水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜初步結(jié)構(gòu)設(shè)計

高 歡， 郭 宏， 孫科沸， 屈 衍， 郭 毅， 李 博

(1.上海電纜研究所，上海200093;2.中海石油研究中心，北京100027)

0 引言

臍帶纜在海洋工程中已經(jīng)應(yīng)用了近50年。上世紀60年代采用直接液壓控制形式，臍帶纜全部由管道組成，橫截面較大;到70年代，水下生產(chǎn)系統(tǒng)開始使用電液復(fù)合式，這時的臍帶纜已經(jīng)不再僅由管道組成，還包括了電纜和光纖等。根據(jù)工況的不同，臍帶纜可以選用非金屬管和不銹鋼管作為工作液體的輸送管道。目前，臍帶纜已被成功地應(yīng)用到淺水、深水和超深水領(lǐng)域，可以同時實現(xiàn)傳輸通信信號、電信號以及液體注入等，為水下開發(fā)和生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜的主要作用是連接上部模塊與水下生產(chǎn)設(shè)施。臍帶纜主要由電纜(動力纜或信號纜)、光纜(單模或多模)、液壓或化學(xué)藥劑管(鋼管或軟管)、聚合物護套、碳纖維棒或鎧裝鋼絲以及填充物等組成。其中的聚合物護套可以起到絕緣和保護的作用;碳纖維棒或鎧裝鋼絲可以增加軸向剛度和強度;填充物可以填充空隙和固定其它管線。

臍帶纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計不只是簡單地將各個單元羅列和排布，而應(yīng)根據(jù)工程應(yīng)用要求，同時考慮材料選擇、結(jié)構(gòu)分析、工藝設(shè)計、腐蝕性分析、熱場分析和力學(xué)分析，是多學(xué)科的集合。其中力學(xué)分析尤為重要，力學(xué)分析包括強度分析、極端水動分析和疲勞分析等，需要運用專門的軟件，如UFLEX、Aker Kvaerner等。力學(xué)分析和腐蝕性分析都比較復(fù)雜，本文不一一贅述。

1 國外臍帶纜分析

經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展，國外臍帶纜在設(shè)計、制造等方面都已經(jīng)比較成熟，并且已有較為系統(tǒng)的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗。以下通過對國外臍帶纜的結(jié)構(gòu)和材料的分析和總結(jié)，給水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜的設(shè)計提供一定的依據(jù)。圖1為國外典型臍帶纜結(jié)構(gòu)。

從圖1可以看出，國外臍帶纜的結(jié)構(gòu)紛繁多樣，不同的使用環(huán)境和用途具有不同的結(jié)構(gòu)，幾乎沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和式樣。但一般而言，臍帶纜由以下構(gòu)件組成:電單元、光單元、管單元、填充物和包帶、鎧裝層、護套等。下面分別介紹各構(gòu)件的功能以及材料的選擇。

2 初步結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

在工程應(yīng)用中，臍帶纜首先要考慮其功能要求，如輸送能源，傳輸信號或輸送液體;在此基礎(chǔ)上保證滿足力學(xué)性能和環(huán)境條件要求。臍帶纜的受力狀況包括敷設(shè)和在位過程中受到環(huán)境荷載和功能荷載的作用，甚至一些意外荷載的作用等;環(huán)境條件包括溫度、日光和介質(zhì)等。

圖1 國外典型臍帶纜結(jié)構(gòu)

在對臍帶纜的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、應(yīng)用實例等充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，借鑒國外水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗，以典型海洋環(huán)境條件為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，考慮水位、風(fēng)、浪、流、溫度等環(huán)境因素對臍帶纜的影響，進行臍帶纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計。臍帶纜初步結(jié)構(gòu)設(shè)計后還要進行整體分析和足尺試驗，最終確定臍帶纜結(jié)構(gòu)。

3 臍帶纜結(jié)構(gòu)初步設(shè)計

臍帶纜初步結(jié)構(gòu)設(shè)計包括電單元、光單元、管單元和外護層設(shè)計。

3.1 電纜單元

電纜單元由導(dǎo)體、絕緣、填充和護套等組成。外護套宜采用擠壓式擠出，以使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。圖2為電纜單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 電纜單元結(jié)構(gòu)示意圖

為使導(dǎo)體柔軟且不易斷裂，導(dǎo)體采用多股銅絲絞合而成。根據(jù)ISO 13628-5規(guī)定，如果采用絞合線，每根導(dǎo)線至少應(yīng)由7股構(gòu)成。

電纜通電以后，導(dǎo)體要發(fā)熱，因此，比較理想的絕緣材料應(yīng)有良好的絕緣性能和導(dǎo)熱性能。目前常用的絕緣材料有聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)和交聯(lián)聚乙烯(XLPE)。PVC是熱塑性材料，機械性能在很大程度上取決于聚合物的結(jié)晶體。在電和熱的作用下，尤其是電纜在過電流或短路故障時，溫度升高可能使內(nèi)部產(chǎn)生軟化變形，導(dǎo)致絕緣性能降低。PE是一種熱塑性塑料，耐水性、耐老化性能優(yōu)良，但是隨溫度升高PE的擊穿場強逐漸降低，當(dāng)溫度超過60℃后，其擊穿場強急劇下降，并且溫度的升高會降低PE的力學(xué)性能。XLPE是利用化學(xué)或物理方法，使PE分子由線性分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹黧w網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)，即熱塑性的PE轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁绦缘腦LPE，從而大大提高它的耐熱性和機械性能，減少收縮性，使其受熱后不再熔化，并保持優(yōu)良的電氣性能。與等截面的PVC絕緣電纜相比，XLPE絕緣電纜的截流量可提高約25%。

由于XLPE絕緣綜合性能比PVC絕緣強，按照IEC 60502-2(ISO 13628-5引用了IEC 60502-2標(biāo)準(zhǔn)的條款)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，允許XLPE絕緣的厚度比PVC絕緣的厚度薄，因此，XLPE絕緣電纜比PVC絕緣電纜重量輕，直徑小，耐熱好，負載能力強，不熔化，耐化學(xué)腐蝕，且機械強度高，安裝敷設(shè)方便，附件接頭簡單，是比較理想的絕緣材料。

3.2 光纜單元

光纜單元一般由光纖、油膏、松套管、襯層、鎧裝和護套組成。圖3為光纜單元結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 光纜單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 光纖、油膏及金屬松套管

由于靜態(tài)纜的長度常常在10 km以上，因而光纖采用非色散位移單模光纖(G.652D)。

油膏有以下幾個作用:可以有效地阻止水份的進入，以防止光纖暴露于空氣中受到損害;有較好的隔熱作用，可以防止瞬間溫度變化給光纖帶來的損害;使光纖懸浮于鋼管中，防止光纖受到鋼管的損傷，且使光纖在任何時候保持穩(wěn)定的位置和狀態(tài)。但是油膏不能完全避免氫氣的損害。光纜內(nèi)的氫氣可能來源于:從光纜構(gòu)件中釋放出來的氫，包括與材料長期老化作用有關(guān)的氫;填充油膏時泵入光纜中的壓縮空氣內(nèi)含的氫;鋼管在有潮氣時的腐蝕作用產(chǎn)生的氫氣;細菌引起的生物腐蝕等。因此，金屬松套管內(nèi)宜用吸氫油膏來有效降低氫損。

金屬松套管多在要求高耐側(cè)壓、耐火或具有較強的耐腐蝕性的條件下應(yīng)用，如光纖復(fù)合架空地線(OPGW)、耐火光纜和海纜等。金屬松套管一般為不銹鋼材帶氬弧焊縱向焊接而成，管內(nèi)含有阻水油膏和光纖，單管內(nèi)光纖數(shù)量可達48芯，管內(nèi)光纖余長不小于7‰。

3.2.2 光纜單元鎧裝及護套

ISO 13628-5:2000規(guī)定，光纜設(shè)計應(yīng)提供防止光纖拉伸和斷裂的機械防護，拉伸和斷裂防護可采用外部鎧裝的方法。選用鍍鋅鋼絲作為光纜單元鎧裝材料較為合適。在實際使用過程中為了光纜單元使用時不會退扭，采用雙層鍍鋅鋼絲反向絞合。

光纜護套是光纜單元的主要組成部分，其質(zhì)量的好壞，選用的適當(dāng)與否，直接影響光纜的使用壽命。在深水下工作的臍帶纜的護套需有優(yōu)異的防腐性能以及耐海水能力。由于高密度聚乙烯(HDPE)具有優(yōu)良的耐臭氧性、耐熱老化性與熱變形性、耐寒性、耐酸性與耐堿性，且吸水量 ＜0.01%，因此HDPE適合作為光單元的護套材料。

3.3 管單元

3.3.1 鋼管簡介

管單元的作用是為水流體和化學(xué)注入流體(防腐劑、水合物抑制劑、甲醇等)提供通道，同時也被用于排泄井口產(chǎn)出的液體。

面對深水海水侵蝕、低溫和外壓的挑戰(zhàn)，金屬鋼管由于其優(yōu)良的抗壓潰能力、抗海水侵蝕能力、優(yōu)良的高低溫力學(xué)性能、易加工性和易連接性，成為中等或更深的海水中應(yīng)用的臍帶纜管單元材料的理想選擇。

在進行臍帶纜內(nèi)部鋼管構(gòu)件材料的設(shè)計時，應(yīng)充分考慮到力學(xué)強度、海水腐蝕、焊接操作與價格等因素的影響，并基于這些要求進行材料設(shè)計。

目前，適合作為海底臍帶纜金屬管單元材料的不銹鋼主要有316L、904L奧氏體不銹鋼，SAF2205等雙相不銹鋼及超級雙相不銹鋼等。碳鋼和低合金鋼管需要大量的除銹劑沖洗，同時進行化學(xué)鈍化處理，且鋼管彎曲可能引起流體外溢。基于上述原因，碳鋼和低合金鋼用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜的管單元具有較高的風(fēng)險，在不能提供良好的外防腐層和陰極保護的條件下，深水用臍帶纜目前仍以不銹鋼管為主，較少采用碳鋼。

316L不銹鋼的最大碳含量為0.03，其耐晶間腐蝕性能優(yōu)良，但由于316L不銹鋼在海水中有一定的使用限制，且耐縫隙腐蝕能力弱于成本接近的雙相不銹鋼，液壓液和海水混合后也能夠?qū)?16L不銹鋼造成侵蝕，因此限制了316L在海底臍帶纜中的大規(guī)模應(yīng)用。

雙相不銹鋼是微觀組織由鐵素體和奧氏體兩相組成的材料，兩相各占約50%，因此，雙相不銹鋼兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點，與鐵素體相比，塑性、韌性更高，無室溫脆性，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高，與奧氏體不銹鋼相比，強度高且耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕有明顯提高。

雙相不銹鋼一般可分為三類:第一類低合金型，代表牌號UNSS 32304，鋼中不含鉬，點蝕系數(shù)PREN 24～25，耐應(yīng)力腐蝕方面可代替AISI 304或是316使用;第二類中合金型，代表牌號UNSS 31803(即SAF2205)，點蝕系數(shù)PREN 32～33，耐蝕性能介于AISI 316L和6%Mo+N奧氏體不銹鋼之間;第三類高合金型，一般含25%Cr(即SAF 2507)，可使用于苛刻的介質(zhì)條件，具有良好的耐蝕與力學(xué)綜合性能，可與超級奧氏體不銹鋼相媲美。

基于上述分析，深水的臍帶纜，其金屬管單元應(yīng)選用雙相不銹鋼為宜，既足以抵抗內(nèi)部液壓介質(zhì)混入海水后的腐蝕，也足以抵抗外部海水侵蝕。在設(shè)計壽命20年、外部有 PE防腐層的情況下，選用25Cr超級雙相不銹鋼是可行的方案。

3.3.2 鋼管壁厚設(shè)計

ISO 13628-5:2000規(guī)定，壁厚計算包括內(nèi)外腐蝕余量，最小壁厚，最大內(nèi)徑，內(nèi)、外最大允許管偏差，材料最小屈服強度。應(yīng)力計算應(yīng)同時考慮以下三向應(yīng)力的組合:環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力以及徑向應(yīng)力。由于管道內(nèi)輸送液體的距離較長，因此需要對液體施加很大的壓力，一般在30 MPa以上，深海臍帶纜常在數(shù)百甚至數(shù)千米水深中應(yīng)用，管道在承受內(nèi)部液體壓力的同時也承受很大的外部壓力，還要考慮功能和環(huán)境載荷對管道的作用，因此需進行管道內(nèi)壓、外壓以及拉力等荷載作用下的應(yīng)力計算。

(1)環(huán)向應(yīng)力

式中，σh為環(huán)向應(yīng)力;p為最大試驗壓力(為工作最大壓力的1.25倍);D為鋼管外徑;t為鋼管厚度。

(2)徑向應(yīng)力

內(nèi)壓、外壓所分布的徑向應(yīng)力?？紤]最大壓力，見式(2)。

式中，σr為徑向應(yīng)力(MPa)。

(3)軸向應(yīng)力

直接拉伸荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，見式(3)

式中，σl為軸向應(yīng)力;F為軸向拉力;A為鋼管面積。

伸力主要由鎧裝鋼絲承擔(dān)，鋼管也會承擔(dān)一部分，但承擔(dān)的比例隨鎧裝鋼絲絞合角度的變化而變化。

(4)等效應(yīng)力-壁厚關(guān)系

管最小壁厚應(yīng)考慮全部荷載下的等效應(yīng)力，防止鋼管的屈服。根據(jù)Von.Mises屈服準(zhǔn)則，對正應(yīng)力和剪應(yīng)力進行組合，見式(4)。

式中，σe為等效應(yīng)力。

將 σr、σl、σh的具體表達式代入式(4)，不難發(fā)現(xiàn)，最后σe的表達式中只有厚度t一個變量，兩者的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 等效應(yīng)力-壁厚關(guān)系圖

而等效應(yīng)力須滿足材料的要求，即:σe≤γσy。按照ISO 13628-5規(guī)定，等效應(yīng)力設(shè)計系數(shù)γ取值如表1所示。

表1 γ取值表

不同材料的屈服強度σy值如表2所示。

表2 各種材料屈服強度取值表

根據(jù)表1(取保守系數(shù)0.67)與表2，用σe≤γσy可以得到等效應(yīng)力的上限，再通過等效應(yīng)力-壁厚關(guān)系圖，便可得到鋼管厚度應(yīng)滿足的范圍。

3.4 臍帶纜外護層

臍帶纜外護層主要包括鎧裝和護套，鎧裝主要起加強作用，給臍帶纜提供抗拉、抗扭和抗壓保護。護套的作用是提供機械緩沖、減小摩擦，使纜圓整、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等。在深海下工作的臍帶纜的護套需有很好的防腐性能以及耐海水能力等，可采用HDPE、改性的聚氨酯或尼龍等材料作為護套材料。

基于其他海纜和國外經(jīng)驗，可選用鍍鋅鋼絲作為鎧裝材料。因為在被保護的鋼絲表面，鍍一層比基體鋼絲電極電位更低的金屬鋅，不僅可使鋼絲與電解質(zhì)隔離，防止鋼絲表面受化學(xué)腐蝕作用，同時起到電化學(xué)保護作用，保護基體。在海水中，高純鋅的穩(wěn)定電位在－1.06 V(SHE)。鋅的腐蝕與介質(zhì)的pH值有關(guān)，當(dāng)pH值小于6時，鋅有較大的溶解速度。pH值在6～12之間時，鋅的自溶性不大。當(dāng)鍍鋅鋼絲浸在pH值為7～9的海水中，熱力學(xué)上唯一可能的過程是鋅溶解成為氫氧化鋅，它是不溶性的，集聚在鋅的表面上，阻止了鋅本身的溶解。在鋅的表面上形成碳酸鹽或硫化物，這些物質(zhì)都會促成鋅的鈍化。

ISO 13628-5:2000規(guī)定，各鎧裝金屬線所受拉力應(yīng)均勻，當(dāng)纜的拉力從零變到最大軸向工作載荷時，應(yīng)限制其旋轉(zhuǎn)，為了纜的設(shè)計壽命，鎧裝需提供必要的抗拉強度、軸向延伸率、彎曲韌性和重量。鋼絲的具體力學(xué)性能見表3。

利用力學(xué)方法進行電纜的拉力計算較為復(fù)雜，式(5)給出了最小拉斷力的簡便計算式。允許的最大拉力的取值一般為最小拉斷力的50%。

式中，F(xiàn)為抗拉力;A為所有抗拉元件的面積之和;E為抗拉強度;δ為系數(shù)，指光纖不受力時臍帶纜的張力值達到拉斷力的程度。

4 成纜及鎧裝絞合應(yīng)注意的問題

成纜和鎧裝絞合都應(yīng)在籠絞機上進行。籠絞也叫行星式絞合。鋼管的最小彎曲半徑要求比較大，因而放線盤直徑一般在3 m以上。由于放線盤直徑較大，成纜一般在立式成纜機上完成。鎧裝鋼絲絞合除了要退扭，還要預(yù)成型(也稱預(yù)扭)。預(yù)成型即鋼絲在絞合之前先通過預(yù)成型裝置而形成與纜芯外徑相配的螺旋狀。預(yù)成型后的鋼絲再絞合到纜芯上便能與纜芯貼合得非常好，甚至鋸開臍帶纜端面都不會散開或輕微散開后能輕松復(fù)原。這一環(huán)節(jié)可有效避免臍帶纜因反復(fù)彎曲和反復(fù)收放而產(chǎn)生的問題。對于雙層鎧裝結(jié)構(gòu)，鎧裝鋼絲應(yīng)一次性正反向同時絞合成型，以避免外層鋼絲絞合時內(nèi)層鋼絲松散。

表3 鋼絲力學(xué)及工藝性能

成纜或鋼絲鎧裝絞合節(jié)距的選擇比較重要，應(yīng)同時考慮臍帶纜的各功能元件的有效性、力學(xué)性能和工藝加工性能。節(jié)距的大小會直接影響臍帶纜的整體拉伸剛度和彎曲剛度，從而也影響了抗拉強度和最小彎曲半徑這兩個重要的力學(xué)性能。另外，鎧裝鋼絲可根據(jù)功能要求、設(shè)備能力(如盤數(shù)、盤徑等)、鋼絲強度以及絞合節(jié)距等來選擇。兩層鎧裝的根數(shù)和角度應(yīng)使得纜盡可能保持扭轉(zhuǎn)平衡，其中角度和根數(shù)應(yīng)滿足扭轉(zhuǎn)平衡方程式(6)。

式中，1為內(nèi)層;d為外層;n為根數(shù);A為面積;R為絞合半徑;S為屈服應(yīng)力。

5 設(shè)計結(jié)果

臍帶纜截面布局設(shè)計是一個循環(huán)往復(fù)的過程，需要反復(fù)設(shè)計和修改。首先根據(jù)所掌握的各構(gòu)件的材料性能和功能要求以及各構(gòu)件的工藝可行性進行初步的截面設(shè)計，然后根據(jù)實際工況要求進行力學(xué)計算，通過力學(xué)計算來初步判斷各單元位置和結(jié)構(gòu)尺寸是否符合力學(xué)要求，并利用力學(xué)計算中得出的外徑重量比等參數(shù)，對初步截面設(shè)計進行修正，之后再進行力學(xué)計算，循環(huán)數(shù)次，初步得到符合要求的臍帶纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計。臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計程序見圖5。

圖5 臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計程序簡圖

6 結(jié)束語

水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜的設(shè)計不是簡單的功能單元的羅列，在符合性能要求和應(yīng)用工況的前提下，應(yīng)綜合考慮材料選擇、結(jié)構(gòu)尺寸、生產(chǎn)工藝和力學(xué)性能等的相互關(guān)系，結(jié)合試驗設(shè)計和試驗驗證，同時研究電、磁、熱場以及腐蝕對臍帶纜性能的影響，進而修改初步結(jié)構(gòu)設(shè)計。當(dāng)數(shù)據(jù)積累到足夠多時，再進行結(jié)構(gòu)、制造、敷設(shè)、運行和維護等仿真模擬技術(shù)的研究，最終形成整套解決方案。