海洋石油112電滑環檢修

陶軍聯 葛 勇

（中海油能源發展采油服務公司曹妃甸作業公司，天津開發區，郵編：300457）

1.0 前言

曹妃甸油田單點電滑環擔負著油田的動力、控制信號、火氣和關斷信號、數據信息等的傳輸功能，是以FPSO為生產主體的油田的核心部件，其可靠性和安全性直接影響著油田的正常運行。

2.0 電滑環結構和原理簡介

海洋石油112電滑環生產廠家為挪威的FOCAL公司，其主要組成部分為：高壓滑環、低壓滑環和光滑環。（另外還有流體滑環，本文不做介紹）

電滑環外觀如圖，自上到下依次為光滑環，低壓滑環和高壓滑環。

光滑環肩負著FPSO到各平臺的光纖數據傳輸功能。主要傳輸PMS系統（電源管理系統）的卸載信號，電視電話及網絡通訊信號。

單點的控制信號，火氣和關斷信號，CCTV和單點狀態監測以及單點照明和設備動力電源則通過低壓滑環傳輸，傳輸電壓有24V、220V和380V。

高壓滑環主要是把FPSO發出的電輸送到各個小平臺。由三組10套

銅環組成，其中一套為接地環。電壓等級為10.5KV，單個銅環額定電流585A。

高壓滑環系統由固定部分和旋轉部分組成。FPSO來的高壓電通過升高塔跨接電纜，接到單點旋轉系統的旋轉部分－電刷上；去海纜的高壓電通過銅棒直接接到旋轉系統的固定部分－銅環上。兩者的連接通過電刷與銅環的接觸來實現。在電刷背后有彈簧壓緊電刷,以保持良好接觸。電刷圍繞銅環旋轉，不論FPSO怎樣旋轉,電刷和銅環始終保持緊密接觸,實現電能傳遞。

3.0 電滑環故障檢修

海洋石油112電滑環在2007年和2010年出現過兩次嚴重故障，故障現象類同，均導致高壓滑環嚴重損毀。本文以2010年2月的事故為例，對滑環的事故處理和檢修以及后期的防范和改進措施進行介紹。

3.1 故障前設備的運行狀態

FPSO有5臺7.4MW發電機分別通過兩臺輸出變壓器TR－9001和TR－9002，途經單點到WGPA，給 WHPA（TR－9001）以及給 WHPD（TR－9002）等平臺供電。正常情況下，平臺所需要的電力都是由112提供。除WHPD具備反送電能力，能夠通過應急發電機帶少量生產井，其他平臺都是主電一失，生產就關停。

下圖為海洋石油112配電系統簡圖：

在失電的前一天下午，兩臺輸出變壓器二次側（滑環側）的負載電流分別是：TR－9001為461A，TR－9002為376A。變壓器的二次側最大額定電流值是549A。對于TR－9001來說已經達到最大額定負載的84%，負載已經相當大了。TR－9002是最大額定負載的68.5%。

3.2 故障的發生和調查

201 0年2 月6日的下午1點多鐘，曹妃甸油田從FPSO輸送到井口平臺WGPA的兩路變壓器中的一路TR－9001的保護繼電器發生跳閘，導致部分平臺失電停產。根據高壓盤上的ABB綜合保護繼電器K500的故障指示，我們發現一個很大的短路電流出現，超過8000Amps，導致真空斷流器跳閘，切斷了主變壓器TR－9001輸出到井口平臺WGPA的電源。同時在TR－9002的保護繼電器上顯示出現一個很大的接地電流。我們隨即手動切斷了TR－9002的真空斷路器。

到變壓器室進行檢查，發現有大量異常氣味從變壓器中性點接地柜冒出。但對接地電阻進行目視檢查，沒有異常現象。異味產生原因應是接地電流通過接地電阻造成的。是滑環故障？還是海纜故障？還是外部平臺負載故障？我們需要在最短的時間內確定故障發生的位置。當時WGPA正在進行新MCC施工作業，他們有可能誤合在WGPA的高壓母聯開關，該母聯從投產后就從來沒有閉合過，而且該母聯沒有并車裝置，有可能故障是從這里發生？但是經過詳細檢查，最終確認故障發生在海纜上或是電滑環上。

故障調查過程：

在把系統隔離，接地以后。我們對變壓器和接地電阻進行了檢查。沒有發現故障點。

檢查了升高塔上和SPM底甲板的高壓電纜接線箱。同時通知井口平臺檢查了從FPSO到WGPA海纜的接線箱。

然后對海纜以及變壓器到升高塔之間的高壓電纜進行了絕緣檢查，沒有發現明顯的異常。

最后需要檢查的部分只剩下SPM里的電滑環部分。由于設計的原因，我們自己無法拆開進行檢查。從外部測量對地絕緣值均為0Ω。最終確認故障點在電滑環內部。

我們不希望故障發生在單點的旋轉滑環部分，因為整個系統被設計的預計壽命是25年。

在我們進行故障檢查時，變壓器的二次側到SPM滑環之間是沒有斷路器的，這也是一個設計上的缺陷。

3.3 故障發生后采取的臨時補救措施

經過5KV絕緣表檢查測試，我們發現9套電滑環已經5套接地，只有備用滑環組，和TR－9002回路有一套滑環沒有接地。外方監督想利用備用滑環供電。我們根據經驗及測量結果，建議挑選出絕緣最好的三組滑環進行臨時供電，因為備用滑環組中有一組環的絕緣值很低，只有幾兆歐。從安全角度出發，外方監督采納了我們的建議，按照我們的方案進行。最終我們決定采取兩個應急措施：

*海上團隊負責將將高壓電纜重新接線，利用TR－9002的一套滑環和兩套備用滑環組成臨時供電環組，接到TR－9002的變壓器及輸出海纜上，在WGPA閉合母聯開關，使用TR－9002變壓器給全油田各個平臺供電。為保障安全，停掉了許多平臺不重要負載，并關掉一部分低產油井，最終把通過電滑環的工作電流控制在470Amps（最大允許電流549A），同時安排24小時檢查監視變壓器的工作狀況。

*陸地各部門緊急聯系各方，準備臨時發電機和電纜，隨時送出海，用臨時發電機給部分生產井供電，以增加產量，減少損失。同時也為將來更換電滑環期間，提供臨時電源給生產井ESP，保證即時是更換滑環期間，也能保持各平臺部分油井的正常生產。

經過努力，在停電后的第二天晚上2月7日20：30開始恢復給WGPA送電，陸續起井。到2月8日早上03：46開始起生產注水，大部分油井恢復生產。總功率18.6MW。

3.4 電滑環修復的準備

由于我們2007發生過類似故障，通過和滑環廠家FOCAL公司的溝通，基本確定維修方案－對電滑環進行整體更換。后來又利用生產關停空隙，用內窺鏡對滑環內部進行了檢查，確定了故障程度。圍繞此項工作，我們制定了詳細的計劃，做了大量的準備工作：

*與滑環廠家FOCAL以及單點廠家APL保持每周的電話會議溝通聯系，協調督促各項工作和材料及人員的準備和進展情況。這是一項非常重要和復雜的工作，作業團隊來自四個不同的國家，保持良好的溝通是保障維修工作及時高效完成的重要因素。

*材料的準備：所有需要更換的備件提前準備好，運送到現場。超過800個備件需要從國外送到現場，需要考慮備件清關，現場擺放位置，零配件的保護等因素，如果有任何的疏漏都會影響工作。

*作業所需要的工具提前做好準備：吊具，木箱，防火毯，防雨布，通用工具等。

*施工作業需要使用的吊車提前檢查維修，確保處于良好的運行狀態。

*提前準備和連接臨時電源以及臨時照明設備。

*高壓測試設備和耐壓試驗提前準備

*人力準備工作：包括由于是不間斷作業，24小時需要有電工守護等的人員安排。

*科麥奇安全程序的準備工作，包括海纜高壓隔離程序，風險評估，工作許可，隔離證書等，以及FOCAL提交工作程序及計劃。其中風險評估要在各方都參加的前提下進行，應該包括電滑環FOCAL廠家的工作人員，單點APL的協調人員，科麥奇中外雙方的總監和監督，配合施工的承包商領班。風險評估要對施工的詳細工作步驟進行逐一分析，明確各項工作的潛在風險和控制應急措施。

*臨時光纖的準備，用于在維修滑環期間保持FPSO與外界的聯系。

*后勤的安排準備工作

3.5 電滑環的修復

由于制定了詳細的工作計劃和大量的前期準備工作，電滑環的整體更換工作于當年的4月11日正式開始。更換工作緊張有序，用時一周時間，安全高效的完成了更換。主要工作內容就是拆除損壞的高壓電滑環，安裝新的高壓滑環。由于低壓滑環和光滑環在高壓滑環上面，拆除是必須首先整體移除光滑環和低壓滑環。具體拆除步驟，本文不做累述。下面對滑環的安裝步驟用圖片的方式，簡單介紹一下。

·安裝滑環支撐

·安裝環間絕緣墊

·安裝接地環和環間絕緣材料

·吊裝絕緣墊

·安裝電刷

·接連完成后的電刷

·安裝導電銅棒

·接地電刷（最底部第一道環）

·連接好的高壓堆

·導體裝上絕緣套

·高壓滑環套管絕緣子安裝

·高壓滑環套管絕緣子安裝

·高壓滑環組裝完成

·低壓及光纖滑環吊裝

4.0 故障原因分析

從下面的照片我們可以看到6號滑環表面接觸摩擦面只有少量接觸痕跡，說明該滑環和電刷的接觸表面的嚴重接觸不良。再看左下的一個比較照片，6#電刷已經完全失效，接觸碳刷由于高溫已經熔合在一起。分析初步的原因是由于該電刷的機械故障，導致接觸不良，在大電流的負載下（當時負載在460安培左右），又導致高溫，絕緣下降，形成惡性循環，最終燒壞電刷。該電刷的損壞，直接導致該輸出回路（TR9001）缺相，也就是說原本的三相輸出變成只有兩相輸出，同時導致真空斷路器故障跳閘。

從下面這兩張照片里，我們可以看到，這兩個環的接觸基本可以，但也不是100%的良好接觸。尤其是左上圖，可以清楚地看到表面有輕微的損傷 （灼傷）。灼傷產生的原因是：由于海流，導致SPM受到撞擊晃動，電刷和滑環之間輕微接觸不良，產生細小的電弧灼傷了電刷和滑環表面。如果這種情況持續很長時間，就會造成很嚴重的接觸不良，最終結果燒壞電滑環。從這張圖里能夠看到振動對電滑環工作的影響。

另外，我們還發現該環接入的絕緣子（bushing)也已經破裂，表面有燒損的跡象。也就是說還有一種可能是絕緣子由于撞擊振動，導致其破裂最終致使該相接地。見下圖。

不管是由于電刷的原因還是絕緣子的原因，單點的搖晃振動都是導致其失效的重要因素之一。這點我們從2007年的一些照片和這次對比可以看到，當時滑環的損害程度要比今年拆開時要嚴重得多。在那之后，我們在頂部增加了幾個阻尼減震器，對減少振動有所改善，但也沒有完全解決這個問題，所以仍然導致這次損壞。

由于振動晃動，會導致電滑環接觸不良，使大負荷的負載在接觸點/面產生拉弧，負載電流越大，影響越大。這也是為什么這兩次故障都會首先發生在負載電流大的滑環上的主要原因。

5.0 改進措施

一、故障原因分析得出，如果非單點或電滑環本事設計和結構缺陷，單點的振動沖擊，是兩次高壓滑環故障的主要誘因。因此APL設計和安裝了一套單點的減振裝置（Turn Buckle）。安裝后經過測量，單點的震動得到了很大的改善。

二、增加單點和電滑環狀態監控系統。狀態監測主要有以下幾個主要功能：

*高壓滑環內部溫度監測

*外部環境溫度監測

*單點風速監測

*單點振動狀態監測

*高壓滑環實時電流監測

所有測量數據都接入中控ICS系統，實現實時監測。并設置溫度，振動，電流的報警值，在中控實現聲光報警。

單點和電滑環狀態監測示意圖

三、112電滑環的電刷是由16個小銅塊組成，每個銅塊后面自帶彈簧。早在2007年電滑環的檢修報告上就指出，由于單點振動，電刷個別銅塊可能壓入后無法彈出，銅塊和銅環之間有間隙，運行中產生電弧。長期的大量的電弧導致銅環和電刷損壞嚴重。因此我們一直也在和廠家討論是否改進電刷。減少銅塊數量、增大接觸面積或是使用長行程電刷，一直沒有定論。

四、單點或電滑環的設計本身可能有缺陷（此類單點是首次在中國試驗應用，并且目前世界僅存），因此也徹底杜絕隱患，除了解決單點對滑環的影響外，還須考慮重新設計和使用新型滑環。另外還可以考慮增大電流傳輸的接觸面，或使用油浸式電滑環。事實上，自2010年故障以來，科麥奇一直在和FOCAL和單點討論設計和更換新型滑環的可能性。

五、112滑環原來有一套消防水滑環，2007年故障時，懷疑高壓電滑環和消防水滑環之間的密封失效，消防水進入高壓滑環而導致故障。經過和單點廠家、滑環廠家以及第三方檢驗公司討論，最后決定對消防水滑環進行封堵，消除消防水對電滑環的潛在威脅。

六、平衡和減小流過銅環的電流：

*對WGPA高壓盤A、B段的WHPA和WHPC/D的饋電開關互換，使TR－9001和TR－9002的電流基本平衡。

*起用備用銅環。計劃七月份輔設一條海纜，從備用電滑環直接到WHPC。如果投入運行，現運行的兩套滑環運行電流將大大減小。

5.0 結束語

正確的檢查和判斷、合理的應急措施、充分的準備和完善的施工方案不僅保障了電滑環快速安全修復，同時把油田產量的損失降低到最小。希望曹妃甸油田電滑環的檢修和改造經驗，對以后電滑環的設計和維修提供幫助和指導。

Focal公司提供的電滑環維修手冊