海洋石油112电滑环检修

2012-12-05陶军联

资源节约与环保 2012年5期

关键词：电刷海缆滑环

陶军联葛勇

（中海油能源发展采油服务公司曹妃甸作业公司，天津开发区，邮编：300457）

1.0 前言

曹妃甸油田单点电滑环担负着油田的动力、控制信号、火气和关断信号、数据信息等的传输功能，是以FPSO为生产主体的油田的核心部件，其可靠性和安全性直接影响着油田的正常运行。

2.0 电滑环结构和原理简介

海洋石油112电滑环生产厂家为挪威的FOCAL公司，其主要组成部分为：高压滑环、低压滑环和光滑环。（另外还有流体滑环，本文不做介绍）

电滑环外观如图，自上到下依次为光滑环，低压滑环和高压滑环。

光滑环肩负着FPSO到各平台的光纤数据传输功能。主要传输PMS系统（电源管理系统）的卸载信号，电视电话及网络通讯信号。

单点的控制信号，火气和关断信号，CCTV和单点状态监测以及单点照明和设备动力电源则通过低压滑环传输，传输电压有24V、220V和380V。

高压滑环主要是把FPSO发出的电输送到各个小平台。由三组10套

铜环组成，其中一套为接地环。电压等级为10.5KV，单个铜环额定电流585A。

高压滑环系统由固定部分和旋转部分组成。FPSO来的高压电通过升高塔跨接电缆，接到单点旋转系统的旋转部分－电刷上；去海缆的高压电通过铜棒直接接到旋转系统的固定部分－铜环上。两者的连接通过电刷与铜环的接触来实现。在电刷背后有弹簧压紧电刷,以保持良好接触。电刷围绕铜环旋转，不论FPSO怎样旋转,电刷和铜环始终保持紧密接触,实现电能传递。

3.0 电滑环故障检修

海洋石油112电滑环在2007年和2010年出现过两次严重故障，故障现象类同，均导致高压滑环严重损毁。本文以2010年2月的事故为例，对滑环的事故处理和检修以及后期的防范和改进措施进行介绍。

3.1 故障前设备的运行状态

FPSO有5台7.4MW发电机分别通过两台输出变压器TR－9001和TR－9002，途经单点到WGPA，给 WHPA（TR－9001）以及给 WHPD（TR－9002）等平台供电。正常情况下，平台所需要的电力都是由112提供。除WHPD具备反送电能力，能够通过应急发电机带少量生产井，其他平台都是主电一失，生产就关停。

下图为海洋石油112配电系统简图：

在失电的前一天下午，两台输出变压器二次侧（滑环侧）的负载电流分别是：TR－9001为461A，TR－9002为376A。变压器的二次侧最大额定电流值是549A。对于TR－9001来说已经达到最大额定负载的84%，负载已经相当大了。TR－9002是最大额定负载的68.5%。

3.2 故障的发生和调查

201 0年2 月6日的下午1点多钟，曹妃甸油田从FPSO输送到井口平台WGPA的两路变压器中的一路TR－9001的保护继电器发生跳闸，导致部分平台失电停产。根据高压盘上的ABB综合保护继电器K500的故障指示，我们发现一个很大的短路电流出现，超过8000Amps，导致真空断流器跳闸，切断了主变压器TR－9001输出到井口平台WGPA的电源。同时在TR－9002的保护继电器上显示出现一个很大的接地电流。我们随即手动切断了TR－9002的真空断路器。

到变压器室进行检查，发现有大量异常气味从变压器中性点接地柜冒出。但对接地电阻进行目视检查，没有异常现象。异味产生原因应是接地电流通过接地电阻造成的。是滑环故障？还是海缆故障？还是外部平台负载故障？我们需要在最短的时间内确定故障发生的位置。当时WGPA正在进行新MCC施工作业，他们有可能误合在WGPA的高压母联开关，该母联从投产后就从来没有闭合过，而且该母联没有并车装置，有可能故障是从这里发生？但是经过详细检查，最终确认故障发生在海缆上或是电滑环上。

故障调查过程：

在把系统隔离，接地以后。我们对变压器和接地电阻进行了检查。没有发现故障点。

检查了升高塔上和SPM底甲板的高压电缆接线箱。同时通知井口平台检查了从FPSO到WGPA海缆的接线箱。

然后对海缆以及变压器到升高塔之间的高压电缆进行了绝缘检查，没有发现明显的异常。

最后需要检查的部分只剩下SPM里的电滑环部分。由于设计的原因，我们自己无法拆开进行检查。从外部测量对地绝缘值均为0Ω。最终确认故障点在电滑环内部。

我们不希望故障发生在单点的旋转滑环部分，因为整个系统被设计的预计寿命是25年。

在我们进行故障检查时，变压器的二次侧到SPM滑环之间是没有断路器的，这也是一个设计上的缺陷。

3.3 故障发生后采取的临时补救措施

经过5KV绝缘表检查测试，我们发现9套电滑环已经5套接地，只有备用滑环组，和TR－9002回路有一套滑环没有接地。外方监督想利用备用滑环供电。我们根据经验及测量结果，建议挑选出绝缘最好的三组滑环进行临时供电，因为备用滑环组中有一组环的绝缘值很低，只有几兆欧。从安全角度出发，外方监督采纳了我们的建议，按照我们的方案进行。最终我们决定采取两个应急措施：

*海上团队负责将将高压电缆重新接线，利用TR－9002的一套滑环和两套备用滑环组成临时供电环组，接到TR－9002的变压器及输出海缆上，在WGPA闭合母联开关，使用TR－9002变压器给全油田各个平台供电。为保障安全，停掉了许多平台不重要负载，并关掉一部分低产油井，最终把通过电滑环的工作电流控制在470Amps（最大允许电流549A），同时安排24小时检查监视变压器的工作状况。

*陆地各部门紧急联系各方，准备临时发电机和电缆，随时送出海，用临时发电机给部分生产井供电，以增加产量，减少损失。同时也为将来更换电滑环期间，提供临时电源给生产井ESP，保证即时是更换滑环期间，也能保持各平台部分油井的正常生产。

经过努力，在停电后的第二天晚上2月7日20：30开始恢复给WGPA送电，陆续起井。到2月8日早上03：46开始起生产注水，大部分油井恢复生产。总功率18.6MW。

3.4 电滑环修复的准备

由于我们2007发生过类似故障，通过和滑环厂家FOCAL公司的沟通，基本确定维修方案－对电滑环进行整体更换。后来又利用生产关停空隙，用内窥镜对滑环内部进行了检查，确定了故障程度。围绕此项工作，我们制定了详细的计划，做了大量的准备工作：

*与滑环厂家FOCAL以及单点厂家APL保持每周的电话会议沟通联系，协调督促各项工作和材料及人员的准备和进展情况。这是一项非常重要和复杂的工作，作业团队来自四个不同的国家，保持良好的沟通是保障维修工作及时高效完成的重要因素。

*材料的准备：所有需要更换的备件提前准备好，运送到现场。超过800个备件需要从国外送到现场，需要考虑备件清关，现场摆放位置，零配件的保护等因素，如果有任何的疏漏都会影响工作。

*作业所需要的工具提前做好准备：吊具，木箱，防火毯，防雨布，通用工具等。

*施工作业需要使用的吊车提前检查维修，确保处于良好的运行状态。

*提前准备和连接临时电源以及临时照明设备。

*高压测试设备和耐压试验提前准备

*人力准备工作：包括由于是不间断作业，24小时需要有电工守护等的人员安排。

*科麦奇安全程序的准备工作，包括海缆高压隔离程序，风险评估，工作许可，隔离证书等，以及FOCAL提交工作程序及计划。其中风险评估要在各方都参加的前提下进行，应该包括电滑环FOCAL厂家的工作人员，单点APL的协调人员，科麦奇中外双方的总监和监督，配合施工的承包商领班。风险评估要对施工的详细工作步骤进行逐一分析，明确各项工作的潜在风险和控制应急措施。

*临时光纤的准备，用于在维修滑环期间保持FPSO与外界的联系。

*后勤的安排准备工作

3.5 电滑环的修复

由于制定了详细的工作计划和大量的前期准备工作，电滑环的整体更换工作于当年的4月11日正式开始。更换工作紧张有序，用时一周时间，安全高效的完成了更换。主要工作内容就是拆除损坏的高压电滑环，安装新的高压滑环。由于低压滑环和光滑环在高压滑环上面，拆除是必须首先整体移除光滑环和低压滑环。具体拆除步骤，本文不做累述。下面对滑环的安装步骤用图片的方式，简单介绍一下。

·安装滑环支撑

·安装环间绝缘垫

·安装接地环和环间绝缘材料

·吊装绝缘垫

·安装电刷

·接连完成后的电刷

·安装导电铜棒

·接地电刷（最底部第一道环）

·连接好的高压堆

·导体装上绝缘套

·高压滑环套管绝缘子安装

·高压滑环组装完成

·低压及光纤滑环吊装

4.0 故障原因分析

从下面的照片我们可以看到6号滑环表面接触摩擦面只有少量接触痕迹，说明该滑环和电刷的接触表面的严重接触不良。再看左下的一个比较照片，6#电刷已经完全失效，接触碳刷由于高温已经熔合在一起。分析初步的原因是由于该电刷的机械故障，导致接触不良，在大电流的负载下（当时负载在460安培左右），又导致高温，绝缘下降，形成恶性循环，最终烧坏电刷。该电刷的损坏，直接导致该输出回路（TR9001）缺相，也就是说原本的三相输出变成只有两相输出，同时导致真空断路器故障跳闸。

从下面这两张照片里，我们可以看到，这两个环的接触基本可以，但也不是100%的良好接触。尤其是左上图，可以清楚地看到表面有轻微的损伤（灼伤）。灼伤产生的原因是：由于海流，导致SPM受到撞击晃动，电刷和滑环之间轻微接触不良，产生细小的电弧灼伤了电刷和滑环表面。如果这种情况持续很长时间，就会造成很严重的接触不良，最终结果烧坏电滑环。从这张图里能够看到振动对电滑环工作的影响。

另外，我们还发现该环接入的绝缘子（bushing)也已经破裂，表面有烧损的迹象。也就是说还有一种可能是绝缘子由于撞击振动，导致其破裂最终致使该相接地。见下图。

不管是由于电刷的原因还是绝缘子的原因，单点的摇晃振动都是导致其失效的重要因素之一。这点我们从2007年的一些照片和这次对比可以看到，当时滑环的损害程度要比今年拆开时要严重得多。在那之后，我们在顶部增加了几个阻尼减震器，对减少振动有所改善，但也没有完全解决这个问题，所以仍然导致这次损坏。

由于振动晃动，会导致电滑环接触不良，使大负荷的负载在接触点/面产生拉弧，负载电流越大，影响越大。这也是为什么这两次故障都会首先发生在负载电流大的滑环上的主要原因。

5.0 改进措施

一、故障原因分析得出，如果非单点或电滑环本事设计和结构缺陷，单点的振动冲击，是两次高压滑环故障的主要诱因。因此APL设计和安装了一套单点的减振装置（Turn Buckle）。安装后经过测量，单点的震动得到了很大的改善。

二、增加单点和电滑环状态监控系统。状态监测主要有以下几个主要功能：

*高压滑环内部温度监测

*外部环境温度监测

*单点风速监测

*单点振动状态监测

*高压滑环实时电流监测

所有测量数据都接入中控ICS系统，实现实时监测。并设置温度，振动，电流的报警值，在中控实现声光报警。

单点和电滑环状态监测示意图

三、112电滑环的电刷是由16个小铜块组成，每个铜块后面自带弹簧。早在2007年电滑环的检修报告上就指出，由于单点振动，电刷个别铜块可能压入后无法弹出，铜块和铜环之间有间隙，运行中产生电弧。长期的大量的电弧导致铜环和电刷损坏严重。因此我们一直也在和厂家讨论是否改进电刷。减少铜块数量、增大接触面积或是使用长行程电刷，一直没有定论。

四、单点或电滑环的设计本身可能有缺陷（此类单点是首次在中国试验应用，并且目前世界仅存），因此也彻底杜绝隐患，除了解决单点对滑环的影响外，还须考虑重新设计和使用新型滑环。另外还可以考虑增大电流传输的接触面，或使用油浸式电滑环。事实上，自2010年故障以来，科麦奇一直在和FOCAL和单点讨论设计和更换新型滑环的可能性。

五、112滑环原来有一套消防水滑环，2007年故障时，怀疑高压电滑环和消防水滑环之间的密封失效，消防水进入高压滑环而导致故障。经过和单点厂家、滑环厂家以及第三方检验公司讨论，最后决定对消防水滑环进行封堵，消除消防水对电滑环的潜在威胁。

六、平衡和减小流过铜环的电流：

*对WGPA高压盘A、B段的WHPA和WHPC/D的馈电开关互换，使TR－9001和TR－9002的电流基本平衡。

*起用备用铜环。计划七月份辅设一条海缆，从备用电滑环直接到WHPC。如果投入运行，现运行的两套滑环运行电流将大大减小。