水下电飞线及接头国产化关键技术研究

2022-08-31陈斌苏锋范玉杨刘立新李斌

石油和化工设备 2022年8期

陈斌，苏锋，范玉杨，刘立新，李斌

（海洋石油工程股份有限公司天津滨海新区，300451）

引言

水下电飞线及接头是水下控制系统的必要组成部分，如果说水下控制系统是水下生产系统的“中枢神经”，那么电飞线及接头就犹如水下生产系统的“血管”。目前世界海洋油气领域的水下电飞线及接头主要由英国 Siemens(Tronic)，美国Teledyne ODI，德国GISMA和英国RMS几家公司的产品垄断。

近年来，水下生控制系统的关键设备比如水下控制模块（SCM）、水下分配单元（SDU）、脐带缆、液压动力站、电力单元和主控站等先后进行了国产化研制、并逐步开展国产化示范应用。在近期的一些水下生产系统项目方案制定和工程实施中，发现仅仅实现水下控制系统关键设备的国产化还不能真正解脱国外“卡脖子”技术与设备的束缚，其中最显著的就是水下电飞线与接头，国外公司的产品不仅报价高，而且供货周期长，最长的供货周期长达40周，这严重制约着工程项目的计划执行和成本控制，甚至在合同签署过程中会有一些不公平的附加条件。这严重制约着我国水下生产系统技术的发展和应用，为此，我们必须尽快开展水下电飞线与接头的国产化研究和实施。

1 水下电飞线及接头基本构成介绍

通常说的电飞线包括三部分组成，两端的电接头和中间的连接电缆构成，如图1所示。两端的电接头根据具体工程项目的系统设计，一般有3大操作类型，2种规格，组合起来就是有六种不同型式。3大操作类型主要包括：水下机器人（ROV）操作类型、潜水员（Diver）操作类型和板式类型，2种规格包括针式和孔式。

图1 典型潜水员操作型式电飞线组成图

图2 典型ROV操作型式电飞线组成图

水下电飞线一般由电接头、电缆、紧固件和限弯器等部分组成，水下飞线组件要求如下：

a) 填充了非导电介质的软管，内部包含电线，两端都配有合适的接头。

b) 在电飞线软管内有足够长的电线，以适应软管组件的最大伸长。

c) 水下电飞线和软管组件都预充介质，目的是在地表和水下温度和压力（包括施工期间）的所有条件下保持最低0.3bar的内部超压。预充压力不应在软管材料中产生对臭氧或紫外线抗性造成不利影响的应变。

d) 还应考虑在储存过程中，在臭氧和紫外光作用下，在内部预充介质和捆绑在结构上的飞线材料。

e) 飞线中电缆芯线的绝缘层不得与任何具有接地电位的导体材料直接接触。

2 水下电飞线与接头设计关键技术

水下电飞线与接头应设计为可靠的和可重复使用的，其配置适合于潜水员或ROV/ROT在水下混浊条件下操作。在设计电气与控制回路时有一个重要的原则即是：严禁带电操作插拔水下电气接头与飞线，禁止在意外解脱的工况下出现带电针脚直接与海水接触，以免造成短路与针脚电解。

水下电接头（见图3）和水下电飞线组件的设计主要考虑以下几个方面：

图3 电接头主要组成

a) 海水与电气导体之间应设置双密封，双密封的完整性应能在质量鉴定试验期间进行测试，在出厂验收测试(FAT)期间至少进行一次测试。

图4 电接头双密封示意图

b) 当处于未对接状态下，两个电接头中至少有一个接头的电气元件应采用双密封，采用双密封端应为电气带源端或者送源端。

c) 电接头压力完整性和阻水方式应通过质量鉴定。

d) 电接头的尾端应设计有软管组件终端装置，与充油电缆（应用水深较浅时可以为普通电缆）连接，为电接头和电缆之间消除应变和提供支撑。

e) 不论电飞线及电接头的电流/功率要求如何，接触点应牢固可靠，且最好是镀金的。

f) 在初步对接中，接头引脚不能与另一端有物理接触，以确保接头引脚不受任何接头的初步对准力。

g) 设计应满足为同一接头提供多个独立交流电路的应用要求，允许相邻电路之间存在180o相位差的电位。

h) 电接头终端连接方式可以采用直线型连接盒或者斜角连接两种形式。

i) 电接头所有材料都要经过鉴定和验证，以适合接头的应用。

2.1 工作水深要求

由于深水油气田开发中，其主要的难度就在于水下巨大的外部水压，因此水下电气接头与飞线主要考虑的性能参数就是水深适应能力，目前国际主流厂商的产品一般标配为水下3000 m工作水深，这一性能足以满足目前我国周边深水开发工程的需要。

2.2 插拔次数要求

水下电接头与电飞线是水下生产系统的关键部件，除能够满足油气田的整体开发寿命要求外，有时根据生产计划或紧急情况下需要对水下生产系统设备进行检修、维护或者回收，因此，需要在水下对电接头或飞线进行拔出与重新连接，但受海水高压强以及海水不清洁的影响，容易造成水下电接头与飞线端接口发生短路、腐蚀、进砂、进水等情况的发生，导致金属针脚不能正常耦合。考虑正常操作、紧急情况发生频率以及现场测试等需求，一般要求电接头在其设计年限内插拔次数至少不小于200次。

2.3 接触电阻

由于水下电气接头与飞线存在于每一个水下控制设备中，在进行水下湿式连接时，为保证正确的连接，要求接触电阻不大于10 兆欧姆。

2.4 操作形式要求

根据油气田总体的开发方案与水深要求，水下电气接头与飞线的操作方式分为ROV操作、潜水员操作，操作把手可分为T型、船桨型以及鱼尾型，具体的把手形式可根据工程实施者的操作者习惯来决定，目前较为常用的为船桨型把手。

2.5 插拔力矩要求

根据操作形式的要求R0V操作的多芯数接头，其插拔力矩一般要求小于51千克，潜水员操作的要求小于23千克。在水下作业时，如果操作力矩过大，可能会造成水下插拔失败，给项目施工带来不便。

2.6 可靠性

水下电气接头与飞线的可靠性一般由其失效前的平均工作时间(MTBF)来衡量，MTBF 越大说明可靠性越高。在进行选型时尽量选择可靠性较高的水下电气接头与飞线，尽量降低后期维护费用。

2.7 材料要求

水下电飞线和接头应使用经过验证的材料进行设计和测试，这些材料在规定的使用寿命内适用于相关设备、应用和环境。建议将NORSOK M-001作为材料选择和材料测试的参考标准。

考虑到水下电气接头与飞线所能接触的应用场景，其所有接头材质，包括护套充油管均应满足与海水、自来水以及硅油等介质接触，不发生由于化学变化引起水下电气接头与飞线发生老化或性能降低。

水下电气接头与飞线一般应用于水下几百米甚至上千米，海水中含有大量的氯离子，氯离子会破坏金属保护层，对奥氏体不锈钢会产生晶间腐蚀，一般水下电气接头与飞线外壳采用低碳不锈钢，采用与CP系统保持电连续性的方式进行防腐保护，另外，一些产品的外壳直接采用钛合金材料，使其防腐性能更加优异。目前，国内水下项目上通常采用超级双向不锈钢材质的电接头。

3 水下电飞线与接头制造关键技术

水下电飞线与接头制造商应具有适用于接头组件中包括的所有材料的材料规格书，这些材料规格书应包括确保设计的可重复性能所需的参数。在制造过程中，每个接头组件及其各个部件都应有100%的制造记录，作为可追溯文件，以便对同样的接头组件进行比较和校正。

对于金属材料，制造商应按照EN10204标准的3.1类进行的证书进行交付。对于聚合物和弹性材料，制造商应根据记录的材料特性和以下准则制定验收标准；当给出最大值时，结果应该是满足+0%到-20%。当给定最小值时，结果应满足-0%到+20%。

在制造过程中，对于金属材料焊接方面，制造商应使用其内部合格的焊接和测试技术、程序、设备、材料和人员。按照制造商正常的电连接器焊接程序，焊接的过程文件应包含在电连接器的完工文件中。如果业主有需要，电连接器焊接过程中的所有文件都应提供审查。

制造商应证明其拟用的制造设备，满足在产品设计期间提出的ISO 13628-6第9节中规定的制造要求以及下列的制造要求。

电连接器的端子连接应由经批准的人员按照批准的程序进行；

电飞线应由经批准的人员按照批准的程序进行组装和测试；

注油前应对油料进行测试和检查。

图5 公接头内部零部件组装

图6 公接头与飞线集成

4 水下电飞线与接头测试关键技术

4.1 接触电阻测试

接触电阻测试主要是测量2个湿式对接接头的接触电阻。接触电阻应是从用于连接导线到触点的点（即焊点/压接点）之间测量的电压降（仅在额定电流下）或使用相同测量精度的欧姆表（开尔文四线法）测量。当测量线电阻，外部引线时，必须在接头和导线终端连接之前测量和验证导线电阻。在任何情况下，导线的电阻都不会使测量精度降低。应记录实际测量值。

一般情况下，接触电阻的计算公式为a*b+0.2*c，a表示单位长度电缆阻值，b表示测试电缆总长度，c表示测试回路中接头数量。