水下生產(chǎn)系統(tǒng)用臍帶纜試制關(guān)鍵工藝介紹

陳 凱， 夏 峰， 葉信紅， 郭 宏， 張永明， 鐘科星

(1.寧波東方電纜股份有限公司，浙江寧波315040;2.中海油研究總院，北京100027)

0 引言

臍帶纜是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，主要作用是為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供電氣液壓動(dòng)力、化學(xué)注入通道，同時(shí)為上部模塊控制信號(hào)以及水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸通道。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)使用的臍帶纜全部依賴進(jìn)口，對(duì)這一產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)研究尚屬空白，且不具備臍帶纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、制造等的能力，這些都在一定程度上制約了我國(guó)深海油氣田的開(kāi)發(fā)。

寧波東方電纜股份有限公司通過(guò)承擔(dān)由中海油研究總院牽頭的863臍帶纜項(xiàng)目的子課題——臍帶纜的生產(chǎn)制造，成功試制出一條針對(duì)我國(guó)南海深海油氣田用臍帶纜初樣纜。近期交于上海電纜研究所、大連理工大學(xué)等相關(guān)合作單位完成力學(xué)和電氣性能等測(cè)試。

1 多單元多層次截面設(shè)計(jì)及成纜

不同于普通海纜的單芯或三芯結(jié)構(gòu)，臍帶纜除電單元和光纖單元外，往往還包含數(shù)量不等的液壓、化學(xué)藥劑管道單元。本次試制的臍帶纜包含:3根4芯6 mm2電纜單元;6根內(nèi)徑12.7 mm的不銹鋼管單元;1根光單元。共計(jì)10根工作單元(見(jiàn)圖1)。

圖1 臍帶纜截面圖

1.1 臍帶纜截面設(shè)計(jì)

如上所述，由于臍帶纜截面由電、光纖、液壓管道、化學(xué)藥劑管道等多種不同單元組成，這些單元本身在功能、尺寸、力學(xué)性能等方面又有很大差異。如何進(jìn)行合理的截面單元排布，是臍帶纜設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。本次試制臍帶纜截面先由上海電纜研究所完成初步設(shè)計(jì)，并提供多個(gè)設(shè)計(jì)備選方案，最終通過(guò)863項(xiàng)目組各成員以及專家論證后而確定。

臍帶纜截面排布主要考慮以下因素:

(1)通過(guò)合理的截面排布，減小臍帶纜的成纜外徑。其中考慮到臍帶纜在動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境和海底的水動(dòng)力穩(wěn)定性，其外徑/重量比(OD/weight)(m2/kN)一般要求小于1。

(2)截面排布要充分考慮臍帶纜的力學(xué)性能。主要包括整體的拉伸、彎曲剛度以及各方向力學(xué)性能的對(duì)稱性，臍帶纜在外力荷載作用下各單元的應(yīng)力分布等情況，以避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。

(3)在截面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)兼顧臍帶纜的制造，降低生產(chǎn)難度和成本。如把剛度較大的單元排在界面靠中心位置，減少制造中對(duì)成纜機(jī)牽引力的要求。

1.2 多層次多單元成纜

在截面設(shè)計(jì)完成后，成纜是臍帶纜最關(guān)鍵的制造工序。臍帶纜多單元成纜成纜需由大型多層成纜機(jī)完成。成纜過(guò)程的控制參數(shù)為:

(1)根據(jù)各單元特性合理分配放線盤(pán)。由于不同放線架的外徑不同，而臍帶纜各單元(特別是鋼管單元)對(duì)最小彎曲半徑有嚴(yán)格的要求。一般情況下所有單元都需實(shí)現(xiàn)主動(dòng)放線，但在設(shè)備能力有限的情況下應(yīng)該首先滿足鋼管單元和光纖單元的需求，以避免其成纜過(guò)程中出現(xiàn)大的塑性應(yīng)變，造成功能或者結(jié)構(gòu)上的損傷。所以成纜前須通過(guò)計(jì)算分析，合理安排每個(gè)放線架上的單元。

(2)分線模的設(shè)計(jì)以及進(jìn)線角度的控制。在多層次多單元成纜過(guò)程中如何保證各單元按所設(shè)計(jì)的截面排列，防止各層間單元互相串線，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)尺寸和進(jìn)線孔洞分布合理的分線模具。由于臍帶纜中的鋼管單元易壓潰并產(chǎn)生屈曲等塑性變形，成纜時(shí)鋼管單元進(jìn)分線模的角度不宜過(guò)大，盡量保持其原有放線角度并入分線模(見(jiàn)圖2)。

圖2 臍帶纜成纜示意圖

2 鋼管單元加工過(guò)程中的形變控制

臍帶纜各單元在制造過(guò)程中會(huì)受到反復(fù)彎曲，拉伸、扭轉(zhuǎn)和組合荷載。其中鋼管是空心單元，其本身剛度較大，不易變形，是臍帶纜各單元的薄弱點(diǎn)，易出現(xiàn)壓潰和因塑性變形而造成橢圓度過(guò)大等應(yīng)變失效情況。同時(shí)，在制造過(guò)程中的塑性應(yīng)變累積也會(huì)大大降低鋼管的疲勞壽命，造成臍帶纜在服役期間提前失效。一般要求鋼管單元在制作過(guò)程中的累積塑性應(yīng)變不大于2%［3］。因此臍帶纜生產(chǎn)過(guò)程中鋼管單元的形變控制已經(jīng)成為臍帶纜制造的技術(shù)難點(diǎn)。

2.1 制造前的形變分析

對(duì)鋼管的形變進(jìn)行控制，首先需要明確加工過(guò)程中鋼管可能遇到的各種荷載工況。通過(guò)理論計(jì)算以及數(shù)值模擬分析，對(duì)在各個(gè)工況下的鋼管進(jìn)行力學(xué)分析，得到各加工環(huán)節(jié)鋼管的受力和變形情況。最后依據(jù)規(guī)范和準(zhǔn)則對(duì)鋼管最大變形量進(jìn)行校核，看其是否滿足規(guī)范要求。同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果對(duì)各加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如牽引機(jī)牽引力和成纜放線角度等［1］。下面對(duì)理論計(jì)算方法和數(shù)值模擬方法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

(1)用理論公式對(duì)簡(jiǎn)單工況下的鋼管進(jìn)行初步計(jì)算

如果鋼管所受為單一荷載形式或其中一荷載在這個(gè)工況中起到主導(dǎo)作用，可用理論公式近似計(jì)算鋼管的最大允許荷載。

鋼管單元在純彎曲作用下的允許載荷［3］:

式中，M為鋼管的理論最大允許扭矩(N·m);D為鋼管的外徑(mm);t為鋼管的厚度(mm);SMYS為鋼管的最小屈服應(yīng)力(N/m2)。

鋼管單元在純拉伸荷載作用下的允許載荷:

式中，F(xiàn)為鋼管單元的最大拉伸力(N);SMTS為拉伸最小屈服應(yīng)力(N/m2);A為鋼管的橫截面積(mm2)。

(2)利用有限元仿真軟件對(duì)復(fù)雜工況下鋼管應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算

在大部分情況下，鋼管單元在加工過(guò)程中受到的往往是組合荷載，這會(huì)增加理論計(jì)算的難度，以至于其變得不可行。并且加工荷載往往很難得到精確荷載值。比如在成纜過(guò)程中，各單元間的表面擠壓力大小的確定十分困難。而采用有限元等仿真軟件對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以較好地解決這一問(wèn)題。

具體步驟如下:①根據(jù)真實(shí)的單元結(jié)構(gòu)和荷載情況選擇有限元單元，如管單元、殼單元等;②建立有限元模型，定義邊界條件，如確定固定位置和荷載;③進(jìn)行計(jì)算，得到應(yīng)力分布和熱點(diǎn)應(yīng)力，并檢驗(yàn)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

例如，鋼管在成纜時(shí)會(huì)同時(shí)受到縱向拉伸、徑向壓縮、環(huán)向扭轉(zhuǎn)以及擠壓摩擦等荷載的同時(shí)作用。這時(shí)利用理論公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算將存在較大困難，可使用有限元分析解決這一問(wèn)題。

圖3 為利用ANSYS模擬鋼管成纜纏繞過(guò)程的有限元分析。從應(yīng)力分布云圖中可知，應(yīng)力熱點(diǎn)出現(xiàn)在纏繞鋼管外側(cè)最大彎曲變形處和內(nèi)側(cè)擠壓變形處。通過(guò)分析可得到應(yīng)力的分布主要同纏繞角度、成纜牽引力、分線盤(pán)進(jìn)線角度有關(guān)，并可通過(guò)控制相關(guān)參數(shù)優(yōu)化鋼管的應(yīng)力分布。

圖3 應(yīng)用有限元軟件對(duì)臍帶纜成纜過(guò)程進(jìn)行分析

2.2 制造過(guò)程中形變控制

通過(guò)理論計(jì)算和有限元分析可以對(duì)臍帶纜在制造過(guò)程中的主要控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

(1)成纜牽引力大小以及成纜放線角度的控制。成纜時(shí)先設(shè)定成纜張力，并對(duì)成纜張力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并自動(dòng)調(diào)整，使張力始終保證在設(shè)定范圍內(nèi)。對(duì)于不同外徑和壁厚的鋼管，可根據(jù)其自身剛度不同而設(shè)置相應(yīng)的張力，在張力設(shè)置時(shí)應(yīng)考慮鋼管自重的影響。同時(shí)成纜放線架應(yīng)具備主動(dòng)放線和放線角度實(shí)時(shí)調(diào)整功能，保證基座在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，成纜角度保持穩(wěn)定。

(2)各轉(zhuǎn)向輪牽引力、最小彎曲半徑的控制。臍帶纜各單元以及制造的各個(gè)階段都對(duì)最小彎曲半徑有嚴(yán)格的要求。在臍帶纜過(guò)轉(zhuǎn)向輪和卷盤(pán)時(shí)都要對(duì)彎曲半徑進(jìn)行嚴(yán)格控制。特別要注意的是在有較大牽引力和側(cè)壓力的彎曲時(shí)，由于存在組合應(yīng)力疊加，對(duì)最小彎曲半徑的要求將可能隨之增大。

除上述問(wèn)題外，臍帶纜生產(chǎn)過(guò)程中還有鎧裝鋼絲張力控制等需要在生產(chǎn)前進(jìn)行分析設(shè)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)臍帶纜初樣纜的試制中所遇到的問(wèn)題和得到的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)臍帶纜多層次多單元成纜以及制作過(guò)程中形變控制的方法等生產(chǎn)關(guān)鍵工藝進(jìn)行了介紹。由于國(guó)內(nèi)臍帶纜設(shè)計(jì)、制作尚處于起步階段，依然有很多技術(shù)難點(diǎn)需突破，如在保證截面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)使其滿足透水性要求。希望通過(guò)“863”科研課題研究，盡快突破海洋深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)用臍帶纜國(guó)產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)，建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)用臍帶纜的設(shè)計(jì)、制造及測(cè)試能力，為我國(guó)南海油氣資源勘探和開(kāi)發(fā)提供技術(shù)儲(chǔ)備與支持。

［1］ISO 13628-5:2002 Subsea umbilicals［S］.

［2］Knapp R H，Cruickehank M J.Design Methodology for Undersea［C］，OCEANS＇91.

［3］Bai Yong，Bai Qiang.Subsea pipelines and risers 2002 ［M］.Elsevier Science.