動態(tài)海纜機械性能有限元分析

張玉勇 潘盼 郭江艷 張建民

摘要：為探究動態(tài)海纜在劇烈交變環(huán)境載荷下的疲勞壽命，基于環(huán)境載荷響應，開展動態(tài)海纜系統(tǒng)的整體分析。基于有限元方法，研究海水中懸浮的動態(tài)海纜在服役過程中承受的極端載荷，分析破斷力和側壓力工況，提取關鍵部位的應力、應變分布并進行校核。研究結果可為動態(tài)海纜材料選型、結構優(yōu)化以及疲勞分析和測試提供理論依據。

關鍵詞：動態(tài)海纜； 整體分析； 局部分析； 疲勞壽命； 顯式算法； 有限元

中圖分類號：TB115.1； TN913.33

文獻標志碼：B

文章編號：1006-0871（2018）01-0042-06

Abstract： To explore the fatigue life of dynamic submarine cable under acute alternating environment load， the global analysis on dynamic cable system is carried out based on environment load response. Based on finite element method， the extreme load of the dynamic submarine cable suspended in sea during the service process is studied， the breaking force and side pressure condition are analyzed， and the stress distribution and strain distribution are extracted and checked. The study results can provide a theoretical basis for dynamic submarine cable study， such as the material selection， structural optimization， and fatigue analysis and testing.

Key words： dynamic submarine cable； global analysis； local analysis； fatigue life； explicit algorithm； finite element

0 引 言

海洋資源開發(fā)促進波浪能、潮汐能和深遠海油氣資源的技術革新。動態(tài)海纜承受海洋環(huán)境和發(fā)電浮體運動載荷反復作用，是整個電力傳輸系統(tǒng)的重要組成部分。隨著深遠海油氣資源的進一步開發(fā)，不論是被動錨系結構，還是主動定位浮式采油平臺[1]，其臍帶纜和電纜的柔性立管結構都受海洋環(huán)境載荷的影響很大，為安全生產帶來巨大挑戰(zhàn)。

動態(tài)海纜為浮式平臺供應電纜和傳輸通信信號，通常在浮式平臺與海底固定裝置之間進行對接。借助浮力設備，動態(tài)海纜在水中呈現一定的線型，滿足浮體大范圍偏移并緩解動態(tài)纜自身載荷。[2-3]動態(tài)海纜通常懸掛在平臺底部，部分暴露在空氣中，在服役期間承受復雜的載荷。浮式平臺、錨系系統(tǒng)和動態(tài)海纜構成復雜的非線性動態(tài)耦合系統(tǒng)。[4]為設計安全可靠、滿足25 a使用要求的動態(tài)海底電纜，進行動態(tài)海纜系統(tǒng)整體分析，提取動態(tài)海纜關鍵部位載荷，進行局部應力分析和疲勞壽命驗證，優(yōu)化動態(tài)海纜結構[5-6]，為疲勞測試提供理論依據。

依據某油氣開發(fā)用動態(tài)海纜項目，根據相關標準，提取動態(tài)海纜在運行工況下的載荷分布，采用有限元方法分析研究動態(tài)海纜結構機械性能。研究方法和結果對動態(tài)海纜結構設計具有借鑒意義。

1 計算模型

某油氣開發(fā)項目采用浮式儲油船（floating production storage and offloading， FPSO）和固定采油平臺進行油氣開發(fā)。FPSO通過10 kV海底光電復合纜對平臺供電和進行通信信號傳輸?；诃h(huán)境載荷條件、FPSO與平臺的空間布局和水深要求，使用2條具有4層鎧裝結構的動態(tài)海底光電復合纜簡稱海纜，具體結構形式見圖1。動態(tài)海纜兩端分別固定在FPSO和平臺上，由彎曲加強件進行端部過彎防護，海纜在水中呈現懸鏈線狀態(tài)。4層鎧裝結構為動態(tài)海纜提供較高的彎曲剛度并滿足較小的徑重比要求，在洋流和波浪耦合作用下，海纜水中姿態(tài)相對穩(wěn)定，可緩解疲勞載荷。

動態(tài)海纜中的銅導體和光單元鎧裝線呈現二階絞合結構，即二者先分別獨立絞合成單元，各單元再圍繞某中心線進行絞合。每根銅導體和光單元鎧裝線的空間幾何分布[7]必須單獨列出，即

1.1 有限元模型

與常規(guī)靜態(tài)海纜相比，動態(tài)海纜在運行狀態(tài)下承擔的軸向拉伸載荷需要達到整個截面載荷的80%以上，并且銅導體在最大工作載荷下的應變值低于0.2%。有限元模型中可快速調整鋼絲鎧裝層的節(jié)距，模擬各功能單元承擔的軸向載荷比例。整個動態(tài)海纜有限元模型見圖2，其中4層鎧裝結構采用相鄰層異向絞合方式，通過調整各層節(jié)距達到扭矩平衡。計算模型總長為1/3外層鎧裝節(jié)距，計算模型內功能單元達到321個，網格數量達到98.71萬個，接觸對達到7 202對。整體計算模型采用結構化六面體網格，該網格在確保計算精度的前提下可模擬相互接觸單元之間的摩擦行為。模型中使用的材料力學性能參數見表1。

1.2 理論分析

動態(tài)海纜力學性能仿真計算基于顯式動力學計算程序LS-DYNA，采用準靜態(tài)方法，將載荷描述為與時間相關的變量。計算單元采用8節(jié)點三維結構單元SOLID164，海纜截面中各個功能單元之間的接觸算法[8-9]采用

2 整體分析

通過水動力分析軟件OrcaFlex模擬動態(tài)海纜運行條件和空間分布，見圖3。

FPSO以剛體形式呈現，其在水中的運動行為用幅值響應算子（response amplitude operator，RAO）描述。海纜兩端與FPSO和平臺的連接剛度設為無窮大，通過彎曲加強件進行端部過彎防護。基于線型分布特征，海纜與兩端連接處設計一定的傾角。

由于動態(tài)海纜系統(tǒng)的工作環(huán)境為淺水區(qū)域，其動態(tài)分析必須引入海生物附著效應。根據標準，海生物附著相關參數[10]見表2。經計算，動態(tài)海纜受到海生物附著后質量增加73.24 kg/m。法向和軸向水阻力因數分別為1.05和0.15，法向和軸向慣性力因數分別為1.8和1.0。動態(tài)分析的目的是篩選出整個動態(tài)海纜系統(tǒng)在服役期間承受的最大拉力、彎矩和曲率分布，優(yōu)化動態(tài)海纜防護附件結構，分析與其周圍分布線纜的干涉效應，以此校核動態(tài)海纜的結構和空間設計。用100 a和10 a回歸周期內的波浪和洋流組合、波浪和洋流方向組合、FPSO在空間位置上的偏移量、FPSO空載和滿載的RAO等變量制定動態(tài)分析的工況數量。本文設計動態(tài)分析工況共256組。

在OrcaFlex中進行動態(tài)海纜整體分析，軟件采用批處理技術自動進行256組工況的連續(xù)計算，波浪譜采用JONSWAP，其表達式[1]為

或者Aγ=1-0.287ln γ。當γ=1時，JONSWAP波譜退化為Pierson-Moskowitz波譜。

為確保工況內單一的最高波峰出現，每組工況設定運行時間為3 h。2個典型工況在3 h計算周期內波浪波峰高度時程分布見圖4。

統(tǒng)計256組工況動態(tài)海纜系統(tǒng)本體受到的載荷極值，包括最大張力、最大彎矩和最小彎曲半徑，見表3。所有載荷極值發(fā)生位置均在動態(tài)纜與固定平臺或FPSO連接處。FPSO滿載和空載2種儲油狀態(tài)下的水動力響應和吃水深度均不一致。

3 局部分析

動態(tài)海纜由多根不同材料屬性的功能單元共擠、絞合和繞包而成，各層之間材料屬性和空間結構不一致，在拉伸、彎曲和扭轉過程中存在大量的接觸滑移行為，需要一種能夠控制海纜截面所有自由度協調運動的控制方式。將動態(tài)電纜一端截面內節(jié)點自由度進行全約束，另一端截面自由度與剛性且?guī)?個方向自由度的固定板進行約束，其K文件命令表述為

*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET。

對控制板施加不同方向的位移和力，進而控制動態(tài)海纜的整體運動。

3.1 剛度分析

海纜的剛度分為軸向拉伸、扭轉和彎曲3個方向，是海纜施工模擬和動態(tài)分析的關鍵輸入參數。動態(tài)海纜在拉伸、扭轉和彎曲載荷作用下的位移變形見圖5。

在計算彎曲剛度時，橫向拉力必須足以克服鎧裝層之間的靜摩擦力，彎曲剛度應取鎧裝鋼絲克服靜摩擦之后相互滑動的計算結果。動態(tài)海纜剛度值計算值與測試值對比見表4，其中E為等效彈性模量，A為截面面積，I為慣性矩，G為等效剪切模量，IP為極慣性矩。

基于LS-DYNA動態(tài)分析方法，所施加載荷表現為與時間相關的函數。在保載階段，動態(tài)海纜變形量發(fā)生小幅振蕩，提取結果包含這一振蕩范圍。計算剛度值與實測值存在一定差異，主要原因是各個功能單元之間的動摩擦因數存在不確定性，并且在海纜彎曲過程中，鎧裝層同時發(fā)生軸向和徑向滑動，受拉面鋼絲向受壓面滑移，局部發(fā)生擠壓，勢必增加海纜的剛度效果。

3.2 破斷載荷校核

對動態(tài)海纜施加800 kN軸向破斷力，整個截面的應力分布見圖6，金屬單元（包括鎧裝層、導體層和光單元鎧裝）出現較大的應力集中。對各層承擔的軸向拉力進行統(tǒng)計，鎧裝、銅導體和光單元分別承擔80.39%，3.09%和0.83%的破斷力。在張力逐漸增大過程中，光單元較早進入屈服狀態(tài)。

提取鎧裝層和銅導體的第一主應力分布，見圖7。

在軸向破斷拉伸載荷作用下，鎧裝層的應力接近510 MPa，外層鋼絲承受應力較大，而內層鋼絲應力偏小。在該載荷作用下，銅導體處于拉伸延展狀態(tài)。動態(tài)海纜的三維有限元模型呈現不規(guī)則的應力分布效果，這是二維模型難以把握的。

3.3 抗側壓能力校核

以橢圓度10%作為動態(tài)海纜抗側壓能力基準，對動態(tài)海纜上壓板施加側壓位移，見圖8。經后處理驗算，動態(tài)海纜承擔的側壓力為110 kN/m。剔除HDPE外護套，可見海纜鎧裝層發(fā)生明顯的壓應力損傷。忽略端部效應，動態(tài)海纜鎧裝層承受的最大應力約為410 MPa。

動態(tài)海纜側壓載荷應力分布見圖9。由圖9b）可知，鎧裝層吸收大部分側壓變形，銅導體和光單元在該側壓載荷下處于安全狀態(tài)。

4 結 論

基于某油氣開發(fā)項目，采用水動力分析和有限元軟件研究動態(tài)海底光電復合纜服役過程中承受的極端載荷以及動態(tài)海纜在破斷力和側壓力作用下的應力分布，得到以下結論。

（1）動態(tài)海纜整體抗拉能力達到800 kN，抗側壓能力達到110 kN/m。在上述載荷作用下，動態(tài)海纜鎧裝層承擔大部分載荷，保護纜芯。

（2）提出一種動態(tài)海纜機械性能分析三維有限元方法，可準確調整各功能單元的空間位置、材料參數和摩擦因數，可模擬動態(tài)海纜在拉伸、彎曲和扭轉狀態(tài)下的應力和應變分布，為動態(tài)海纜結構優(yōu)化設計提供有效手段。

（3）海纜整體動態(tài)分析和局部結構分析方法，可為動態(tài)海纜在服役海域的疲勞壽命分析提供技術支撐。

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（編輯 武曉英）