國內(nèi)外臍帶纜技術(shù)研究現(xiàn)狀及在我國的應用展望＊

郭 宏 屈 衍 李 博 王 玨

（中海油研究總院）

國內(nèi)外臍帶纜技術(shù)研究現(xiàn)狀及在我國的應用展望＊

郭 宏 屈 衍 李 博 王 玨

（中海油研究總院）

介紹了國內(nèi)外水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并針對我國深海油氣田開發(fā)的實際需求和在臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究所取得的主要進展，提出了發(fā)展我國臍帶纜技術(shù)的建議。

臍帶纜 研究現(xiàn)狀 應用展望

作為水下控制系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分之一的水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜，是連接上部設施和水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間的“神經(jīng)和生命線”[1]。臍帶纜在海洋工程中的應用已有近50年的發(fā)展歷史，并已成功地應用到了淺水、深水和超深水領(lǐng)域。我國對于臍帶纜的研究起步較晚，在水下臍帶纜的研究、設計及制造領(lǐng)域與國際先進水平存在較大差距。目前，我國流花11－1、陸豐22－1、惠州32－5、惠州26－1N 油田使用的臍帶纜產(chǎn)品全部依賴進口，這在一定程度上制約了我國深海油氣田的開發(fā)。因此，開展水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究，建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)體系，將有效提升我國在深海油氣開發(fā)裝備方面的自主研發(fā)能力，對我國南海深水油氣田的開發(fā)以及保障我國能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 臍帶纜系統(tǒng)概述

最早的臍帶纜出現(xiàn)于上個世紀60年代，使用于殼牌公司1961年在墨西哥海灣建造的第一個水下生產(chǎn)系統(tǒng)中。早期的臍帶纜管道采用熱塑性軟管，但隨著水深增加，逐漸暴露了壓潰、水密性差等問題，因此金屬管被引入臍帶纜中。從上世紀90年代開始，鋼管臍帶纜受到了越來越多的關(guān)注，它能較好地解決熱塑性軟管在較深水域存在的問題，適合在深水中使用。目前，臍帶纜應用的最大水深為2743 m，是在墨西哥灣TIGER油田鋪設的鋼管臍帶纜，它于2009年1月1日開始安裝并運行；鋪設長度最長的臍帶纜是2005年Nexans公司為挪威國家石油公司Sn?hvit天然氣田生產(chǎn)的143 km單根大長度的臍帶纜。

臍帶纜的主要作用包括：①為水下閥門執(zhí)行器提供液壓動力通道；②為控制盒和電動泵等提供電能；為水下設施和油井提供遙控及監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸通道；③為油井提供所需流體（如甲醇和緩蝕劑等化學藥劑）。圖1是典型的鋼管、軟管臍帶纜的截面結(jié)構(gòu)圖，可以看出臍帶纜除了具有電纜（動力纜或信號纜）、光纜（單?；蚨嗄＃⒁簤夯蚧瘜W藥劑管（鋼管或軟管）等功能單元外，還包含聚合物護套、鎧裝鋼絲或碳纖維棒以及填充物，其中聚合物層可以起到絕緣和保護的作用，鎧裝鋼絲可以增加軸向剛度和強度，而聚合物填充物可以填充空白位置和固定其它單元位置。

圖1 典型的鋼管、軟管臍帶纜示意圖[2－3]

根據(jù)使用的環(huán)境條件，臍帶纜通?？煞譃閯討B(tài)臍帶纜和靜態(tài)臍帶纜（圖2），鋪設在海底的部分稱為靜態(tài)臍帶纜，而由上部設施引出的在海水中的部分稱為動態(tài)臍帶纜。在設計臍帶纜時，應明確是用于動態(tài)還是靜態(tài)情況，因為動態(tài)臍帶纜在安裝、在位過程中一直受到流、波浪、浮體運動作用，必須進行系統(tǒng)詳細的局部和整體力學分析來保證其在壽命周期內(nèi)安全運行，而靜態(tài)臍帶纜一般需要考慮海底穩(wěn)定性問題。

圖2 典型的動、靜態(tài)臍帶纜示意圖

臍帶纜在種類上一般可以分為4類：①熱塑軟管臍帶纜主要指臍帶纜中的輸液管由熱縮軟管組成（圖3a）；②鋼管臍帶纜主要是指臍帶纜中的輸液管線由鋼制金屬管組成（圖3b）；③電力臍帶纜主要是為水下液氣分離、泵送、多相流混輸、壓縮機等大功率電力設備輸送電能（圖3c）；④綜合服務臍帶纜是將油氣輸送的生產(chǎn)管與臍帶纜結(jié)合起來的一種臍帶纜。它是以海底束技術(shù)的設計原則為基礎，將液壓管與電纜或光纖在一個復合截面上相結(jié)合，且用獨特的聚氯乙烯型材分離各個元件（圖3d）。

圖3 臍帶纜 分類[3－4]

2 國外臍帶纜技術(shù)研究現(xiàn)狀

（1）設計規(guī)范 目前，臍帶纜在設計、制造、測試等方面所遵循的規(guī)范主要為ISO13628－5。該規(guī)范規(guī)定了水下控制系統(tǒng)、化學藥劑注入、氣舉、公用和供電控制臍帶纜及相關(guān)的附屬設備的設計、材料選擇、制造、設計驗證、測試、安裝和操作要求，并給出了推薦作法。

（2）截面設計 臍帶纜截面設計主要圍繞滿足液壓、化學藥劑注入、電力、控制及傳輸信號等功能要求，對其電單元、光單元及管單元進行設計，還要在服役的環(huán)境中滿足海洋環(huán)境、壽命以及在動靜態(tài)工作狀態(tài)下臍帶纜承受拉伸、彎曲、疲勞等力學要求。其中，電單元截面設計應根據(jù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)用電負荷決定其電纜橫截面積以及絕緣厚度；光纖單元截面設計應根據(jù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量以及傳輸距離來確定是采用單模光纖還是多模光纖及其數(shù)量；管單元截面設計應根據(jù)傳輸介質(zhì)、傳輸距離、內(nèi)壓、外壓、拉伸及彎曲應力及其組合選擇材料和設計壁厚以確定管單元尺寸。在各單元尺寸確定后，對其進行截面布局設計，設計原則應盡量圓整、對稱、充實，這其中可以通過填充物、護套、鎧裝層達到所需的結(jié)構(gòu)和力學性能。

（3）力學分析 臍帶纜在安裝及在位運行中一直受到流、波浪、浮體運動等環(huán)境荷載作用，由于其本身自重因素，容易發(fā)生失效（包括拉伸失效、彎曲失效、過度扭轉(zhuǎn)失效以及疲勞失效），因此有必要對臍帶纜所受的動態(tài)極值和疲勞荷載進行分析，并驗證其力學性能滿足使用功能和環(huán)境要求。在力學分析時，應根據(jù)臍帶纜服役的環(huán)境基礎參數(shù)進行臍帶纜的極值荷載分析、海底穩(wěn)定性分析等，得出臍帶纜的重量外徑比、拉扭和彎曲性能等基本力學特性，在此基礎上，進一步進行臍帶纜的局部力學和整體線形設計與分析并確定臍帶纜線型，并確定臍帶纜與周圍立管及其他設施碰撞的可能性。

（4）制造技術(shù) 臍帶纜的制造一般是由功能單元制造開始的，首先是在立式或臥式成纜設備上以螺旋形式將各個功能單元絞合，然后對纜線加裝保護和屏蔽層（根據(jù)臍帶纜設計的要求，一般也會加入由金屬絲編制的金屬鎧裝層，用來保護臍帶纜），最后加裝最外一層保護，用以總體的防護。多單元成纜是臍帶纜制造的關(guān)鍵工序，需要立式或臥式成纜機、鋼絲鎧裝機、地轉(zhuǎn)盤主動收線系統(tǒng)完成臍帶纜制造，其中多單元多層次成纜技術(shù)和制造過程中各單元形變控制技術(shù)是臍帶纜制造技術(shù)難點。

（5）測試技術(shù) 臍帶纜測試的目的主要是驗證臍帶纜功能，包括3個方面的測試：①單元測試，包括對各功能單元，如光單元、電單元、軟管、鋼管等進行驗證試驗；②對臍帶纜整體的驗證試驗，包括拉伸、彎曲剛度、壓扁及疲勞試驗；③對臍帶纜的工廠驗收試驗，包括對外觀尺寸以及各部件的檢測。

（6）安裝技術(shù) 臍帶纜為柔性結(jié)構(gòu)，在儲存和運輸過程中一般放在轉(zhuǎn)盤或者卷筒上。臍帶纜的安裝通常為卷管鋪設，可分為水平鋪設和垂直鋪設，也可以直接采用臍帶纜鋪設船鋪設。在安裝過程中，主要需要考慮與臍帶纜最小彎曲半徑有關(guān)的因素，如工作半徑及容許張力、最大拉伸荷載、特殊附件如浮力塊安裝等。

（7）制造商及產(chǎn)品特點 目前臍帶纜供應商主要來自于歐美發(fā)達國家，這些供應商擁有較完備的設計理論與分析方法，開發(fā)了相應的專用分析軟件和測試系統(tǒng)，集設計、制造、試驗、安裝和監(jiān)測等于一體，長期向海洋石油領(lǐng)域提供臍帶纜。

①Oceaneering Multiflex公司 水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜主要供應商之一。該公司具備生產(chǎn)熱塑管、電纜、高抗壓潰柔性管、金屬管及其組合臍帶纜的能力。同時，還能夠生產(chǎn)修井臍帶纜、水下防噴器臍帶纜以及飛線臍帶纜，能夠提供相關(guān)配件。Oceaneering Multiflex生產(chǎn)的部分臍帶纜如圖4所示。

圖4 Oceaneering Multiflex生產(chǎn)的部分臍帶纜[5]

②耐克森（Nexans）公司 是全球領(lǐng)先的電纜制造商，以生產(chǎn)鋼制臍帶纜為主。1993年，該公司將超雙相不銹鋼管臍帶纜引入市場，并應用于Statfjord和Sleipner項目中；1995年，該公司又成功將動態(tài)超雙相不銹鋼管臍帶纜應用于墨西哥灣。該公司生產(chǎn)的臍帶纜單位質(zhì)量最大為135 kg/m，最大外徑為213mm。Nexans公司生產(chǎn)的部分臍帶纜如圖5所示。

圖5 Nexans公司生產(chǎn)的部分臍帶纜[4]

③Aker Solutions公司 該公司在Moss和Alabama兩個城市設有生產(chǎn)加工基地，所生產(chǎn)的臍帶纜有很多非鎧裝結(jié)構(gòu)，主要有鋼管臍帶纜、綜合生產(chǎn)臍帶纜和深水臍帶纜。Aker Solutions公司生產(chǎn)的部分臍帶纜如圖6所示。

圖6 Aker Solutions公司非鎧裝臍帶纜產(chǎn)品[2]

④Technip公司 該公司的臍帶纜生產(chǎn)制造是通過對DUCO公司并購實現(xiàn)的。DUCO公司成立于1958年，是世界上油氣工程的領(lǐng)導者，主要從事陸上、海上和海底生產(chǎn)設施的設計、制造（管線、平臺）和安裝。在臍帶纜制造能力方面，該公司在英國的Newcastle、美國的休斯頓和安哥拉的Lobito都設有生產(chǎn)加工基地，臍帶纜產(chǎn)品比較全面。DUCO公司生產(chǎn)的部分臍帶纜如圖7所示。

圖7 DUCO典型臍帶纜產(chǎn)品[3]

3 國內(nèi)臍帶纜技術(shù)研究現(xiàn)狀

長期以來，我國所使用的臍帶纜全部依賴進口，對這一方面的關(guān)鍵技術(shù)研究尚屬空白，這在一定程度上制約了我國深海油氣田的開發(fā)。2006年，中國海洋石油總公司與加拿大HUSKY能源公司聯(lián)合作業(yè)在南海珠江口盆地深水區(qū)LW3－1－1井獲得天然氣重大發(fā)現(xiàn)，吹響了我國油氣勘探向深水進軍的號角，同時在一定程度上帶來了對臍帶纜的需求。

在“十一五”期間，國家“863”計劃 “水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究”課題組采取產(chǎn)、學、研相結(jié)合的形式，針對南海典型環(huán)境開展了對臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)的研究，確定目標臍帶纜功能要求單元數(shù)量為10根（包括3根電纜單元、1根光纜單元和6根不銹鋼管單元），臍帶纜設計拉斷力鎧裝時為500～1400 k N，3根4芯6 mm2電纜額定電壓為600 V，1根光纜（有6根光纖）的光纖工作波長 為1310 nm，6根直徑12.7 mm不銹鋼管壓力等級為345 Bar。經(jīng)過近2年的研究攻關(guān)，已在臍帶纜標準規(guī)范、臍帶纜截面設計、臍帶纜力學理論分析、臍帶纜測試技術(shù)、臍帶纜制造技術(shù)等5個方面取得了實質(zhì)性的進展，相繼建立了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)體系。通過對目標臍帶纜各單元材料、腐蝕、制造工藝、填充物研究，初步明確了臍帶纜的結(jié)構(gòu)單元組成。在力學分析方面，以1500 m水深條件對臍帶纜的極值荷載、海底穩(wěn)定性進行了分析，得出了臍帶纜的質(zhì)量外徑比、拉扭和彎曲性能等基本力學特性，在此基礎上，進一步完成了目標臍帶纜的局部力學和整體線形設計與分析，包括疲勞分析、線形設計、干涉分析等。通過上述理論分析，明確了目標臍帶纜采用懸鏈線的線型，給出了較優(yōu)的目標臍帶纜截面布局（圖8），探索總結(jié)出了一套開展自主設計臍帶纜總體設計流程和力學分析方法（圖9）。

在臍帶纜制造方面，我們針對目標臍帶纜多單元復合成纜、多層次鎧裝、外徑尺寸大、長度長、質(zhì)量大等特點，對現(xiàn)有的制造設備進行了改造，在原立式成纜機基礎上增加了4個成纜機放線架和主、被動放線架，以實現(xiàn)多單元成纜及滿足放線張力要求。在制造過程中，針對目標臍帶纜出現(xiàn)表面“鯊魚皮”現(xiàn)象，反復摸索制造工藝，最終采用預加熱管的辦法解決了該問題，并于2010年12月7日完成了目標臍帶纜樣纜初樣試制（本次共制造初樣120 m左右），初樣試制的成功，不僅是對臍帶纜設計方法與制造能力的全面驗證，而且為下一階段工作打下了堅實的基礎。此外，我們還針對試制的初樣開展了拉彎疲勞測試裝置設計、臥式拉力試驗機改造及測試方法等方面的研究，并完成了初樣的性能測試。

4 應用展望

通過對臍帶纜在設計、制造、測試中的關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)，初步形成了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的臍帶纜設計技術(shù)體系，相關(guān)制造單位在動態(tài)海底電纜、臍帶纜等產(chǎn)品的研發(fā)制造能力得到了明顯提升，并引起了國內(nèi)外其他用戶的廣泛關(guān)注，已經(jīng)有印尼國家石油公司、CACT等多家單位與之簽署了動態(tài)電纜產(chǎn)品合同，目前電纜已運行供電，這在一定程度上打破了國外在動態(tài)電纜上的壟斷。隨著我國南海深水油氣田開發(fā)，對臍帶纜的產(chǎn)業(yè)化需求也十分迫切。為此，建議繼續(xù)深化研究工作，擴展現(xiàn)有研究范圍，擴大研發(fā)團隊規(guī)模，推進配套技術(shù)的研發(fā)，加快產(chǎn)業(yè)化步伐。

[1] 李長春，連璉.水下生產(chǎn)系統(tǒng)在海洋石油開發(fā)中的應用[J].海洋工程，1995（04）.

[2] Umbilicals and power cables[EB/OL].http：∥www.akersolutions.com/en/Global－menu/Products－and－Services/technology－segment/Subsea－technologies－and－services/Subsea－production－systems－and－technologies/Umbilicals－and－power－cables.

[3] Technip umbilical system [EB/OL].http：∥www.technip.com/en/entities/duco/profile.

[4] Offshore subsea[EB/OL].http：∥www.nexans.com/eservice/Corporate－en，/navigate－253932－3314－20－7894/Products＿and＿solutions.html.

[5] Multiflex umbilical products[EB/OL].http：∥large.stanford.edu/publications/coal/references/ocean/products/umbilicals.

Research situation on domestic and abroad umbilical cord technology and prospect of application in China

Guo Hong Qu Yan Li Bo Wang Jue
（CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

The paper summarized the research situation on the umbilical cord technology used in subsea production system at home and abroad.Based on our demand in deepwater oil and gas field development and the progress of key technology research on umbilical cord，the suggestions are presented also for developing the umbilical cord technology in China.

umbilical cord；research situation；prospect of application

＊國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)”（編號：2009AA09Z301－1）部分研究成果。

郭宏，女，高級工程師，畢業(yè)于天津理工大學工業(yè)電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事水下生產(chǎn)系統(tǒng)研發(fā)設計工作。地址：北京市東城區(qū)東直門外小街6號海洋石油大廈（郵編：100027）。電話：010－84523586。

2011－10－10改回日期：2011－12－01

（編輯：葉秋敏）