自升式钻井平台电缆拖链的设计

白民权

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

自升式钻井平台（以下简称：“Jack-up”）是目前广泛用于海洋油气勘探和开发的钻井设施，是一种由驳船形船体（上层平台）和数根能够升降的桩腿组成的移动式平台[1]。

大连中远海运重工有限公司承建的S116E型自升式钻井平台，入ABS船籍。主船体甲板位置安装悬臂梁模块，悬臂梁顶部安装钻台模块。模块之间采用交流电机齿轮齿条咬合推进的滑移方式，如图1所示。悬臂梁滑移基座固定焊接在平台的主甲板上，悬臂梁安装在基座上，可以沿平台纵向移动，横向轨道在悬臂梁上焊接固定，钻台安装在横向轨道上并能在其上滑移[2]。悬臂梁滑移示意图如图2所示。该项目悬臂梁相对于平台向尾部单向最大可移动26.4 m，钻台相对于悬臂梁分别从两侧方向最大移动4.572 m。平台的配电、中控和火警等系统对应的机柜均布置在主船体区域，连接悬臂梁与钻台区域设备的电缆在平台的滑移状态下也将随之移动，该部分电缆经由电缆拖链进行固定。

1 电缆拖链的用途

图1 电机驱动齿轮齿条示意图

图2 悬臂梁滑移示意图

ABS MODU 4/3/3要求：当电缆安装在舱口、舱室顶部和主甲板等露天处所，或当电缆穿过主甲板等处所时，需要使用连续的金属屏蔽、结构框架、保护管或等效方式对电缆进行保护[3]。ABS MODU 7/1/5要求：电缆需要通过电缆夹、挂件或扎带进行固定安装[3]。根据以上要求，当平台的主船体、悬臂梁与钻台之间发生相对移动时，模块之间的电缆也随之移动，此部分电缆需要进行保护和固定。使用电缆拖链能够解决这些要求。电缆拖链由链条单元组成，形式多样，具备安装方便、使用灵活和维护便利等优势。目前，电缆拖链广泛应用在海洋平台上以实现对移动电缆的保护。自升式钻井平台电缆拖链如图3所示，拖链单元结构示意图如图4所示。

图3 自升式钻井平台电缆拖链

图4 链条单元结构示意图

2 电缆拖链的主要参数

电缆拖链由链条单元、紧固件、导轨和支撑等组成[4]。目前，主流电缆拖链产品均采用标准单元设计，其各标准部件的选型依据所需固定电缆的数量、规格等进行信息计算完成。

2.1 拖链材质要求

钻井平台作业区域长期处于潮湿、高温和高盐等环境，各方面自然条件均比较恶劣[5]。钻井设备工作时，平台结构振动较大，平台可能发生腐蚀性泥浆飞溅等情况，因此拖链的各部件材质均要求具备耐高温、耐潮湿、抗腐蚀和抗老化等特性。综合以上要求，本项目要求电缆拖链的材质使用不锈钢。

2.2 拖链截面计算

首先需要统计通过拖链的电缆，罗列出每根电缆对应的规格、外径、起始点和重量等信息，如表1所示；然后根据电缆统计信息计算单元格的规格和数量需求。本项目拖链电缆约180根，最大电缆规格3×120 mm2，外径约为50 mm。根据厂家样册，选用120 mm×100 mm规格的单元格，每个单元格可通过3根此规格电缆。选定单元格规格后，对所有电缆进行分组排列，最终选用24组单元格，每6个单元构成一排，共4排。考虑单元格中间的紧固件和外围保护板，最终的拖链截面尺寸为936 mm×604 mm。拖链电缆排列图如图5所示。

图5 拖链电缆排列图

2.3 电缆拖链转弯半径计算

根据ABS要求，电缆最小转弯半径应不低于8倍电缆外径[3]。本项目选用最大规格电缆的外径约为50 mm。考虑此电缆可能安装在电缆拖链的最内侧，因此电缆拖链最小内径需为400 mm,拖链厚度为604 mm。最终选型拖链中心层转弯半径为1 000 mm。

2.4 悬臂梁电缆拖链长度计算

本项目悬臂梁滑移最大行程是26.4 m，在进行拖链计算时考虑适当余量，计算行程为26.8 m。电缆从主甲板的出线位置位于行程中间，因此从出线位置至悬臂梁完全回收或最大行程移动距离均为13.4 m。考虑两端固定部分0.8 m和拖链转弯半径R=1 m，实际需求拖链长度为移动距离+两端固定部长度+转弯长度。即：13.4+0.805×2+3.14×1=18.15 m。拖链底座不用考虑转弯半径时，计算长度为移动距离距离+两端固定部长度。即：13.4+0.805×2=15.01 m，考虑适当余量，实际使用底座长度设计15.9 m。图6为悬臂梁拖链行程与长度示意图。

图6 悬臂梁拖链行程与长度示意图

2.4 钻台电缆拖链长度计算

钻台滑移为双向，每侧移动的最大行程是4.572 m，在进行拖链计算时考虑适当余量，计算行程为4.725 m。电缆从悬臂梁出线位置位于行程中间，因此从出线位置至钻台两侧最大行程移动距离均为4.725 m，总行程为9.45 m。考虑两端固定部分0.8 m和拖链转弯半径R=1 m，实际需求拖链长度为移动距离+两端固定部长度+转弯长度。即：4.725+0.742×2+3.14×1=9.36 m。拖链底座不用考虑转弯半径，计算长度为移动距离距离+两端固定部长度。即：4.725+0.742×2=6.209 m，考虑适当余量，实际使用底座长度设计7.18 m。图7为钻台拖链行程与长度示意图。

图7 钻台拖链行程与长度示意图

3 安装要求

3.1 模块化组装

厂家将拖链以链条单元为单位装箱发送至船厂，在船厂进行组装。装箱前会对链条单元进行编号，编号从首部紧固件开始至末端紧固件结束，链条单元之间使用连接件插销和螺栓进行固定，组装灵活方便。若电缆进线位置调整或拖链行程变化，则可以在已有拖链的基础上增加或移除部分链条单元，进而调整拖链长度。拖链组装完成后，链条单元之间的相互作用能够保证拖链水平状态时中间区域不会下凹弯曲。若电缆重量较大，则可以适当增加滚轴支撑，以对中间部分的支撑提供辅助支撑作用。图8为滚轴支撑示意图。

图8 滚轴支撑示意图

3.2 拖链固定方案

拖链组装完成后，需整体吊装至底座上，底座由船厂完成，底座长度与拖链行程相符合。底座和支撑均采用不锈钢材质，支撑的形式和选材根据电缆拖链和内部电缆的总重量进行计算得出。拖链首端和末端均为紧固单元，分别与相对滑动的模块进行固定，例如本项目中的悬臂梁拖链，首端紧固单元与主甲板底部固定，末端紧固单元与悬臂梁结构支架进行固定。在主甲板安装2处滚轴支撑，以实现悬臂梁伸出状态下对拖链的辅助支撑。图9为拖链安装示意图。

图9 拖链安装示意图

3.3 电缆排列要求

拖链完成固定后，在内部开始敷设电缆。拖链内部电缆排列要求将电力、仪表和通信等不同类型的电缆分别放置在不同的单元格中，避免电力电缆产生磁场干扰仪表和通信电缆的信号传输。考虑电力电缆抗机械损伤能力更强，通常将电力电缆放置在最外层单元格中，仪表和通信电缆放置于内部单元格。

3.4 电缆捆扎要求

拖链伴随着悬臂梁或钻台的滑动作业发生移动时，其内部电缆与拖链结构存在相对位移，为避免电缆受力破损，不允许将电缆与拖链的结构部件进行捆扎固定。例如，为了避免电缆散乱，可以对单元格内部的电缆进行成束捆扎。

4 辅助设计

4.1 电缆选型设计

考虑减小电缆拖链尺寸，经由拖链敷设的电缆数量尽量减少。在设计过程中，需要对相关系统的设计进行优化。在钻台设置电气室，将悬臂梁、钻台区域的电力设备、照明、中控、火警和广播等系统进行集中控制，在钻台电气室设置分配电盘、照明箱、数据采集箱和控制站等，经过电缆拖链的均为主干电缆，这样就有效减少了电缆拖链的容量。

4.2 接口位置电缆穿仓件（MCT）排列

进入拖链的电缆，穿过MCT排列需要与拖链电缆排列保持一致，避免电缆路径上发生交叉敷设。

4.3 拖链接地系统设计

根据ABS船级社要求，可能发生带电的金属部件全部需要接地[1]。电缆拖链接地（图10）分为拖链壳体接地和模块经拖链与主船体接地2种情况。

图10 拖链接地示意图

4.3.1 电缆拖链壳体的接地

拖链内部安装的电缆存在漏电的可能性，拖链外壳为金属，因此需要对其进行接地处理。在拖链壳体安装接地柱，接地电缆从主船体沿拖链至接地柱进行连接，接地电缆规格选型按照船级社要求执行。

4.3.2 悬臂梁、钻台等模块经拖链与主船体接地

按照ABS船级社要求，平台通常使用不以船体做回路的三相三线系统，该电制度要求接地点等电位，即接地要保证连续性，因此需要将悬臂梁和钻台的接地与主船体接地连接。此接地需要在主船体、悬臂梁和钻台安装接地柱。悬臂梁和钻台均使用接地电缆分别连接至主船体进行接地。

5 结论

本文阐述了海洋钻井平台拖链的设计和安装，模块化安装的方法使电缆拖链具备安装灵活、施工方便以及可靠性高等优势。同时，电缆拖链存在着成本高、体积大、空间利用率低等方面的不足，仍有很大的改进空间。