臍帶纜測試技術(shù)及其在文昌氣田的應(yīng)用*

郭 宏 謝 鵬 宋春娜

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028；2.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司 深圳 518067)

臍帶纜是由電纜、光纜、液壓或化學(xué)藥劑管組合而成的復(fù)雜電纜，在海洋油氣開發(fā)中起到傳輸電力、信號、化學(xué)藥劑及控制液的作用，是連接海洋平臺上部設(shè)施和水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間的“神經(jīng)和生命線”。自20世紀(jì)60年代以來，臍帶纜已廣泛應(yīng)用于各類淺水和深水海洋工程開發(fā)項(xiàng)目，目前我國應(yīng)用的海洋臍帶纜主要依賴進(jìn)口，如流花11-1、陸豐22-1、惠州35-2、流花19-5和流花4-1等油田，這在一定程度上制約了我國海洋工程的發(fā)展。近年來，隨著海洋工業(yè)的發(fā)展及在國家863計(jì)劃等科研項(xiàng)目的推進(jìn)下，我國開展了臍帶纜的設(shè)計(jì)、制造等研究，逐步具備了水下臍帶纜的設(shè)計(jì)制造能力[1-2]，但目前臍帶纜的測試技術(shù)還不完善，對于臍帶纜測試方面的研究主要集中在臍帶纜的彎曲剛度、抗拉強(qiáng)度、拉彎組合荷載等部分力學(xué)性能的測試[3]，而對于臍帶纜的其他性能，如摩擦系數(shù)、抗沖擊試性、自由溢流測試等研究則不完善，且尚未建立系統(tǒng)的臍帶纜測試體系。本文結(jié)合ISO 13628-5的規(guī)定，基于文昌9-2/9-3/10-3氣田開發(fā)項(xiàng)目，開展了臍帶纜測試技術(shù)體系的研究與應(yīng)用，其成果可為未來我國臍帶纜的測試和評價(jià)作為參考。

1 臍帶纜測試技術(shù)

臍帶纜測試是為了證明制造廠商設(shè)計(jì)的臍帶纜是否能夠經(jīng)受住設(shè)計(jì)環(huán)境與設(shè)計(jì)載荷，并具備應(yīng)有的特性。除另有協(xié)定外，所有的測試試驗(yàn)應(yīng)在臍帶纜制造之前進(jìn)行，即在正式生產(chǎn)之前的樣纜上完成測試?；谖牟?-2/9-3/10-3氣田開發(fā)項(xiàng)目，通過開展臍帶纜測試技術(shù)體系的研究與應(yīng)用工作，形成了以下13項(xiàng)臍帶纜測試技術(shù)。

1．1 試成纜測試

臍帶纜試成纜測試用于評估臍帶纜橫截面方案制造的可行性，并對臍帶纜成纜后的一些參數(shù)，如臍帶纜直徑、質(zhì)量等參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)，并與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對比。臍帶纜的試成纜測試應(yīng)在進(jìn)行主纜生產(chǎn)的成纜機(jī)上完成，如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)，需要將待成纜的臍帶纜單元放置在成纜機(jī)上，按照設(shè)計(jì)方案調(diào)節(jié)成纜參數(shù)后啟動成纜機(jī)，完成成纜作業(yè)。

圖1 臍帶纜成纜示意圖Fig .1 Schematic diagram of umbilical lay-up trail

1.2 拉扭平衡測試

臍帶纜在安裝及服役過程中受到拉伸載荷作用，拉伸剛度、允許拉伸強(qiáng)度以及單位長度的拉伸扭轉(zhuǎn)角度是衡量臍帶纜拉伸性能的重要參數(shù)。Hruska提出了使用HR模型對臍帶纜的拉伸行為進(jìn)行分析，但該模型只考慮了臍帶纜鎧裝鋼絲的軸向拉力作用[4-6]；Knapp在HR模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展提出了可以考慮鎧裝鋼絲對纜芯進(jìn)行徑向擠壓的KNA模型[7]；Costello考慮了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)各單元的幾何大變形、鎧裝鋼絲半徑和螺旋角隨軸向伸長的幾何非線性變化，提出了COS模型[8]。然而，這些模型雖然在一定程度上都能用于預(yù)測臍帶纜的拉伸行為，但由于界面等效、摩擦模型的簡化等假設(shè)，計(jì)算結(jié)果與臍帶纜的真實(shí)結(jié)果仍有一定的偏差，因此需要進(jìn)行臍帶纜的拉扭平衡試驗(yàn)來驗(yàn)證臍帶纜的設(shè)計(jì)結(jié)果。

臍帶纜拉扭平衡試驗(yàn)基于拉扭平衡試驗(yàn)機(jī)完成，如圖2所示。測試時(shí)，將臍帶纜的兩端固定在拉扭平衡試驗(yàn)機(jī)上，保證臍帶纜的一端固定，另一端釋放旋轉(zhuǎn)自由度。試驗(yàn)開始時(shí)，施加固定拉力，在臍帶纜上安裝傳感器，測量臍帶纜的旋轉(zhuǎn)角度，并與設(shè)計(jì)時(shí)允許的扭轉(zhuǎn)角度進(jìn)行對比，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

圖2 臍帶纜拉扭平衡測試試驗(yàn)Fig .2 Umbilical combined torque balance and tension test

1.3 彎曲剛度測試

彎曲剛度是臍帶纜進(jìn)行安裝分析和在位分析的重要參數(shù)，但由于臍帶纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有的計(jì)算模型無法準(zhǔn)確評估臍帶纜的彎曲剛度。Costello等人基于LOVE螺旋桿理論，忽略單元之間的接觸作用和線性假設(shè)，對臍帶纜中的單元進(jìn)行直接疊加，提出了臍帶纜的總體彎曲剛度計(jì)算公式[8]。Witz認(rèn)為臍帶纜的彎曲行為可分為無滑動階段和全滑動階段，彎曲曲率較小時(shí)臍帶纜內(nèi)的所有單元無法全部克服摩擦力作用同時(shí)發(fā)生運(yùn)動，而彎曲曲率較大時(shí)各單元之間發(fā)生相對滑動?；谶@一假設(shè)，Witz推導(dǎo)了臍帶纜無滑動和全滑動的彎曲剛度計(jì)算公式。

為了驗(yàn)證臍帶纜的彎曲剛度，本文基于梁的理論設(shè)計(jì)了臍帶纜的彎曲剛度測試裝置，如圖3所示。該裝置可對鋼管臍帶纜的彎曲剛度進(jìn)行測試，測試范圍為直徑101.6～406.4 mm臍帶纜。試驗(yàn)時(shí)，將臍帶纜放置在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，使臍帶纜逐步彎曲，記錄臍帶纜的彎曲變化，計(jì)算臍帶纜的彎曲剛度，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。

圖3 臍帶纜彎曲剛度測試試驗(yàn)Fig .3 Umbilical bend stiffness test

1.4 終端連接強(qiáng)度測試

為驗(yàn)證臍帶纜與終端設(shè)施的連接強(qiáng)度，模擬臍帶纜在安裝和服役工況下的真實(shí)連接形式和規(guī)范要求，按照實(shí)際應(yīng)用工況進(jìn)行臍帶纜終端強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖4所示。臍帶纜與終端的連接形式與真實(shí)工況保持一致，測試時(shí)固定臍帶纜終端，在臍帶纜的首端施加拉力直至設(shè)計(jì)值，觀察臍帶纜與終端的連接情況。

圖4 臍帶纜終端連接強(qiáng)度測試試驗(yàn)Fig .4 Umbilical end-stregnth termination test

1.5 拉彎組合測試

在安裝過程中，臍帶纜通過張緊器從下水橋入水，在下水橋上會受到拉伸和彎曲載荷的共同作用。為了測試臍帶纜是否能夠滿足安裝工況的要求，需要模擬臍帶纜在拉力和彎矩載荷作用下的工作情況，開展拉彎組合試驗(yàn)。

拉彎組合測試需要在拉彎組合試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖5 所示。首先將臍帶纜放置在提前預(yù)制的圓形弧板上，該弧板的曲率需要與臍帶纜的安裝作業(yè)工況一致;然后在臍帶纜的兩端施加拉力，拉力的大小需要滿足安裝工況的要求。在測試過程中，保持臍帶纜鋼管充滿液體并保持一定壓力。測試完成后，需要檢查臍帶纜電纜的各類電力參數(shù)、測量臍帶纜鋼管單元的橢圓度和記錄管道內(nèi)壓力的變化。并與設(shè)計(jì)文件及臍帶纜設(shè)計(jì)規(guī)范要求進(jìn)行對比。

圖5 臍帶纜拉彎組合測試試驗(yàn)Fig .5 Umbilical combined tension and bending test

1.6 抗側(cè)壓測試

臍帶纜通過張緊器時(shí)會受到張緊器夾持，臍帶纜內(nèi)部單元在徑向擠壓載荷的作用下可能發(fā)生相互擠壓，因此需要測試臍帶纜的抗側(cè)壓能力，評估臍帶纜能夠承受的最大側(cè)向擠壓力。

臍帶纜抗側(cè)壓測試試驗(yàn)如圖6所示。測試前，需要確認(rèn)進(jìn)行臍帶纜安裝時(shí)使用的張緊器墊板形式，并根據(jù)實(shí)際情況預(yù)制測試墊板。試驗(yàn)中，通過試驗(yàn)機(jī)向臍帶纜施加側(cè)向擠壓力至指定值，卸載后切開臍帶纜，測量臍帶纜鋼管單元的橢圓度，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。

圖6 臍帶纜抗側(cè)壓測試試驗(yàn)Fig .6 Umbilical bundle squeeze/crush test

1.7 摩擦系數(shù)測試

張緊器通過對臍帶纜的徑向擠壓以及摩擦產(chǎn)生的摩擦力提供安裝過程中所需要的軸向拉力。臍帶纜外護(hù)套與張緊器墊板之間的摩擦系數(shù)是進(jìn)行安裝分析的重要參數(shù),該系數(shù)與臍帶纜的外護(hù)套、墊板材料屬性及幾何形狀有關(guān)。

生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督管理。本區(qū)石油、海鹽等資源比較豐富，又有天津?yàn)I海新區(qū)，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目較多，而且保定市作為首都功能疏解的集中承載地和京津產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的重要承載地，生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目必將增加。應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)督管理工作，有效控制人為水土流失。

臍帶纜摩擦系數(shù)測試試驗(yàn)如圖7所示。試驗(yàn)時(shí)，首先在臍帶纜的一端施加側(cè)向擠壓力夾持臍帶纜，同時(shí)在臍帶纜的另一端安裝錨固接頭，施加拉力直至臍帶纜與墊板發(fā)生相對滑動，記錄發(fā)生滑動時(shí)作用在張緊器上的軸向拉力及側(cè)向擠壓力，計(jì)算出臍帶纜的摩擦系數(shù)，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。

圖7 臍帶纜摩擦系數(shù)測試試驗(yàn)Fig .7 Umbilical friction factor test

1.8 沖擊測試

臍帶纜在使用過程中可能會遭受平臺或船舶落物沖擊載荷作用而發(fā)生失效。根據(jù)規(guī)范要求，需要開展臍帶纜沖擊測試試驗(yàn)，確定臍帶纜沖擊載荷和能量的相互作用關(guān)系，并評估臍帶纜在出現(xiàn)如下3種損傷時(shí)的沖擊能量，作為臍帶纜在役期間的允許沖擊載荷。

1) 造成初始表面損傷的沖擊能量；

2) 造成部分單元結(jié)構(gòu)變形的沖擊能量；

3) 在安裝或操作條件下造成臍帶纜部件失效的沖擊能量。

臍帶纜沖擊測試試驗(yàn)如圖8所示。首先將臍帶纜放置在測試場地地板上，然后在不同高度釋放質(zhì)量塊沖擊臍帶纜。由于臍帶纜內(nèi)部單元是螺旋結(jié)構(gòu)，應(yīng)在截面上不同位置沖擊臍帶纜。試驗(yàn)完成后，切開臍帶纜，檢查臍帶纜表面損傷，測量鋼管的橢圓度，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。

圖8 臍帶纜沖擊測試試驗(yàn)Fig .8 Umbilical impact test

1.9 疲勞測試

臍帶纜在周期性動力載荷的作用下易引起鋼管單元產(chǎn)生交變應(yīng)力和累計(jì)損傷，并引起臍帶纜發(fā)生疲勞破壞。通常，首先是基于臍帶纜的使用工況及環(huán)境載荷計(jì)算臍帶纜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力歷史，然后根據(jù)S-N曲線及Miner公式計(jì)算臍帶纜的使用壽命。

由于臍帶纜本身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在疲勞計(jì)算中難以完全模擬臍帶纜單元之間的非線性接觸和層間摩擦力，因此基于試驗(yàn)方法驗(yàn)證臍帶纜的疲勞性能是目前疲勞分析最為可靠的手段。Alan Dobson等人開展了足尺度的臍帶纜動態(tài)疲勞試驗(yàn)[9]，如圖9a所示。在動態(tài)疲勞測試中，通過疲勞試驗(yàn)裝置按照一定的載荷工況向臍帶纜施加動力載荷，并測試臍帶纜單元的交變應(yīng)力，然后進(jìn)行后處理以確定臍帶纜的疲勞損傷和疲勞壽命。

在鋪設(shè)過程中，臍帶纜在下水橋上受到循環(huán)載荷作用，尤其是在進(jìn)行臍帶纜終端安裝或進(jìn)行J型護(hù)管抽拉施工時(shí)，臍帶纜在下水橋上滯留時(shí)間久，疲勞損傷的風(fēng)險(xiǎn)高。為模擬臍帶纜的安裝疲勞，基于文昌項(xiàng)目設(shè)計(jì)了安裝疲勞測試設(shè)備,如圖9b所示。測試時(shí)，將臍帶纜按照下水橋半徑放置在測試裝置上，在A端施加垂直于測試弧面的循環(huán)位移，模擬臍帶纜在下水橋上脫離點(diǎn)處的循環(huán)荷載作用，并按照設(shè)計(jì)要求完成指定次數(shù)的循環(huán)后測試臍帶纜單元的功能及完整性。

1.10 自由溢流測試

自由溢流測試用于評估水流沿臍帶纜軸向單元間隙流動時(shí)的流速，以測試水流通過臍帶纜內(nèi)部的能力，如圖10所示。測試時(shí)，首先截取一定長度的臍帶纜樣纜放置在試驗(yàn)機(jī)上，然后在樣纜一端注入一定壓力的水流，在另一端測試水流的流量，進(jìn)行計(jì)算后確定水流在臍帶纜單元間軸向流動過程中的流速，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，為臍帶纜安裝時(shí)的下放速度提供參考。

圖9 臍帶纜動態(tài)疲勞測試試驗(yàn)及安裝疲勞試驗(yàn)Fig .9 Umbilical dynamic fatigue and installation fatigue test

圖10 臍帶纜自由溢流測試試驗(yàn)Fig .10 Umbilical free flooding rate test

1.11 靜水壓力測試

在服役工況下，臍帶纜在海床上受到外部靜水壓力的作用，臍帶纜纜體與內(nèi)部單元之間受到擠壓。為驗(yàn)證臍帶纜抵抗靜水壓力的能力，需要開展臍帶纜靜水壓力測試試驗(yàn)。該試驗(yàn)在靜水壓力艙中進(jìn)行，如圖11所示。測試時(shí)，在壓力艙內(nèi)放置兩段封口的臍帶纜，增大壓力艙內(nèi)的水壓以施加靜水壓力，并保壓一定時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)束后，測試臍帶纜的外徑變化并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較。

圖11 臍帶纜靜水壓力測試試驗(yàn)Fig .11 Umbilical hydrostatic pressure test

1.12 依托設(shè)施拉管測試

臍帶纜與上部依托設(shè)施的回接一般從J型或I型護(hù)管中抽拉上平臺。在抽拉作業(yè)中，為順利穿過J型或I型護(hù)管，臍帶纜的拖拉頭應(yīng)保證在一定尺寸內(nèi)，且抽拉絞車應(yīng)提供足夠的拉力。為驗(yàn)證臍帶纜及拖拉頭在護(hù)管中的通過性并校核設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)進(jìn)行臍帶纜依托設(shè)施拉管測試試驗(yàn)，如圖12所示。試驗(yàn)時(shí)，使用拖拉頭或模擬的拖拉頭及臍帶纜進(jìn)行J型或I型護(hù)管的抽拉作業(yè)，著重驗(yàn)證拖拉頭及臍帶纜是否能夠滿足護(hù)管的彎曲半徑，并記錄臍帶纜抽拉使用的絞車?yán)?，為?shí)際的抽拉作業(yè)提供參考。

圖12 臍帶纜依托設(shè)施拉管測試試驗(yàn)Fig .12 Umbilical topside termination interface test

1.13 維修接頭測試

為保證臍帶纜的完整性并驗(yàn)證制造廠商的臍帶纜維修能力，應(yīng)進(jìn)行臍帶纜維修接頭測試試驗(yàn)，如圖13所示。測試時(shí)，應(yīng)保證所模擬的維修工況與海上維修的情形類似，并評估進(jìn)行海上維修作業(yè)所需要的時(shí)間以及所需使用的工機(jī)具性能，為未來進(jìn)行海上維修作業(yè)提供參考。

圖13 臍帶纜維修接頭測試試驗(yàn)Fig .13 Umbilical repair splice qualification test

2 在文昌氣田的應(yīng)用

文昌9-2/9-3/10-3氣田位于南海西部海域，該氣田需使用一條臍帶纜連接文昌9-2/9-3 CEP中央平臺至文昌10-3的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。該臍帶纜為復(fù)合電液臍帶纜，包括11個(gè)功能單元、9根金屬管及2根四芯電纜。液壓管線為超雙相不銹鋼管，總長度為23 km，設(shè)計(jì)水深150 m。基于規(guī)范ISO13628-5的規(guī)定，應(yīng)用本文測試技術(shù)對自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)的文昌氣田臍帶纜樣纜進(jìn)行了測試，測試結(jié)果(表1)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 文昌氣田臍帶纜樣纜測試結(jié)果Table 1 Test results of umbilical sample in WC gas field

3 結(jié)束語

臍帶纜評定測試是驗(yàn)證臍帶纜的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量的重要手段，也是進(jìn)一步促進(jìn)我國臍帶纜國產(chǎn)化進(jìn)程的必要手段。本文基于規(guī)范ISO 13628-5的規(guī)定，系統(tǒng)研究了臍帶纜的測試技術(shù)，形成了臍帶纜測試技術(shù)體系，并針對文昌9-2/9-3/10-3氣田臍帶纜樣纜開展了13項(xiàng)測試試驗(yàn)，為臍帶纜的各項(xiàng)性能參數(shù)測試、設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量評價(jià)提供了測試方法及測試裝置。本文研究成果為臍帶纜的國產(chǎn)化及其評價(jià)提供了技術(shù)支撐及質(zhì)量保證手段。

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