自升式平臺深潛泵電纜燒毀事故致因分析與對策

董 翔，王直干

（滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129）

0 引 言

深潛泵是自升式平臺重要的海水供給設備之一，其泵塔由深潛泵與豎直海水管連接組成（見圖1）。深潛泵的軟電纜沿著泵塔綁扎，多余的軟電纜通過主甲板的電纜絞車收納和存儲。隨著平臺的升高，深潛泵塔通過甲板吊機，沿著樁腿的導向軌道移動并固定至適合的高度處。泵塔上的通岸接頭與主甲板上的海水進水管相連接，實現向平臺供應海水。

圖1 典型自升式平臺深潛泵布置

國外某船廠曾發生一起在建自升式平臺深潛泵軟電纜燒毀事故，導致深潛泵的軟電纜完全報廢，需進行更換。該事故不僅造成了嚴重的經濟損失，而且嚴重影響了該項目的進度。

1 事故致因分析

在該事故中，深潛泵電纜絞車上的軟電纜局部外護套完全損毀（見圖2）。初步分析發現，引發該事故的原因是電纜局部溫度過高，超過了電纜絕緣外護套的保護能力，從而導致電纜絕緣外護套燒毀。導致電纜局部溫度過高的原因可能有以下幾種：

圖2 燒毀的深潛泵電纜

1) 深潛泵電纜的選型與深潛泵規格不匹配，電纜的載流量小于深潛泵的額定工作電流。在正常運行過程中，電纜因發熱與散熱不平衡而出現發熱現象。

2) 深潛泵電纜相間的絕緣性能不好，造成絕緣電阻較小，運行過程中出現發熱現象。

3) 深潛泵電纜護套破損，進水后破壞了電纜的絕緣性能，導致絕緣電阻的阻值減小，從而造成發熱現象。

4) 深潛泵電纜絞車的規格與深潛泵電纜不匹配，導致電纜敷設過密，通風效果不佳，影響電纜正常散熱，造成運行過程中出現發熱現象。

為滿足不同場景的應用需求，深潛泵和軟電纜的相關參數（長度、載流量和防護等級等）會根據具體應用場景的不同發生變化。同時，軟電纜與泵本體的連接涉及特殊水下接頭的制作，因此深潛泵的電纜和泵體通常由深潛泵廠家提供，選型匹配工作完全由廠家負責。該事故項目的深潛泵廠家為業內知名供應商，不太可能出現深潛泵電纜的載流量與深潛泵規格不匹配的情況，且對比同類型項目，該事故項目中深潛泵的功率和軟電纜規格參數均大致相當，因此基本上可排除上述原因1）。

該事故項目中的深潛泵軟電纜為圓形橡膠護套軟電纜，絕緣材質為乙丙橡膠，滿足德國電氣工程師協會0250標準的要求。該軟電纜適合在絞車上簡易繞卷，相關證書齊全，故基本上可排除上述原因2）。

該事故項目為新造海工平臺項目，相關電纜不存在長期磨損的問題。除非刻意破壞，電纜外護套一般不會破損。海工平臺項目在設備通電之前通常會進行機械完工檢查，對設備和電纜的安裝情況進行檢查。若軟電纜外護套有損傷，會在該階段被發現，因而基本上可排除上述原因3）。

由于電纜自身的電阻特性，在長時間運行時，由于電纜的電效應，電纜上的部分電能會轉化為熱能。多層電纜疊加敷設之后，由于其自身結構的差異性，加上路徑長度的差別，集聚敷設的電纜會因集膚效應和鄰近效應而使單位截面的電纜載流量減小，導致各電纜回路的電流分配嚴重不平衡，此時個別電纜回路處于超載過熱狀態。結合圖2可知，電纜燒毀部位位于平臺主甲板電纜絞車處。電纜絞車的電纜通常不應超出絞車兩側邊緣，而圖2中的電纜均已超出電纜絞車邊緣外側，說明電纜絞車實際收納和存儲的電纜容量超標，存在多層電纜集聚敷設的情況。由于電纜絞車存在多層電纜集聚敷設的情況，個別回路必然處于超載過熱狀態。

該事故項目中與深潛泵配套的電纜為特殊的軟電纜，外護套的材質為乙丙橡膠。隨著溫度的下降，該絕緣材料的表面會變硬；當溫度達到某一臨界值時，材料表面會變脆。結合圖2可知，軟電纜的部分顏色變黑，表面出現龜裂現象。當軟電纜持續在高溫環境下運行，其表面溫度超過正常使用溫度時，外護套絕緣層受到破壞，護套的顏色變黑，絕緣性能下降。當溫度下降至臨界溫度之后，軟電纜表面會變硬變脆，甚至出現龜裂現象，絕緣性能喪失。

另外，經多方求證發現，該事故發生在深潛泵負荷試驗過程中。在進行該試驗時，電纜絞車上的軟電纜固定繞卷在電纜絞車上，并在100%負荷下連續運行4h。在實際工況下，全平臺配置2臺深潛泵和1臺預壓載泵，工況為間斷運行；在連續運行工況下，電纜絞車上的軟電纜根本無法周期性散熱，長時間連續運行勢必會導致大量的熱量集聚超載。

因此，通過上述分析可知：由于該項目的深潛泵電纜絞車規格與深潛泵電纜不匹配，導致電纜絞車容量超標，存在軟電纜多層敷設的情況，導致軟電纜的載流能力下降；在長時間連續運行過程中，局部軟電纜超載過熱，超出了軟電纜護套的保護能力范圍，導致軟電纜外護套絕緣遭到破壞，從而引發電纜燒毀事故。

2 同類項目選型驗證

受成本等因素影響，電纜絞車通常由第三方舾裝件廠家提供。若不熟悉平臺相關參數、運行工況和具體安裝位置等信息，同時缺乏與相關廠家溝通，極易出現深潛泵軟電纜在電纜絞車上超標敷設的情況，造成兩者不匹配，在極端環境和使用條件下引發事故。上述事故正是兩者不匹配造成的，因此非常有必要對同類型項目進行選型驗證，確保不存在類似問題。

2.1 軟電纜選型驗證

電纜選型驗證主要檢驗電纜的載流量是否滿足設備的使用要求。在熱穩定條件下，當電纜導體的溫度達到長期允許的工作溫度時，對應的電流載流量就稱為長期允許載流量。在電纜實際運行過程中，電纜的載流量受工作溫度、環境溫度和敷設方式等多種因素的影響。

對于多層集聚敷設的電纜而言，電纜相與相之間和回路與回路之間會互相影響散熱，使載流能力下降，下降程度與電纜回路數、排列方式、間距和通風條件等都有關系。因此，在計算成束敷設電纜的載流能力時，需根據現場環境和電纜敷設方式等實際情況，計算得到載流能力的修正系數，從而對電纜的載流能力進行準確評估。

根據IEC 60287的規定，單回路自由空氣中敷設的電纜恒定負荷下的穩態載流量

I

為

式(1)中：

Δθ

為高于環境溫度的導體溫升；

R

為最高溫度下導體單位長度的交流電阻；

W

為導體絕緣單位長度的介質損耗；

n

為電纜中載有負荷的導體數；

T

為導體與金屬套之間單位長度的熱阻；

T

為金屬套與鎧裝之間內襯套單位長度的熱阻；

T

為電纜外護套單位長度的熱阻；

T

為電纜表面與周圍介質之間單位長度的熱阻；

λ

為電纜金屬套損耗相對于所有導體總損耗的比率；

λ

為電纜鎧裝損耗相對于所有導體總損耗的比率。自由空氣中多回路集聚敷設電纜載流量

I

的計算公式為

式(2)中：

I

為自由空氣中單回路電纜的額定載流量；

f

為狹小空間集聚敷設的溫度修正系數；

f

為電纜多層集聚敷設的敷設修正系數。由于空氣溫升與電纜敷設空間尺寸和全部電纜的損耗功率有關，根據IEC 60287的規定，電纜溫度修正系數

f

的計算公式為

式(3)中：

θ

為允許的最高工作溫度；

θ

為空氣溫度；

θ

為環境溫度。通過查閱電纜樣本資料可知，軟電纜正常工作情況下允許的最高工作溫度

θ

＝90℃，正常工作環境溫度b

θ

＝30℃，根據式(3)計算出不同空氣溫度下的修正系數

f

見表1。

表1 軟電纜溫度修正系數

為保證軟電纜護套材料具有良好的絕緣性能，當軟電纜在電纜絞車上固定敷設時，軟電纜的工作溫度限制在－50～80℃范圍內，最高允許工作溫度為90℃，在該溫度下僅能短時運行。

關于多層集聚敷設電纜的敷設修正系數，由于電纜絞車的敷設方式與傳統的電纜敷設方式不同，其計算也不相同。通常情況下，電纜絞車上的軟電纜存在周期敷設和非周期敷設2種工況。周期敷設即隨著設備的運轉，軟電纜在電纜絞車上不斷繞卷；非周期敷設方式即軟電纜在電纜絞車上繞卷后固定不動。在非周期敷設情況下，軟電纜能周期性地在設備閑置時得到充分散熱，因此周期敷設時的敷設系數比非周期敷設時的敷設系數大。在驗證平臺項目時，出于安全考慮，多采用非周期敷設方式。非周期敷設方式的電纜絞車多應用于煤礦行業，其中美國煤礦安全和健康委員會（Mine Safety and Health Administration, MSHA）推薦的非周期運行絞車上軟電纜的敷設修正系數見表2。項目中軟電纜廠家推薦的軟電纜敷設修正系數見表3。

表2 MSHA推薦的軟電纜敷設修正系數

表3 軟電纜廠家推薦的軟電纜敷設修正系數

通過對比可知，軟電纜廠家提供的單層和雙層敷設修正系數相比MSHA推薦的修正系數更為保守，因此在進行驗證計算時，選用軟電纜廠家推薦的修正系數計算。

查閱深潛泵的設備資料發現，深潛泵馬達的額定功率為125kW，電壓為480VAC，對應的額定電流為212A。計算軟電纜穩態載流量的過程較為復雜，這里不再展開研究。單回路自由空氣中敷設的電纜恒定負荷下的穩態載流量

I

等效于電纜的額定電纜載流量，而驗證項目中深潛泵選用的軟電纜的額定載流量為352A。另外，根據項目規格書的要求，主甲板的設備環境空氣溫度

Tθ

=45°，因此根據表1，對應的溫度系數

f

＝0.87。根據式(2)：當采用單層敷設方式時，修正后的電纜載流量

I

＝245A，大于212A；當采用2層敷設方式時，修正后的電纜載流量

I

＝187A，小于212A。

因此，可得電纜驗證結論：當電纜絞車的軟電纜采用單層敷設方式時，實際電纜載流量大于深潛泵的額定載流量，滿足項目的需求；當電纜絞車的軟電纜采用2層敷設方式時，實際電纜載流量小于深潛泵的額定載流量，不滿足項目的需求。

2.2 軟電纜長度選型驗證

軟電纜是由深潛泵廠家統一提供的。若軟電纜配置過短，則在某些工況下無法正常使用，不滿足設計需求；若軟電纜配置過長，則不經濟。因此，在驗證電纜絞車之前需對軟電纜的長度選型進行驗證。

首先通過查閱資料得知驗證項目中深潛泵的軟電纜總長為130m。根據驗證平臺的特性：當平臺處于漂浮工況（見圖3）時，平臺主要從左右海底門處抽取海水，此時深潛泵作為供應海水的輔助方式之一；當平臺處于升樁工況時，布置于平臺側的海底門和預壓載泵的吸口均脫離水面，此時海水僅由深潛泵供給。當平臺處于漂浮工況時，深潛泵的電纜在電纜絞車中應為最短。因此，深潛泵電纜的長度至少需滿足平臺漂浮工況下的電纜長度要求。

圖3 平臺漂浮工況

當平臺處于漂浮工況時，深潛泵塔的高度為60.254m，泵塔頂部到主甲板的高度為59m。由于深潛泵的電纜為特殊軟電纜，為防止因過度彎曲而破壞電纜護套的絕緣性能，在泵塔頂部按電纜的最小彎曲半徑將軟電纜卷成一個小圈之后，自然下垂至主甲板。通過查閱相關資料得知該電纜的最小彎曲半徑為10

D

（

D

為軟電纜的最大外徑）。經查閱資料得到

D

＝0.057m，計算后得出小圈的長度大致為3.6m。另外，深潛泵軟電纜的出口位于泵的吸口附近。主甲板上電纜自由敷設的長度按2m設計。綜上，大致計算出平臺漂浮工況下電纜的長度約為125m。考慮到留出部分余量，驗證項目的深潛泵軟電纜選型長度130m滿足設計需求。

2.3 電纜絞車驗證

電纜絞車驗證主要是檢驗在各種工況下，平臺軟電纜在電纜絞車上是否存在超標敷設的情況。當平臺處于最大氣隙（即平臺最大設計工作高度）工況時，深潛泵軟電纜在電纜絞車上的長度應為最長。因此，在驗證電纜絞車時只需校核此工況下的電纜容量是否滿足要求即可。平臺最大氣隙工況見圖4，此時平臺設計的最大氣隙高度為33.5m，平臺自身高度為9.45m，主甲板上軟電纜自由敷設長度按2m設計。綜上，大致計算出最大氣隙工況下電纜絞車上電纜的長度約為63m。因此，電纜絞車的電纜安全容量至少為65m。通過查閱電纜絞車相關資料，得到驗證項目的電纜絞車形式見圖5。

圖4 平臺最大氣隙工況

由圖5可計算出驗證項目的電纜絞車在采用單層敷設方式時的電纜容量為52m。

圖5 項目電纜絞車原始方案

該電纜絞車的電纜容量為52m，小于采用單層敷設方式時要求的安全容量65m，因此部分電纜只能采用2層敷設方式。結合前面的軟電纜選型驗證結論，當電纜絞車采用2層電纜敷設方式時，實際軟電纜的載流量小于深潛泵的額定載流量，無法滿足平臺的正常使用要求。因此，驗證項目的電纜絞車不滿足該項目的設計需求。

3 同類項目的處理對策

在獲取事故項目信息時，項目的電纜絞車已安裝完畢。通過上述驗證可知，該驗證項目的電纜絞車無法滿足需求，必須增加電纜絞車的電纜容量，在現場有限的空間內對電纜絞車進行加寬或加高處理。經過3D模型預覽和實地測量，部分區域的現場環境較為復雜，特別是右后樁腿區域的電纜絞車上方布置有高壓泥漿管，高度限制僅為2.2m。該高壓泥漿管為進口設備，由于訂貨周期和數量等因素限制，無法對泥漿管路徑進行修改。因此，此處只能對電纜絞車進行局部加寬處理。加寬之后的電纜絞車涉及主甲板基座的修改。電纜絞車底部為已完成特種涂裝作業的壓載水艙，此處主甲板表面無法直接進行燒焊作業。考慮到上述因素的限制，利用原電纜絞車底部的腹板重新設計一個新基座焊接在原腹板上，用于承載修改后的電纜絞車，避免破壞壓載水艙的油漆涂層。此處電纜絞車修改方案見圖6，修改之后的效果見圖7。此處電纜絞車由650mm加寬至850mm，采用水平單層敷設方式，可敷設14圈電纜，電纜容量為66m。因此，修改之后的電纜絞車的電纜容量滿足單層敷設方式下的設計需求。

圖6 水平單層敷設的電纜絞車修改方案

圖7 右后樁腿區域修改之后的效果

針對其他區域的電纜絞車，由于空間較為充裕，特別是高度無限制，因此采用豎直單層敷設方式修改，具體見圖8。電纜絞車按豎直單層敷設方式敷設14圈電纜之后，電纜容量約為68m，也符合項目的使用需求。該方式相比水平單層敷設方式，不僅更節省空間，而且無需安排額外人員排纜，方便實用。

圖8 豎直單層敷設的電纜絞車方案

經過相關的修改工作，電纜絞車滿足設計要求，項目最終安全交付。

4 結 語

在進行平臺項目深潛泵系統設計選型時，需注意以下幾點：

1) 需對平臺工況、設備的使用和環境等因素有充分的了解，設備選型結束之后，需根據泵和電纜相關參數進行必要的驗證；

2) 設計電纜絞車時盡量減少電纜的敷設層數，盡量根據現場安裝空間選擇水平單層或豎直單層敷設方式設計電纜絞車；

3) 由于綜合平衡的需要對電纜絞車進行位置變更之后，需對新位置的電纜絞車的容載量進行驗證。