān)系。因此，在計(jì)算成束敷設(shè)電纜的載流能力時(shí)，需根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和電纜敷設(shè)方式等實(shí)際情況，計(jì)算得到載流能力的修正系數(shù)，從而對電纜的載流能力進(jìn)行準(zhǔn)確評估。

根據(jù)IEC 60287的規(guī)定，單回路自由空氣中敷設(shè)的電纜恒定負(fù)荷下的穩(wěn)態(tài)載流量

為

式(1)中：

Δθ

為高于環(huán)境溫度的導(dǎo)體溫升；

為最高溫度下導(dǎo)體單位長度的交流電阻；

為導(dǎo)體絕緣單位長度的介質(zhì)損耗；

為電纜中載有負(fù)荷的導(dǎo)體數(shù)；

為導(dǎo)體與金屬套之間單位長度的熱阻；

為金屬套與鎧裝之間內(nèi)襯套單位長度的熱阻；

為電纜外護(hù)套單位長度的熱阻；

為電纜表面與周圍介質(zhì)之間單位長度的熱阻；

為電纜金屬套損耗相對于所有導(dǎo)體總損耗的比率；

為電纜鎧裝損耗相對于所有導(dǎo)體總損耗的比率。自由空氣中多回路集聚敷設(shè)電纜載流量

的計(jì)算公式為

式(2)中：

為自由空氣中單回路電纜的額定載流量；

為狹小空間集聚敷設(shè)的溫度修正系數(shù)；

為電纜多層集聚敷設(shè)的敷設(shè)修正系數(shù)。由于空氣溫升與電纜敷設(shè)空間尺寸和全部電纜的損耗功率有關(guān)，根據(jù)IEC 60287的規(guī)定，電纜溫度修正系數(shù)

的計(jì)算公式為

式(3)中：

為允許的最高工作溫度；

為空氣溫度；

為環(huán)境溫度。通過查閱電纜樣本資料可知，軟電纜正常工作情況下允許的最高工作溫度

＝90℃，正常工作環(huán)境溫度b

＝30℃，根據(jù)式(3)計(jì)算出不同空氣溫度下的修正系數(shù)

見表1。

表1 軟電纜溫度修正系數(shù)

為保證軟電纜護(hù)套材料具有良好的絕緣性能，當(dāng)軟電纜在電纜絞車上固定敷設(shè)時(shí)，軟電纜的工作溫度限制在－50～80℃范圍內(nèi)，最高允許工作溫度為90℃，在該溫度下僅能短時(shí)運(yùn)行。

關(guān)于多層集聚敷設(shè)電纜的敷設(shè)修正系數(shù)，由于電纜絞車的敷設(shè)方式與傳統(tǒng)的電纜敷設(shè)方式不同，其計(jì)算也不相同。通常情況下，電纜絞車上的軟電纜存在周期敷設(shè)和非周期敷設(shè)2種工況。周期敷設(shè)即隨著設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，軟電纜在電纜絞車上不斷繞卷；非周期敷設(shè)方式即軟電纜在電纜絞車上繞卷后固定不動(dòng)。在非周期敷設(shè)情況下，軟電纜能周期性地在設(shè)備閑置時(shí)得到充分散熱，因此周期敷設(shè)時(shí)的敷設(shè)系數(shù)比非周期敷設(shè)時(shí)的敷設(shè)系數(shù)大。在驗(yàn)證平臺(tái)項(xiàng)目時(shí)，出于安全考慮，多采用非周期敷設(shè)方式。非周期敷設(shè)方式的電纜絞車多應(yīng)用于煤礦行業(yè)，其中美國煤礦安全和健康委員會(huì)（Mine Safety and Health Administration, MSHA）推薦的非周期運(yùn)行絞車上軟電纜的敷設(shè)修正系數(shù)見表2。項(xiàng)目中軟電纜廠家推薦的軟電纜敷設(shè)修正系數(shù)見表3。

表2 MSHA推薦的軟電纜敷設(shè)修正系數(shù)

表3 軟電纜廠家推薦的軟電纜敷設(shè)修正系數(shù)

通過對比可知，軟電纜廠家提供的單層和雙層敷設(shè)修正系數(shù)相比MSHA推薦的修正系數(shù)更為保守，因此在進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算時(shí)，選用軟電纜廠家推薦的修正系數(shù)計(jì)算。

查閱深潛泵的設(shè)備資料發(fā)現(xiàn)，深潛泵馬達(dá)的額定功率為125kW，電壓為480VAC，對應(yīng)的額定電流為212A。計(jì)算軟電纜穩(wěn)態(tài)載流量的過程較為復(fù)雜，這里不再展開研究。單回路自由空氣中敷設(shè)的電纜恒定負(fù)荷下的穩(wěn)態(tài)載流量

等效于電纜的額定電纜載流量，而驗(yàn)證項(xiàng)目中深潛泵選用的軟電纜的額定載流量為352A。另外，根據(jù)項(xiàng)目規(guī)格書的要求，主甲板的設(shè)備環(huán)境空氣溫度

Tθ

=45°，因此根據(jù)表1，對應(yīng)的溫度系數(shù)

＝0.87。根據(jù)式(2)：當(dāng)采用單層敷設(shè)方式時(shí)，修正后的電纜載流量

＝245A，大于212A；當(dāng)采用2層敷設(shè)方式時(shí)，修正后的電纜載流量

＝187A，小于212A。

因此，可得電纜驗(yàn)證結(jié)論：當(dāng)電纜絞車的軟電纜采用單層敷設(shè)方式時(shí)，實(shí)際電纜載流量大于深潛泵的額定載流量，滿足項(xiàng)目的需求；當(dāng)電纜絞車的軟電纜采用2層敷設(shè)方式時(shí)，實(shí)際電纜載流量小于深潛泵的額定載流量，不滿足項(xiàng)目的需求。

2.2 軟電纜長度選型驗(yàn)證

軟電纜是由深潛泵廠家統(tǒng)一提供的。若軟電纜配置過短，則在某些工況下無法正常使用，不滿足設(shè)計(jì)需求；若軟電纜配置過長，則不經(jīng)濟(jì)。因此，在驗(yàn)證電纜絞車之前需對軟電纜的長度選型進(jìn)行驗(yàn)證。

首先通過查閱資料得知驗(yàn)證項(xiàng)目中深潛泵的軟電纜總長為130m。根據(jù)驗(yàn)證平臺(tái)的特性：當(dāng)平臺(tái)處于漂浮工況（見圖3）時(shí)，平臺(tái)主要從左右海底門處抽取海水，此時(shí)深潛泵作為供應(yīng)海水的輔助方式之一；當(dāng)平臺(tái)處于升樁工況時(shí)，布置于平臺(tái)側(cè)的海底門和預(yù)壓載泵的吸口均脫離水面，此時(shí)海水僅由深潛泵供給。當(dāng)平臺(tái)處于漂浮工況時(shí)，深潛泵的電纜在電纜絞車中應(yīng)為最短。因此，深潛泵電纜的長度至少需滿足平臺(tái)漂浮工況下的電纜長度要求。

圖3 平臺(tái)漂浮工況

當(dāng)平臺(tái)處于漂浮工況時(shí)，深潛泵塔的高度為60.254m，泵塔頂部到主甲板的高度為59m。由于深潛泵的電纜為特殊軟電纜，為防止因過度彎曲而破壞電纜護(hù)套的絕緣性能，在泵塔頂部按電纜的最小彎曲半徑將軟電纜卷成一個(gè)小圈之后，自然下垂至主甲板。通過查閱相關(guān)資料得知該電纜的最小彎曲半徑為10

（

為軟電纜的最大外徑）。經(jīng)查閱資料得到

＝0.057m，計(jì)算后得出小圈的長度大致為3.6m。另外，深潛泵軟電纜的出口位于泵的吸口附近。主甲板上電纜自由敷設(shè)的長度按2m設(shè)計(jì)。綜上，大致計(jì)算出平臺(tái)漂浮工況下電纜的長度約為125m。考慮到留出部分余量，驗(yàn)證項(xiàng)目的深潛泵軟電纜選型長度130m滿足設(shè)計(jì)需求。

2.3 電纜絞車驗(yàn)證

電纜絞車驗(yàn)證主要是檢驗(yàn)在各種工況下，平臺(tái)軟電纜在電纜絞車上是否存在超標(biāo)敷設(shè)的情況。當(dāng)平臺(tái)處于最大氣隙（即平臺(tái)最大設(shè)計(jì)工作高度）工況時(shí)，深潛泵軟電纜在電纜絞車上的長度應(yīng)為最長。因此，在驗(yàn)證電纜絞車時(shí)只需校核此工況下的電纜容量是否滿足要求即可。平臺(tái)最大氣隙工況見圖4，此時(shí)平臺(tái)設(shè)計(jì)的最大氣隙高度為33.5m，平臺(tái)自身高度為9.45m，主甲板上軟電纜自由敷設(shè)長度按2m設(shè)計(jì)。綜上，大致計(jì)算出最大氣隙工況下電纜絞車上電纜的長度約為63m。因此，電纜絞車的電纜安全容量至少為65m。通過查閱電纜絞車相關(guān)資料，得到驗(yàn)證項(xiàng)目的電纜絞車形式見圖5。

圖4 平臺(tái)最大氣隙工況

由圖5可計(jì)算出驗(yàn)證項(xiàng)目的電纜絞車在采用單層敷設(shè)方式時(shí)的電纜容量為52m。

圖5 項(xiàng)目電纜絞車原始方案

該電纜絞車的電纜容量為52m，小于采用單層敷設(shè)方式時(shí)要求的安全容量65m，因此部分電纜只能采用2層敷設(shè)方式。結(jié)合前面的軟電纜選型驗(yàn)證結(jié)論，當(dāng)電纜絞車采用2層電纜敷設(shè)方式時(shí)，實(shí)際軟電纜的載流量小于深潛泵的額定載流量，無法滿足平臺(tái)的正常使用要求。因此，驗(yàn)證項(xiàng)目的電纜絞車不滿足該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求。

3 同類項(xiàng)目的處理對策

在獲取事故項(xiàng)目信息時(shí)，項(xiàng)目的電纜絞車已安裝完畢。通過上述驗(yàn)證可知，該驗(yàn)證項(xiàng)目的電纜絞車無法滿足需求，必須增加電纜絞車的電纜容量，在現(xiàn)場有限的空間內(nèi)對電纜絞車進(jìn)行加寬或加高處理。經(jīng)過3D模型預(yù)覽和實(shí)地測量，部分區(qū)域的現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，特別是右后樁腿區(qū)域的電纜絞車上方布置有高壓泥漿管，高度限制僅為2.2m。該高壓泥漿管為進(jìn)口設(shè)備，由于訂貨周期和數(shù)量等因素限制，無法對泥漿管路徑進(jìn)行修改。因此，此處只能對電纜絞車進(jìn)行局部加寬處理。加寬之后的電纜絞車涉及主甲板基座的修改。電纜絞車底部為已完成特種涂裝作業(yè)的壓載水艙，此處主甲板表面無法直接進(jìn)行燒焊作業(yè)?？紤]到上述因素的限制，利用原電纜絞車底部的腹板重新設(shè)計(jì)一個(gè)新基座焊接在原腹板上，用于承載修改后的電纜絞車，避免破壞壓載水艙的油漆涂層。此處電纜絞車修改方案見圖6，修改之后的效果見圖7。此處電纜絞車由650mm加寬至850mm，采用水平單層敷設(shè)方式，可敷設(shè)14圈電纜，電纜容量為66m。因此，修改之后的電纜絞車的電纜容量滿足單層敷設(shè)方式下的設(shè)計(jì)需求。

圖6 水平單層敷設(shè)的電纜絞車修改方案

圖7 右后樁腿區(qū)域修改之后的效果

針對其他區(qū)域的電纜絞車，由于空間較為充裕，特別是高度無限制，因此采用豎直單層敷設(shè)方式修改，具體見圖8。電纜絞車按豎直單層敷設(shè)方式敷設(shè)14圈電纜之后，電纜容量約為68m，也符合項(xiàng)目的使用需求。該方式相比水平單層敷設(shè)方式，不僅更節(jié)省空間，而且無需安排額外人員排纜，方便實(shí)用。