石油平台六芯复合海底电力电缆的研制.pdf

2005年第3期 No.32005 电 线 电 缆 Electric Wire 对成品电缆进行了纵向水密试验,以及其他常规试验,产品已顺利通过了中国船级社的产品鉴 定。 关键词:复合海底电力电缆;石油平台;结构分析;抗拉强度;阻水特性 中图分类号:TM247.9文献标识码:A文章编号:167226901(2005)0320020205 Development of a 62Core Hybrid Submarine Power Cable LI Ya2ling (Shandong Shengli Oil Field , Rodless Oil Pump Co. , Special Cable Plant , Dongying 257079 , China ) Abstract: This paper presents the design of water2blocking construction of a 62core hybrid submarine power cable for offshore platform and development of the cable. The tensile strength of the cable was analysed and calculated. The test for longitudial water penetration and other routine tests were made on the finished cable. As a result , the developed cable passed the product appraisal by China Register of Shipping Key words: hybrid submarine power cable ; offshore platform; constructional analysis; tensile strength; water blocking performance 收稿日期:2004210220 作者简介:李亚玲(1971 - ) ,女,陕西凤翔人,工程师. 作者地址:山东 东菅市黄河路29号257079. 1 引 言 石油平台海底电力电缆(以下简称海底电缆)是 海上油气、 海底资源开发电力传输专用电缆。过去, 由于国内整体工业水平与国外工业发达国家有一定 的差距,制约了国内海上专用电缆产品的研发,海底 电缆一直大量进口。随着近几年我国工业水平的提 高,新材料新技术的不断研制成功,为海底电缆国产 化提供了有利条件。目前,我国仅有上海电缆厂、 宜 昌红旗电缆厂和青岛汉河电缆厂等少数厂家能生产 海底电缆。我厂通过与国内外厂商广泛的技术交 流,已掌握了海底电缆的产品结构和生产工艺,并运 用了我厂引进的三层共挤橡套连硫生产线、 交联生 产线和钢丝铠装生产线,成功地研制了单根长度为 1 400 m的石油平台六芯中低压复合海底电力电缆, 供胜利油田海洋开发公司使用。 这根海底电缆是专门针对连接海洋石油平台开 发27 # A井组至另一个海洋石油平台27 #单井组 的电力传输而设计的。为了满足海底敷设和海上石 油平台使用的特殊要求,本文着重于对电缆整体结 构的稳定性、 阻水性和电缆的抗拉强度进行了分析 和设计。 2 产品的结构设计 六芯复合海底电力电缆的铜导体规格和组合为 3185 mm 2 + 350 mm 2 ,其中三芯185 mm 2 的额定 电压为0. 61 kV ,交联聚乙烯绝缘;三芯50 mm 2 为 1.83 kV ,乙丙橡皮绝缘。因此,该电缆是将不同的 规格型号、 不同的电压等级、 不同的阻水结构的电缆 线芯有机的组合在一起。为了使电缆结构设计合 理、 可靠,又可利用本厂现有设备基础上进行研制, 先后设计了三种电缆结构,并进行综合比较。其中, 图1、 图2的结构仅作为产品结构论证使用,最终选 择如图3所示的结构,并列出了结构的说明,而图 1、 图2却省略了结构的说明,以使文章更紧凑。 (1)三大+三小结构(见图 1) 。这种电缆结构 的缆芯是通过六芯成缆机一次成型,因此,成缆外径 小,结构稳定,生产工艺简单,但我厂无这类大型的 成缆机,不能实现这类大截面、 大长度海底电缆一次 绞合成型。图1中三芯大截面的绝缘线芯为交联聚 乙烯绝缘,用于低压1 kV;而三根小截面绝缘线芯 为乙丙橡皮绝缘,用于高压3 kV。 (2)四等芯结构(见图 2) 。这种电缆结构是首 先将三根小截面绝缘线芯绞合成缆,然后再与其他 三根大截面绝缘线芯一起绞合成缆芯。为使其形成 规整的四等芯结构,需将三根大截面绝缘线芯的聚 乙烯内护层的厚度增加,这不仅会增加电缆重量及 成本,而且对其散热也不利,另外电缆外径也偏大, 结构也不稳定。 图1 三大+三小结构 图2 四等芯结构 (3)三小+一大结构(见图 3) 。这种电缆结构 是首先将三根小截面绝缘线芯的聚乙烯内护层厚度 略微增加,以使这三根绝缘线芯成缆外径有所提高, 然后与其他三根大截面绝缘线芯一起绞合成缆芯, 以便使结构更完善。这种结构的电缆外径较小,而 且结构稳定,更主要的是可利用本厂现有设备,不需 增加新的设备而进行研制,节约不少设备投资费用。 因此,最终选用了该结构进行产品的研制。表1列 出了结构的说明。 3 产品结构的分析 3.1 结构的合理性 (1)电缆直径小,结构稳定,便于敷设。通过比 较可知,第三种结构的电缆外径小,而且中心填充采 用成型的丁腈橡胶条,边缝采用填充骨架和聚丙烯 绳,这不仅保证缆芯圆整、 密实、 稳定,而且可节约原 材料,降低制造成本,更便于后道的钢丝铠装工艺, 以及海上的敷设。 图3 三小+一大的结构 表1 结构的说明 序号名称序号名称 150 mm2铜导体8复合防水层 2内屏蔽、 乙丙绝缘9填充物 3聚乙烯内护层10绕包层 4填充物11丙烯撕裂绳垫层 5绕包层、 铜带屏蔽12钢丝铠装+沥青涂层 6185 mm2铜导体13丙烯撕裂绳垫层 7交联聚乙烯绝缘14成型橡胶条填充 (2)可充分利用我厂现有设备。通过对盘具的 收放线长度和承受重量的计算,认为我厂现有的 3150 mm盘绞机和5001 + 6小成缆机均无实现如 图1所示的这种大截面、 大长度六芯电缆的一次绞 合成缆。为了节省投资,采用第三种结构,即先将三 根50 mm 2 绝缘线芯绞合成缆后,再与其他三根绝缘 线芯绞合成缆,这样就可以充分利用我厂现有的设 备成功研制了产品。 (3)便于海上敷设,减少敷设费用。海底电缆是 由海缆敷设船用专门的布缆设备和专业人员进行敷 设,敷设难度大,费用高,每次敷设费用约为100万 元km。由于将具有不同需求的中低压电缆组合在 一起,可实现一次性敷设,这既极大地降低电缆制造 成本,同时又可节约大量施工费用,也便于海上敷 设。 12 2005年第3期 No.32005 电 线 电 缆 Electric Wire 二是在绞合导体各层之间填充吸水膨胀 的阻水带。 众所周知,绞合导体之间存在着缝隙,当导体中 一旦有水渗入,水分会快速沿着导体纵向而扩散和 流动,因此选用适当的导体紧压系数,将导体紧压成 型,能起到一定的阻水作用。但这种措施还不是很 完善,因此,在绞线过程中,将吸水能力强,能吸水膨 胀的阻水带填入各绞层中,这样一旦有水分渗入,阻 水带吸水膨胀后能迅速阻断水分的进一步渗入,起 着阻水作用。图4为导体的阻水结构,表2为紧合 导体的组成及其紧压前后的直径。 图4 导体的阻水结构 表2 紧合导体的组成及紧压前后的直径 规格 (芯 mm2) 根数与截面 (根 mm2) 紧压前直径 mm 紧压后直径 mm 3185362.6318.416.2 35073.19.38.3 (2)绝缘和护套的径向和纵向的阻水结构。本 产品为两个不同电压等级的复合电缆,所以选用的 绝缘材料也不同。 350 mm 2 1.83 kV高压部分的绝缘采用乙丙 橡皮。乙丙橡胶本身具有良好的憎水性,而且其柔 软便于挤入绞合导体的缝隙中,利用橡胶与导体紧 密粘合,有利于阻水。其次,在每根绝缘线芯外再挤 包一层水密性强的高密度聚乙烯作为径向阻水护 层,同时也可以提高绝缘线芯强度,避免绝缘层的损 坏。 3185 mm 2 0.61kV低压部分的绝缘采用交联 聚乙烯,每根绝缘线芯的阻水结构由吸水膨胀阻水 带、 铝塑复合带和聚乙烯内护层等组成,共同形成径 向和纵向阻水隔离层。理论上讲,铝塑复合综合护 层的防潮性要比单一聚乙烯护层高几百倍甚至上千 倍,只要复合带的接缝处完全粘结密封,水分几乎无 法渗透。 3.3 电缆的铠装结构及抗拉强度的计算 对于海上石油平台电缆而言,电缆的抗拉强度 是一项极其重要的技术指标。由于该电缆从一个石 油平台连接到另一个石油平台,中间必须经历一个 高落差,即从一个石油平台的平面上,下落到水深 20 m海底,再连接到另一个平台。因此,电缆必须能 承受电缆自重的拉力,以及海水冲击等其他机械外 力作用,因此,海缆受力构件的铠装结构设计较为复 杂,通常的设计思路是首先根据电缆的结构及其自 重,以及海水潮流的冲击等众多机械外力作用,或参 考国外同类产品,初步设计出电缆的铠装结构,并计 算出铠装结构能承受的最大拉力,然后再验证其能 否满足上述的使用条件和使用要求。 通过初步计算及参考国外同类型产品,选用了 经钝化处理的直径为5. 0 mm镀锌低碳钢丝,共44 根,钢丝表面涂有防腐沥青,锌层重量 290 gm 2 ,并 根据式(1)计算出电缆允许的最大拉力: F0=SgRnA1(1) S= D2 4 式中,F0为电缆允许的最大拉力(kgf) ;S为单根铠 装钢丝截面积 (mm 2 ) ; g为钢丝抗拉强度 (kgf mm 2 ) , 取为30 ;R为钢丝铠装绞合后抗拉强度损失系数, 取为0. 85 ;n为铠装铠钢丝的根数,为44根;A1为 安全系数,取为0. 25 ;D为单根钢丝的直径(mm)。 为了适应于工程实际需要,式中拉力单位以kgf表 示,其中1kgf = 9.8N。 将上式各参数相应的数值代入式(1)可求得: F0= 5507(kgf) 考虑到该电缆使用条件极其苛刻,为了使其能 长期、 安全可靠的运行,再适当地增加一安全裕量也 是很必要的,为此,可用式(2)求得电缆允许最大的 拉力的推荐值: F1=F0A2= 55070.5 = 2753(kgf)(2) 22 2005年第3期 No.32005 电 线 电 缆 Electric Wire A2为二次 安全数,取为0.5。 最后,将求得的最大允许拉力推荐值进行验证, 证实了该值符合设计要求及使用条件,并有一定的 裕量。 4 海底电缆的主要性能及技术要求 表3列出了海底电缆的主要性能,以及敷设与 维修时的技术要求。产品制造依据为G BT 12706 - 2002和IEC60840标准,电缆设计使用寿命为30年。 表3 海底电缆主要性能及技术要求 规格mm2电压等级kV 空气中额定载流量A 203045 最大允许拉力kgf 施工维修 泄漏电流 (A km) 绝缘电阻 (M km) 导体电阻 ( km) 电容 (F km) 感抗 ( km) 350 3185 1.83 0.61 205190164 488452392 2 7532 7534 6 000 6 000 0.377 0.0984 0.179 0.230 0.108 0.0852 规格mm2 充电电流 (A km) 额定电流下 的电压损失 0.2 MPa纵向水 密试验 允许弯曲半径m 敷设运输维修 电缆直径 mm 电缆重量 (kg m) 350 3185 0.19 0.15 180A97V 450A69V 合格1.641.641.2382.219.3 注:表中的最大允许拉力实际上应是最大允许拉力的推荐值。 5 电缆的纵向水密试验 本试验方法参照IEC 60840标准。首先在室温 下将经过弯曲后的试样(长3 m ,中间环形剥去绝缘 约50 m长,形成环形缺口,见图 5) 放入水密试验装 中,并在装置中充满水,使环形缺口浸入水中,然后 往装置中充气至压力为0. 2 MPa ,放置48 h ,试样两 端应无水滴渗。图5为纵向水密试验装置的示意 图。试验结果表明,海底电缆两端无水分的滴渗,符 合产品的设计要求。 图5 纵向水密试验装置示意图 6 主要工艺的关键技术及工装的改造 6.1 导体的绞合 导体绞合中最好采用绕包结构的阻水带。若采 用纵包结构,即使采用宽度较大的阻水带,纵包后总 有漏缝,而且导体紧压后,过多的阻水带会被导体挤 出,无法达到良好的阻水效果,采用绕包工艺后将可 避免这问题的产生。 6.2 绝缘的挤出 对于乙丙橡胶和交联聚乙烯绝缘挤出,应选用 挤压式模具,这样有利于绝缘能充分挤入到导体缝 隙中,阻水效果好。尤其对于交联聚乙烯,因其硬度 大,试生产时曾选用半挤管式模具,就无法达到阻水 的作用。其次,在选用模芯、 模套的结构尺寸时,应 适当放小一些,以达到挤压紧密的目的。 6.3 复合阻水层聚乙烯护套的挤出 (1)因选用的阻水带具有强吸水能力,易受潮, 在使用前最好能进行烘干处理;在绝缘或护套挤出 前,应对线芯进行烘干处理,否则均为影响挤出质 量。 (2)聚乙烯护套挤出采用 150 mm挤出机,温度 控制在200左右,挤出前应将螺杆、 模具、 机头等 清理干净,否则会产生断裂、 鼓包、 出瘤等现象。 (3)纵包铝塑复合带时,因缆芯直径不均,在通 过纵包模时有可能受阻,所以特制了可调模孔大小 的铝塑复合带的纵包模,避免这现象的产生。 6.4 成缆工艺 四根缆芯成缆时,成缆节距不能太大,并且要保 证填充后的电缆缆芯圆整、 密实,其次放缆张力应均 匀,不能产生蛇形弯曲,有利于后道的钢丝铠装工 序。 6.5 钢丝的铠装 首先在成缆后的缆芯上绕包一层聚丙烯网状绳 垫层,然后紧密绞合一层镀锌钢丝。镀锌钢丝外层 应镀一层沥青防腐层,并在钢丝铠装生产线上同时 进行,以有利于大长度、 大重量线盘的周转。另外, 还增添了两套聚丙烯绳绕包装置,以及沥青熔化、 浇 涂及相应的环保装置,还单独制作了 3250 mm 32 2005年第3期 No.32005 电 线 电 缆 Electric Wire 8870499 传真:[phone] 制造工厂:山东章丘市相公镇工业区 邮编:250203 电话:[phone] 传真:[phone] 网址:http: w w .http: w w w.阻燃剂.com.E2mail : taixinghuagong 42 2005年第3期 No.32005 电 线 电 缆 Electric Wire &Cable 2005年6月 Jun. ,2005