石油鉆井平臺水下電連接器的陰極保護技術

李樹飛,王敏興,杜建東,朱 赫,張星宇

(蘇州華旃航天電器有限公司,江蘇 蘇州 215151)

水下電連接器及其電纜組件作為石油鉆井平臺水下生產控制系統的重要組成部分,是將電力引入或者引出水下電氣分配單元(SEDU)進行傳遞電力和通信信號,以便將水下設施連接在一起,其質量與性能直接影響整個生產區塊的正常運行[1]。

為探討在海水全浸區以及海泥區復雜鋼結構及海洋平臺設備的腐蝕情況,張國慶[2]等研究了在外加電流與犧牲陽極之間的結構物上采用電絕緣性能良好的接頭時才能保證兩個系統的穩定運行;馬世德[3]等研究了外加電流陰極保護技術在海洋鋼結構設施防腐中節能、環保以及發展脈沖保護和雙電極保護技術;張脈松[4]等研究了對外加電流系統材料、設備、設計以及安裝工藝構建一種導管架平臺陰極保護成套技術。為使水下電連接器及其電纜組件能夠長久經受惡性海洋環境的腐蝕,科學合理設計陰極保護系統是提高產品防腐蝕性、安全可靠性以及延長使用壽命的重要途徑。

1 陰極保護

陰極保護(CP)是一種用于防止金屬在電介質中發生氧化還原反應的電化學保護技術,使金屬表面成為電化學電池的陰極來減少金屬表面腐蝕的技術,是防止鋼結構在海水中發生電化學腐蝕的重要方法,對處于全浸區的鋼結構多采用此類方法進行保護。CP技術基于電化學的原電池腐蝕原理,利用金屬活性較大金屬作為犧牲陽極、被保護金屬作為陰極,或者是在被保護的金屬表面施加一定的低壓直流電,通過輔助陽極將保護電流傳遞給被保護的金屬,使其產生陰極極化,電極電位變負,被保護的金屬結構電位低于周圍環境電位,降低金屬本身原有的腐蝕微電池的陽極溶解速度,從而使氧化還原反應不在陰極金屬上發生,進而達到保護陰極金屬的目的。

CP包含犧牲陽極和外加電流的陰極保護兩種,水下電連接器及其電纜組件采用外加電流的陰極保護(ICCP),主要由恒電位儀、輔助陽極、陽極屏蔽層、參比電極、軸接地裝置和水密電纜等組成。

2 水密電纜構成

一般水密電纜按照密封方式分為縱向阻水電纜和橫向阻水電纜兩種,包括水密電纜、水密光纜以及水密光電混合纜等多種產品。水密電纜根據其功能又可分為水密電力電纜、水密同軸電纜、水密信號電纜和水密控制電纜等。水密電纜一般由電單元(導體、絕緣體)、加強件、填充條、阻水層(阻水帶)、護套(內護套、外護套)、包帶、屏蔽層或鎧裝層等組件組成,水密電纜截面組成剖視圖如圖1所示。

圖1 水密電纜截面剖視圖

水下電連接器所用電纜應為船用耐壓水密電纜,一般以橫向阻水電纜居多。橫向阻水電纜要求電纜外護套徑向能耐水壓,在規定試驗壓力和時間內,電纜絕緣電阻不減小,電纜不變形。橫向阻水電纜主要阻擋水分從電纜表面滲入,一般在成纜線芯外繞包阻水帶,或者成纜時填充阻水紗或者阻水繩,采用聚氨酯外護套和鋁塑復合帶縱包形成護套層。其中加強件采用凱夫拉纖維,阻水帶或者阻水包帶運用滌綸樹脂薄膜,護套、絕緣體和填充條所用材質為聚氨酯或聚氯乙烯。

屏蔽層為鋁塑復合帶,并采用螺旋重疊纏繞,實現內部兩對導線以及整根電纜的100%包覆,既防止對絞線之間的串擾,又實現設計壽命內電氣連續性不會間斷。鋁塑復合帶運用熱貼法工藝在鋁基帶A,B兩面涂覆乙烯-甲基丙烯酸共聚物樹脂,達到一定的黏接度,內側為本色,外側為淡藍色。電纜屏蔽層及其端接必須具備為電磁噪聲提供一條低阻抗的接地路徑的能力,內、外三股導流線采用鍍錫銅絲,總截面積不小于0.35 mm2,與屏蔽層內部保持接觸,結合成一個整體接地路徑。

多數水下儀器系統需直流供電,輔助陽極電纜的導線截面應足夠大,因而要求供電單元與陽極端要盡可能靠近,減少電纜過長帶來的電壓降問題,確保每條電纜的最大電壓降平穩,使其從恒電位儀到陽極接線端的線路不超過2 V電壓變化量,進而達到各陽極的線路電壓降盡量接近。除此之外,陰極接地電纜的電壓降應小于0.1 V,參比電極的電纜需要采用屏蔽電纜。

3 電纜組件設計

3.1 電纜組件構成

電纜組件由水密電纜、鎖緊環、壓錐、適配器、彎管、尾罩、橡膠套、卡箍以及螺套零部件組成,如圖2所示。其中,水密電纜導線一端焊接在接觸件上,水密纜外護套經壓錐內側過盈壓配后由鎖緊環連接在適配器上,適配器與尾罩經中間彎管氬弧焊接,由螺套經螺紋緊固在連接器外殼尾部,以便在對插時實現產品整體外殼的連續性。組件內部采用環氧膠固化和聚氨酯硫化成型,實現緊固;外部氟硅橡膠套包覆,且將電纜外護套與橡膠套使用卡箍擰緊,防止端面滲水,實現整體組件的抗拉和密封。若陽極電纜線銅芯裸露和海水接觸,電流將從銅芯排放至海水,此時電纜銅芯作為陽極,將很快被腐蝕斷開,產生信號中斷。

圖2 電纜組件局部示意圖

3.2 水密電纜夾緊結構受力

水密電纜所受摩擦力有橡膠套進口端卡箍過盈壓縮、機械鎖緊結構以及內部聚氨酯固化包裹,對內部機械鎖緊結構進行受力分析,如圖3所示。

圖3 水密纜組件局部示意圖

將水密電纜受力情況等效為平面力,P為沿電纜軸向所受載荷,N為沿電纜徑向適配器錐面對壓錐預緊力F的分力。電纜夾緊后,在拉扯過程中載荷P小于、等于電纜允許的載荷時即可保證電連接器與電纜連接的可靠,即

Fm=μN≥Pmax

將預緊力F與其分力N之間夾角定義為θ

Fm/N=tanθ

由于壓錐與外護套粘結,兩者間摩擦系數很大,接近固定連接,根據平面摩擦的自鎖條件,壓力角大于摩擦角,取θ值為7°,結合API 17F標準中Pmax為500 N,可得出預緊力的最大值。

3.3 組件連通方式

水下電連接器CP系統的設計需確保金屬零部件電氣的連續性,且要求金屬外殼與匹配的連接器之間電阻值低于0.1 Ω,以便為整個設施提供連續性連接,進而對連接到CP系統的每個組件中水下電連接器或者跳線提供保護。為此,將水密電纜中三股導流線匯聚成整體,分兩部分從壓錐端平鋪翻轉引出,運用鎖緊環剛性固定,緊貼至壓錐斜坡面上,進而導通適配器,在螺套與連接器外殼鎖緊下連為一體,實現整個系統的電連續性。水密電纜組件局部CT(電子計算機斷層顯像)結果如圖4所示。

圖4 水密電纜組件連通CT視圖

4 陰極保護系統

水下生產控制系統中電氣分配單元(EDU)的插座固定端通過水下飛線與臍帶電纜終端的電氣飛頭相連,并通過設在水下電氣分配模塊框架內的水下接駁盒分配電氣信號,以提供水下多路生產設施正常運轉所需的電力和信號[5]。

水下電連接器外殼采用低碳不銹鋼316L(UNS S31603)材質制作時,在海水環境中必須采用接地帶連接到主結構CP系統的方式保持電連續性進行防腐保護。EDU集中處理大量水下電纜的連通及接續,且EDU整體要求密封、耐壓和具有防沖擊與抗振動能力。EDU盒體由熱塑性乙縮醛材料加工制成,內部采用凝膠填充及壓力補償方式構建,不受海水腐蝕影響。通過盒體的電絕緣將外加電流陰極保護和犧牲陽極陰極保護系統隔絕既保證兩個系統不發生干擾,也可減少不必要的陰極保護電流的損耗。支架下方兩條外部接地帶采用M8螺栓及墊圈鎖緊固定,環形端子連接至主結構上的CP系統,接地帶與EDU之間的距離不超過1 m,可為安裝的每一個連接器提供陰極保護。

EDU盒體上插座通過法蘭固定,與之相匹配的自由端插頭對接后,連接器插頭、插座外殼實現連續性導通,如圖5所示。在水密電纜組件的連接下,外部主控站的供電單元提供交流電,因水下科學儀器大多采用低壓直流供電,經整流器設備產生高壓直流電,在SEDU內主接駁盒配備的DC/DC電能變換器對高電壓進行變換,通過變壓器變壓隔離的方式分為多路以驅動多個次接駁盒,即高-中-低壓直流轉換模塊輸出后[6],由輔助陽極電纜將保護電流傳遞給被保護的金屬外殼,通過給金屬外殼補充大量的電子使其處于電子過剩狀態,直至外殼表面各點達到同一負電位而產生陰極極化,此時金屬結構電位低于周圍海水環境電位,避免金屬原子因失去電子而變成離子溶于海水后產生腐蝕[7],保護水下電連接器外部殼體不受海水腐蝕損壞。

圖5 EDU陰極保護系統示意圖

5 結 論

通過對水下生產控制系統的陰極保護理論的深入研究,將水密電纜屏蔽層部分設計成一種可連通水下電連接器金屬外殼的機械結構,當水上平臺主控站與電力單元輸出的高壓電流,經水下生產控制系統中電力單元轉換模塊輸出,導通至水下分配單元上的固定插座時,在自由端插頭對接后由水密電纜實現整體設備電信號導通,為連接水下多路生產設施提供正常運轉所需的電力和信號。經拉力試驗機測定該電纜組件在2 kN拉力下不發生伸縮變形,且對接后連接器外殼之間接觸電阻測量值僅為4 mΩ,結合水下控制模塊主結構CP系統,能夠有效延長水下電連接器的使用壽命。