鉆井平臺防爆填料函的選型和安裝

張明耀，劉偉盛

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

海洋占地球表面積的71%，蘊藏著豐富的油氣資源，隨著陸地石油開采數量越來越少，海洋石油的開采已是當今世界的熱點。海洋油氣勘探需依靠鉆井平臺，半潛式和自升式鉆井平臺目前應用最廣泛。鉆井平臺由船體和鉆井設施結合而成。除居住區域外，鉆井平臺的危險區域約占平臺總面積的40%～50%。作為長期固定在海上的大型操作設施，確保其能長期安全可靠的在海上工作是船廠在設計及建造時首要考慮的因素[1]。

根據船級社海上移動平臺規范要求，危險區域電氣設備須選擇防爆型或本質安全型，電氣設備的類型須滿足總體《鉆井平臺危險區域劃分圖》要求。船廠設計人員選型時，應嚴格按危險區域的類別選擇防爆電氣設備，而防爆填料函作為防爆設備的重要組成部分，需要與防爆設備的類型相匹配才能起到保護作用。因此，在平臺的設計建造過程中，防爆設備及填料函的選型也是設計人員須重點關注的問題之一[2]。

1 鉆井平臺危險區域劃分

根據國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)的規定，危險區域按照易燃易爆性氣體或粉塵出現的頻率及持續時間分為0區、1區、2區共計3類區域。對于上海外高橋造船有限公司建造的鉆井平臺，基于《鉆井平臺危險區域劃分圖》標明鉆井平臺的不同區域，其中：0區包括燃油艙和燃燒塔；1區包括直升機加油灌平臺、直升機加油單元、蓄電池間、油漆間、泥漿泵艙、泥漿處理間、泥漿處理室上下甲板、錄井裝置區域、刮泥器室、存儲及服務區、井架第一層和第四層等；2區包括直升機加油單元周圍、主甲板和上層建筑甲板靠鉆臺區域、鉆臺、鉆臺下甲板、機艙與1區交界處、固井裝置區域、左右軟管裝載站、泥漿池、月池、管子堆場、直升機甲板等；安全區域包括控制室、居住區域及配電板間等，在該區域內任何情況下都不會存在爆炸性氣體[3-4]。

2 防爆填料函的技術信息

防爆填料函作為防爆電氣設備的一個附件，在配對使用中應具有等同或更高的防爆等級要求，因此在選型時要考慮的技術信息一般包括：廠家名稱或注冊商標、防爆技術標記、保護類型、防護等級、區域危險等級、爆炸氣體(氣體環境)/粉塵(粉塵環境)、氣體分組、設備適用組別、防爆填料函型號、接口螺紋類型、電纜外護套和內護套直徑適用范圍、密封方式、密封材料阻燃特性(應符合UL94標準)、持續工作溫度范圍、防洪涌密封標識等。認證測試單位信息包括：認證機構名稱或標識、證書編號等。在產品標識中，符合歐盟規格的產品帶有CE標識，符合北美市場規格的產品帶有UL標識，IEC許可的合格產品授權使用EX標識。

3 防爆填料函的類型

防爆填料函按密封形式分為單密封防爆填料函和雙密封防爆填料函。單密封防爆填料函密封電纜的外護套，雙密封防爆填料函密封電纜的內外護套。防爆填料函保護類型分為EXe增安型、EXd隔爆型、EXn保護型和EXt防塵型等4種。EXn保護型的使用范圍包含在EXe增安型內，鉆井平臺沒有EXt防塵型要求。因此，實際應用了EXe增安型(適用于2區)和EXd隔爆型(適用于1區)等2種類型。

3.1 單密封防爆填料函

單密封防爆填料函防護等級≤IP66，屬于EXe增安型(適用于2區)，分為單道和雙道壓緊形式。單道壓緊形式由1個螺母壓縮密封圈及接地錐圈，結構簡單，但1個螺母不能同時壓緊電纜外密封和接地錐圈，影響接地和防護等級。雙道壓緊形式由2個螺母分別壓縮密封圈(帶防松動鎖緊裝置)及接地錐圈，電纜外密封和接地比較好。如圖1所示。

圖1 單密封防爆填料函

3.2 雙密封防爆填料函

雙密封防爆填料函防護等級≥IP66，屬于EXd隔爆型(適用于1區)。當電氣設備暴露在艙外時，為有效防止雨水和洪水進入箱內，需帶有防洪涌密封防護等級達到IP68的雙密封防爆填料函進行防護。

雙密封防爆填料函可分為6種形式，如圖2所示。

圖2 雙密封防爆填料函

(1) 壓緊形式密封采用熱固性橡膠作為密封圈，當受到較大的擠壓力時，密封圈會產生向下的形變而壓在電纜護套上。擠壓后，電纜內護套與密封圈接觸面較大，內護套易產生冷變形。

(2) 凹槽壓緊形式密封采用熱固性橡膠作為密封圈，不同的是在內護套密封圈上設計凹槽，不需要用較大的擠壓力，密封圈就產生向下的變形面壓在電纜內護套上，內護套易產生冷變形。

(3) 錐度位移形式密封采用擠壓錐形密封圈，逐步在電纜上形成密封。此時密封圈對電纜內護套產生斜面擠壓力，壓在電纜內護套上，電纜內護套也會產生變形。

(4) 膜形式密封采用有彈性的熱固性薄膜，該薄膜通常裝在鎧裝錐上，通過將其包在電纜內護套上形成隔爆密封，電纜內護套幾乎無損傷。

(5) 補償位移形式密封系統采用的是位移密封，運用補償器減少對電纜內護套層的壓力。補償位移形式密封于電纜內護套上，電纜內護套幾乎無損傷。

(6) 膠泥形式密封是用于電纜直接進入隔爆型箱體，為確保整個箱體隔爆的完整性而采用的一種密封形式。在電纜進入箱體前，把電纜的內護套剝去露出芯線，采用固化的樹脂膠泥在芯線周圍進行密封，密封效果好，電纜無損傷。

鉆井平臺采用低煙阻燃鎧裝電纜，當受到外擠壓力時，電纜護套會產生冷變形，導致電纜絕緣電阻降低從而造成電纜損傷?？紤]到箱體內氣體可能沿電纜內護套傳輸到另一個設備，對于防護等級高的設備，在選用防爆填料函時，應采用雙密封(膜形式密封、補償位移形式密封或膠泥形式密封)防爆填料函。

4 防爆填料函的選型

防爆填料函采用金屬材料，表面經處理后，耐腐蝕性、耐磨性和導電性增加。普通場所采用黃銅材料并進行鍍鎳或鈍化處理，潮濕及腐蝕場所采用不銹鋼材料并進行鈍化處理。

電纜可直接或間接進線至隔爆型箱體。直接進線到隔爆型箱體的電纜密封須保證整個箱體隔爆的完整性，參照IEC 60079-14-2013[5]的特殊選型準則：

(1) 隔爆型電氣箱體帶有整體防爆證書，包括防爆填料函；

(2) 電纜在進入隔爆電氣箱體時，其長度應大于3 m，電纜需有泄壓驗證；

(3) 增設增安型過渡箱，采用間接進線方案；

(4) 在以上3點都不滿足要求的情況下，采用膠泥密封填料函。

間接進線通過單獨的終端箱體，將電纜接入該箱體上的終端，且該箱體內不存在火源，與主要箱體分開，內部接線在連接終端部分設備側前需穿過屏障或線套，電纜進入此箱體不需要膠泥形式防爆填料函密封。

5 防爆填料函的安裝

5.1 防爆填料函安裝前的準備工作

(1) 檢查防爆填料函EXd隔爆型(適用于1區)是否滿足特殊選型準則的要求；

(2) 檢查電氣箱體外殼的材質，避免使用不同材質；

(3) 檢查防爆填料函防護等級是否滿足防護等級，即EXe≤IP66，EXd≥IP66；

(4) 檢查防爆填料函是否有明顯的防爆標識和驗證標志；

(5) 檢查電纜外護套和內護套直徑是否與防爆填料函密封圈相匹配；

(6) 檢查防爆填料函螺紋是否與箱體接口螺紋相匹配，如表1和表2所示；

表1 公制螺紋M

表2 NPT英制螺紋ANSIB 1.20.1

(7) 檢查安裝在緊急防洪設施區域的防爆填料函是否選用防洪涌密封保護形式；

(8) 檢查防爆填料函附件清單是否完整。

5.2 防爆填料函的安裝

(1) 按照防爆填料函廠家提供的安裝圖，切割鎧裝層和內外護套。

(2) 根據電纜鎧裝層厚度，調節接地內外錐圈安裝方向，將鎧裝層放入接地內外錐圈內壓緊。

(3) 使用接地環時，先將接地環放置于防爆填料函底座處，再放置IP墊片。箱體內側放置防震墊圈，再放置鎖緊螺母，直螺紋或NPT螺紋直接旋入螺孔。

(4) 各螺母先用手旋緊，再用專業工具旋緊1～2圈。

(5) 電纜內護套不需要包扎絕緣膠布。

(6) 除非有特殊要求，防爆填料函通常不使用PVC套管。

(7) 塑料箱體一般不使用防震墊圈。若箱體內有接地板，接地環應取消，并放入防震墊圈，再放入鎖緊螺母。當使用黃綠接地導線時，截面積≥2.5 mm2。

(8) 考慮到電纜彎曲半徑和今后電纜維修時防爆填料函的拆卸，以及塑料和金屬箱體電纜接地等不同的安裝形式，防爆填料函電纜進線及設備安裝應按圖3和圖4進行施工。

(9) 在安裝直螺紋或NPT螺紋的防爆填料函時：當箱體容量≤100 cm3時，要求箱體厚度≥5 mm或5個全螺紋以上；當箱體容量≥100 cm3時，要求箱體厚度≥8 mm或6個全螺紋以上。不允許直通孔。如圖3所示。

圖3 防爆填料函安裝形式

5.3 防爆填料函安裝形式

(1) 帶有補償位移密封系統的防爆填料函安裝形式如圖4所示。

圖4 補償位移密封系統防爆填料函安裝形式

(2) 帶有膜式密封系統的防爆填料函安裝形式如圖5所示。

圖5 膜式密封系統防爆填料函安裝形式

(3) 帶有膠泥密封系統的防爆填料函安裝形式如圖6所示。

圖6 膠泥密封系統防爆填料函安裝形式

(4) 直螺紋或NPT螺紋防爆填料函安裝形式如圖7所示。

圖7 直螺紋或NPT螺紋防爆填料函安裝形式

6 結 論

防爆填料函應按防爆設備的技術要求合理選型，特別是安裝在1區的隔爆型設備，若使用不合適的隔爆型填料函，會造成電纜變形或箱體內火花與箱體外危險氣體相容而引起爆炸。正確使用防爆填料函能保證防爆設備的完整性和安全性。施工人員通過閱讀廠家提供的施工手冊正確操作，減少了返工，提高了生產效率，降低了成本，為確保產品按期順利交付創造了有利條件。