钻井平台防爆填料函的选型和安装

张明耀，刘伟盛

(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

海洋占地球表面积的71%，蕴藏着丰富的油气资源，随着陆地石油开采数量越来越少，海洋石油的开采已是当今世界的热点。海洋油气勘探需依靠钻井平台，半潜式和自升式钻井平台目前应用最广泛。钻井平台由船体和钻井设施结合而成。除居住区域外，钻井平台的危险区域约占平台总面积的40%～50%。作为长期固定在海上的大型操作设施，确保其能长期安全可靠的在海上工作是船厂在设计及建造时首要考虑的因素[1]。

根据船级社海上移动平台规范要求，危险区域电气设备须选择防爆型或本质安全型，电气设备的类型须满足总体《钻井平台危险区域划分图》要求。船厂设计人员选型时，应严格按危险区域的类别选择防爆电气设备，而防爆填料函作为防爆设备的重要组成部分，需要与防爆设备的类型相匹配才能起到保护作用。因此，在平台的设计建造过程中，防爆设备及填料函的选型也是设计人员须重点关注的问题之一[2]。

1 钻井平台危险区域划分

根据国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)的规定，危险区域按照易燃易爆性气体或粉尘出现的频率及持续时间分为0区、1区、2区共计3类区域。对于上海外高桥造船有限公司建造的钻井平台，基于《钻井平台危险区域划分图》标明钻井平台的不同区域，其中：0区包括燃油舱和燃烧塔；1区包括直升机加油灌平台、直升机加油单元、蓄电池间、油漆间、泥浆泵舱、泥浆处理间、泥浆处理室上下甲板、录井装置区域、刮泥器室、存储及服务区、井架第一层和第四层等；2区包括直升机加油单元周围、主甲板和上层建筑甲板靠钻台区域、钻台、钻台下甲板、机舱与1区交界处、固井装置区域、左右软管装载站、泥浆池、月池、管子堆场、直升机甲板等；安全区域包括控制室、居住区域及配电板间等，在该区域内任何情况下都不会存在爆炸性气体[3-4]。

2 防爆填料函的技术信息

防爆填料函作为防爆电气设备的一个附件，在配对使用中应具有等同或更高的防爆等级要求，因此在选型时要考虑的技术信息一般包括：厂家名称或注册商标、防爆技术标记、保护类型、防护等级、区域危险等级、爆炸气体(气体环境)/粉尘(粉尘环境)、气体分组、设备适用组别、防爆填料函型号、接口螺纹类型、电缆外护套和内护套直径适用范围、密封方式、密封材料阻燃特性(应符合UL94标准)、持续工作温度范围、防洪涌密封标识等。认证测试单位信息包括：认证机构名称或标识、证书编号等。在产品标识中，符合欧盟规格的产品带有CE标识，符合北美市场规格的产品带有UL标识，IEC许可的合格产品授权使用EX标识。

3 防爆填料函的类型

防爆填料函按密封形式分为单密封防爆填料函和双密封防爆填料函。单密封防爆填料函密封电缆的外护套，双密封防爆填料函密封电缆的内外护套。防爆填料函保护类型分为EXe增安型、EXd隔爆型、EXn保护型和EXt防尘型等4种。EXn保护型的使用范围包含在EXe增安型内，钻井平台没有EXt防尘型要求。因此，实际应用了EXe增安型(适用于2区)和EXd隔爆型(适用于1区)等2种类型。

3.1 单密封防爆填料函

单密封防爆填料函防护等级≤IP66，属于EXe增安型(适用于2区)，分为单道和双道压紧形式。单道压紧形式由1个螺母压缩密封圈及接地锥圈，结构简单，但1个螺母不能同时压紧电缆外密封和接地锥圈，影响接地和防护等级。双道压紧形式由2个螺母分别压缩密封圈(带防松动锁紧装置)及接地锥圈，电缆外密封和接地比较好。如图1所示。

图1 单密封防爆填料函

3.2 双密封防爆填料函

双密封防爆填料函防护等级≥IP66，属于EXd隔爆型(适用于1区)。当电气设备暴露在舱外时，为有效防止雨水和洪水进入箱内，需带有防洪涌密封防护等级达到IP68的双密封防爆填料函进行防护。

双密封防爆填料函可分为6种形式，如图2所示。

图2 双密封防爆填料函

(1) 压紧形式密封采用热固性橡胶作为密封圈，当受到较大的挤压力时，密封圈会产生向下的形变而压在电缆护套上。挤压后，电缆内护套与密封圈接触面较大，内护套易产生冷变形。

(2) 凹槽压紧形式密封采用热固性橡胶作为密封圈，不同的是在内护套密封圈上设计凹槽，不需要用较大的挤压力，密封圈就产生向下的变形面压在电缆内护套上，内护套易产生冷变形。

(3) 锥度位移形式密封采用挤压锥形密封圈，逐步在电缆上形成密封。此时密封圈对电缆内护套产生斜面挤压力，压在电缆内护套上，电缆内护套也会产生变形。

(4) 膜形式密封采用有弹性的热固性薄膜，该薄膜通常装在铠装锥上，通过将其包在电缆内护套上形成隔爆密封，电缆内护套几乎无损伤。

(5) 补偿位移形式密封系统采用的是位移密封，运用补偿器减少对电缆内护套层的压力。补偿位移形式密封于电缆内护套上，电缆内护套几乎无损伤。

(6) 胶泥形式密封是用于电缆直接进入隔爆型箱体，为确保整个箱体隔爆的完整性而采用的一种密封形式。在电缆进入箱体前，把电缆的内护套剥去露出芯线，采用固化的树脂胶泥在芯线周围进行密封，密封效果好，电缆无损伤。

钻井平台采用低烟阻燃铠装电缆，当受到外挤压力时，电缆护套会产生冷变形，导致电缆绝缘电阻降低从而造成电缆损伤。考虑到箱体内气体可能沿电缆内护套传输到另一个设备，对于防护等级高的设备，在选用防爆填料函时，应采用双密封(膜形式密封、补偿位移形式密封或胶泥形式密封)防爆填料函。

4 防爆填料函的选型

防爆填料函采用金属材料，表面经处理后，耐腐蚀性、耐磨性和导电性增加。普通场所采用黄铜材料并进行镀镍或钝化处理，潮湿及腐蚀场所采用不锈钢材料并进行钝化处理。

电缆可直接或间接进线至隔爆型箱体。直接进线到隔爆型箱体的电缆密封须保证整个箱体隔爆的完整性，参照IEC 60079-14-2013[5]的特殊选型准则：

(1) 隔爆型电气箱体带有整体防爆证书，包括防爆填料函；

(2) 电缆在进入隔爆电气箱体时，其长度应大于3 m，电缆需有泄压验证；

(3) 增设增安型过渡箱，采用间接进线方案；

(4) 在以上3点都不满足要求的情况下，采用胶泥密封填料函。

间接进线通过单独的终端箱体，将电缆接入该箱体上的终端，且该箱体内不存在火源，与主要箱体分开，内部接线在连接终端部分设备侧前需穿过屏障或线套，电缆进入此箱体不需要胶泥形式防爆填料函密封。

5 防爆填料函的安装

5.1 防爆填料函安装前的准备工作

(1) 检查防爆填料函EXd隔爆型(适用于1区)是否满足特殊选型准则的要求；

(2) 检查电气箱体外壳的材质，避免使用不同材质；

(3) 检查防爆填料函防护等级是否满足防护等级，即EXe≤IP66，EXd≥IP66；

(4) 检查防爆填料函是否有明显的防爆标识和验证标志；

(5) 检查电缆外护套和内护套直径是否与防爆填料函密封圈相匹配；

(6) 检查防爆填料函螺纹是否与箱体接口螺纹相匹配，如表1和表2所示；

表1 公制螺纹M

表2 NPT英制螺纹ANSIB 1.20.1

(7) 检查安装在紧急防洪设施区域的防爆填料函是否选用防洪涌密封保护形式；

(8) 检查防爆填料函附件清单是否完整。

5.2 防爆填料函的安装

(1) 按照防爆填料函厂家提供的安装图，切割铠装层和内外护套。

(2) 根据电缆铠装层厚度，调节接地内外锥圈安装方向，将铠装层放入接地内外锥圈内压紧。

(3) 使用接地环时，先将接地环放置于防爆填料函底座处，再放置IP垫片。箱体内侧放置防震垫圈，再放置锁紧螺母，直螺纹或NPT螺纹直接旋入螺孔。

(4) 各螺母先用手旋紧，再用专业工具旋紧1～2圈。

(5) 电缆内护套不需要包扎绝缘胶布。

(6) 除非有特殊要求，防爆填料函通常不使用PVC套管。

(7) 塑料箱体一般不使用防震垫圈。若箱体内有接地板，接地环应取消，并放入防震垫圈，再放入锁紧螺母。当使用黄绿接地导线时，截面积≥2.5 mm2。

(8) 考虑到电缆弯曲半径和今后电缆维修时防爆填料函的拆卸，以及塑料和金属箱体电缆接地等不同的安装形式，防爆填料函电缆进线及设备安装应按图3和图4进行施工。

(9) 在安装直螺纹或NPT螺纹的防爆填料函时：当箱体容量≤100 cm3时，要求箱体厚度≥5 mm或5个全螺纹以上；当箱体容量≥100 cm3时，要求箱体厚度≥8 mm或6个全螺纹以上。不允许直通孔。如图3所示。

图3 防爆填料函安装形式

5.3 防爆填料函安装形式

(1) 带有补偿位移密封系统的防爆填料函安装形式如图4所示。

图4 补偿位移密封系统防爆填料函安装形式

(2) 带有膜式密封系统的防爆填料函安装形式如图5所示。

图5 膜式密封系统防爆填料函安装形式

(3) 带有胶泥密封系统的防爆填料函安装形式如图6所示。

图6 胶泥密封系统防爆填料函安装形式

(4) 直螺纹或NPT螺纹防爆填料函安装形式如图7所示。

图7 直螺纹或NPT螺纹防爆填料函安装形式

6 结 论

防爆填料函应按防爆设备的技术要求合理选型，特别是安装在1区的隔爆型设备，若使用不合适的隔爆型填料函，会造成电缆变形或箱体内火花与箱体外危险气体相容而引起爆炸。正确使用防爆填料函能保证防爆设备的完整性和安全性。施工人员通过阅读厂家提供的施工手册正确操作，减少了返工，提高了生产效率，降低了成本，为确保产品按期顺利交付创造了有利条件。