海底臍帶纜系統(tǒng)軟件的設計與分析

王劭文　隋國榮

摘 ?要：海底臍帶纜為海底設備提供必要的能源動力、傳輸狀態(tài)控制信號以及注入相關化學藥劑。在深海作用下，構(gòu)件之間的非線性效應使臍帶纜的設計和分析非常重要。在臍帶纜的結(jié)構(gòu)和力學分析等理論基礎上，根據(jù)不同用途的臍帶纜特性，通過基于軟件編程，實現(xiàn)海底臍帶纜分析和設計軟件，可以實時顯示截面圖，并輸出相關結(jié)構(gòu)尺寸和電氣參數(shù)特性，具有截面力學分析等功能。與國外同類軟件設計結(jié)果相比，平均相差在5%以內(nèi)，可以很好地滿足國內(nèi)生產(chǎn)實踐和實際鋪設的需求。

關鍵詞：海底臍帶纜;非線性效應;結(jié)構(gòu)設計;力學分析;WPF編程

中圖分類號：TP319 ? ? 文獻標識碼：A

Design and Analysis of Submarine Umbilical Cable System Software

WANG Shaowen， SUI Guorong

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

wangsw28@163.com; suigr@163.com

Abstract： Submarine umbilical cable provides necessary energy and power， transmits the status control signals and injects the relevant chemicals for submarine equipment. Under the deep sea， the nonlinear effect between components makes the design and analysis of umbilical cable very important. Based on the theory of structural and mechanical analysis of umbilical cable， and the characteristics of umbilical cable for different purposes， the software for analysis and design is realized through software programming. The software can display the cross-section in real time， and output the relevant structural size and electrical parameter features. It has the function of cross-section mechanical analysis， etc. Compared with the same kinds of foreign software， the average difference is less than 5%， which can meet the needs of domestic production and the actual laying.

Keywords： submarine umbilical cable; nonlinear effect; structural design; mechanical analysis; WPF （Windows

Presentation Foundation） programming

1 ? 引言（Introduction）

目前，深海油氣資源開發(fā)采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)，將海洋油氣生產(chǎn)設備及輔助設施部分或者全部置于海底，完成自動采油、集油、輸油生產(chǎn)等工作。其中，臍帶纜被稱作“水下生產(chǎn)系統(tǒng)的神經(jīng)血脈”，是水上設備和水下系統(tǒng)子模塊之間進行電力、信號、水壓和化學物質(zhì)等的傳輸媒介[1]。臍帶纜是將電纜、光纜、鋼管或軟管中不同傳輸介質(zhì)按一定方式組合的結(jié)構(gòu)。為了保證抗拉伸能力和順應性的要求，需要進行內(nèi)部功能構(gòu)件和加強構(gòu)件的設計。近年來，Vaz[2-8]等國內(nèi)外學者研究了相關的各種理論模型，開發(fā)了CableCAD、UmbiliCAD等建模分析軟件，F(xiàn)lexcom、Orcaflex等整體分析軟件和國內(nèi)的“光電復合臍帶纜”“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜設計分析”等軟件。因此臍帶纜的專業(yè)設計分析軟件，對我國臍帶纜的自主設計與應用有重要的意義。

2 ?臍帶纜設計理論分析（Theoretical analysis of umbilical cable design）

臍帶纜的設計要求在正常使用年限內(nèi)，可在標準溫度區(qū)間有效儲存和傳輸信號，服役期間可實現(xiàn)自身所有功能，如電纜可正常傳送動力與信號，液壓管道正常傳遞化學介質(zhì)等。因此選擇材料時，應當充分考慮海洋環(huán)境復雜性，盡可能提高抗腐蝕及防滲透能力。在此基礎上，還要保證力學性能相關要求，可抵抗功能、環(huán)境、意外三種荷載?？紤]到各種荷載工況要求，必須合理設計結(jié)構(gòu)參數(shù)。水下生產(chǎn)系統(tǒng)從淺海進入深海時，臍帶纜設計標準非常嚴格，特別是在抵抗自重影響方面，拉伸、彎曲、疲勞性能設計和失效分析。

2.1 ? 失效分析

（1）拉伸失效：安裝和在位使用過程中，因為臍帶纜自重原因，導致頂部面臨極高拉力荷載。特別是深水環(huán)境下，容易使臍帶纜出現(xiàn)失效問題，必須側(cè)重其拉伸性能的設計，給正常使用提供最大保障。計算過程中，須結(jié)合鋪設與在位工況求出拉伸荷載?？衫檬剑?）與式（2）分別估算出拉伸荷載。

（1）

（2）

其中，m、H、G、分別為臍帶纜濕重、水深、安裝時接頭端子重量和安全系數(shù)。

圖1給出了拉力T（N）與應變關系示意圖，可通過拉伸剛度K（N）來描述，當K（N）不斷增大時，相同拉力時，總體變形并不明顯，抗拉性能比較理想。所以評價結(jié)構(gòu)拉伸性能設計時，須將K（N）作為一項關鍵性指標。處于深水環(huán)境下，拉伸荷載非常大，若K（N）較小，結(jié)構(gòu)變形十分明顯，容易帶來變形失效問題。

（2）彎曲失效：對于臍帶纜而言，儲存、安裝過程中應當置于卷盤處，故而要考慮柔性問題。通常來講，其最小彎曲半徑既要符合卷盤半徑標準，又要維護安全系數(shù)合理性。另外，彎曲剛度應當處于正常區(qū)間以內(nèi)，如果超過該區(qū)間，必定會給臍帶纜儲存、安裝帶來阻礙。而在位工況下，頂部和底部均需要承載彎曲荷載，所以，降低兩處曲率荷載時，能夠有效防止彎曲失效。動態(tài)臍帶纜進行總體荷載分析時，必須利用彎曲剛度才能完成動態(tài)分析，這項參數(shù)與其曲線荷載響應、疲勞壽命兩方面分析直接相關。對其總體荷載進行分析時，彎曲剛度是必不可少的輸入?yún)?shù)，也是基礎指標，用于評價結(jié)構(gòu)彎曲性能設計質(zhì)量與效果。

（3）疲勞失效：動態(tài)臍帶纜彎曲性能非常理想，可以和浮式平臺活動完美協(xié)調(diào)。另外，還能以不同線型形式布置于海洋環(huán)境下，充分展現(xiàn)其實用性與良好的應用效果。對比動態(tài)鋼管立管不難發(fā)現(xiàn)，它更易彎曲，處于海洋環(huán)境中或浮體活動時，容易出現(xiàn)大幅變化，所以疲勞失效同樣受到重視。對于動態(tài)臍帶纜而言，浮體和纜體相連頂點、纜體和海底觸地點、Wave或S型浮筒等處容易出現(xiàn)疲勞破壞。而浮體和纜體相連頂部處，既要考慮周期性波浪荷載和上部浮體活動，又要考慮拉伸和循環(huán)彎曲兩種荷載作用，造成內(nèi)部單元在交變應力影響下出現(xiàn)累積損傷，從而帶來疲勞破壞問題。

根據(jù)臍帶纜所有可能出現(xiàn)的失效模式與后果進行分析，按照深水動態(tài)應用基本特征，明確其控制失效模式，重點是拉伸、彎曲、疲勞失效。以此為前提完成截面結(jié)構(gòu)設計，既能維護結(jié)構(gòu)安全，又能更快滿足設計規(guī)范。所以，在深水臍帶纜截面設計過程中，應當按照首先是拉伸性能分析和設計，其次是彎曲性能分析和設計，然后是疲勞性能分析和設計，最后是布局分析和設計。設計階段應當結(jié)合拉伸、彎曲剛度、疲勞壽命搭建最合理預測模型，制定臍帶纜截面布局設計方案，通過科學分析更快完成設計，既要遵從經(jīng)濟性原則，又要達到安全標準，同時給后期優(yōu)化創(chuàng)造前提條件。

2.2 ? 截面布局設計

當水深增大時，動態(tài)臍帶纜受到自重、海洋環(huán)境、上部平臺活動影響，導致所受拉力、循環(huán)彎曲交變荷載不斷升高。因為鎧裝鋼絲結(jié)構(gòu)呈螺旋纏繞形式，截面受到拉力荷載作用時，會對內(nèi)部纜芯（由不同功能單元構(gòu)成）施加徑向壓力P，見圖2。

不僅如此，纜芯徑向收縮量決定鎧裝鋼絲拉伸性能，換言之，面對拉力時，隨著徑向變形不斷增大，軸向伸長量也會隨之增加，結(jié)構(gòu)的抗拉伸能力下降。面對拉伸荷載時，鎧裝鋼絲徑向壓力可通過式（3）計算，拉伸力可通過式（4）和式（5）計算，如下所示。

（3）

（4）

（5）

式中，、、與依次表示鎧裝鋼絲的楊氏彈性模量、橫截面積、直徑與纏繞角;、依次表示纜體的軸向長度與伸長量;、依次表示鋼絲的螺旋半徑與徑向變化量;、依次表示內(nèi)核泊松比、彈性模量。

受到徑向壓力影響，臍帶纜不同構(gòu)件之間會出現(xiàn)擠壓力，見圖3，假設某層排布有各類構(gòu)件：A為液壓管道，B為電纜，C為光纜，D為填充。結(jié)合圖例進行說明，第二層某液壓管道不僅要承載一層、三層擠壓力Fc-0、Fc-3，而且要承載層間構(gòu)件擠壓力Fc-1、Fc-2。而在纜體面臨拉伸彎曲組合荷載后，滑動過程中，可通過式（6）求出摩擦應力、接觸壓力的關系，由此不難發(fā)現(xiàn)，如果構(gòu)件之間擠壓力達到一定程度，摩擦應力不斷提高，臍帶纜疲勞應力隨之上升，最終縮短使用年限。

（6）

式中，μ0、μ1、μ2與μ3代表摩擦系數(shù)，At代表管道的截面積。

從相關規(guī)范來看，單元布局必須遵照最大化對稱原則，但沒有提供量化指標與方法，缺乏可執(zhí)行性，在實踐方面難以產(chǎn)生作用。具體設計期間，常常按照經(jīng)驗來處理，隨意性非常明顯。所以，應當基于定量分析設計單元布局，借此達到優(yōu)化、改進目的。以對稱原則為前提，必須保證截面變形及內(nèi)部單元間擠壓力得到有效控制。

3 ? 系統(tǒng)設計與實驗（System design and experiment）

3.1 ? 設計流程

臍帶纜的設計較為復雜，一般要經(jīng)過反復地設計和修改。首先可根據(jù)項目功能需求，結(jié)合各構(gòu)件的材料性能及工藝可行性先進行初步截面設計，然后對存儲、安裝、在位等工況進行力學計算，從而判斷各單元結(jié)構(gòu)尺寸和位置是否滿足要求，并將力學計算中得出的最小彎曲半徑、彎曲剛度等結(jié)果對初步截面設計結(jié)果進行校正，之后再進行力學計算，一直重復此過程，直到得到符合要求的結(jié)構(gòu)設計。

臍帶纜設計分析系統(tǒng)主要構(gòu)建于WPF平臺上，應用了WPF的絕大多數(shù)特性，如XAML語言、內(nèi)容控件、布局、路由事件、依賴項屬性、命令、資源等。其中XAML語言即可擴展應用程序標記語言，以.xaml擴展名。作為一種聲明性標記語言，XAML結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)試方便。WPF中一般不使用基于坐標的布局，因為WPF使用的是矢量圖形，窗口與分辨率無關，窗口中所有的元素均使用設備無關單位度量。這使得WPF的布局更加靈活，能夠適應內(nèi)容及各種窗口尺寸的改變。WPF中的內(nèi)容控件非常靈活，嵌套功能較為方便。不僅布局包容器可以被嵌套，普通元素內(nèi)部也可直接放置元素進行嵌套，包括布局容器、圖片、矢量圖形等。在WPF中，資源一般指對象資源和程序集資源。對象資源可實現(xiàn)WPF對象的重復使用，是重用WPF樣式的基礎。在重用資源或樣式之前，需要先將資源字典添加到應用程序的資源集合中。WPF所提供控件都被設計成無外觀的（Lookless），它們的外觀是在控件模板（ControlTemplate）下單獨定義的。使用新的控件模板代替默認模板，可以創(chuàng)建新的基本控件。在實際使用過程中，控件模板通常定義在樣式中。通過WPF提供的樣式、內(nèi)容控件、觸發(fā)器等特性，能夠很大程度地減少手動創(chuàng)建新控件的情況。

3.2 ? 功能模塊設計

臍帶纜設計分析系統(tǒng)按功能劃分主要有三大功能模塊，如圖4所示分別是：幾何結(jié)構(gòu)設計模塊、基本性能參數(shù)計算模塊、力學計算模塊。其中幾何結(jié)構(gòu)設計模塊是軟件的基礎，幾何結(jié)構(gòu)設計模塊的輸出作為基本性能參數(shù)計算和力學計算的輸入。幾何結(jié)構(gòu)設計模塊進而細分為三個功能模塊：交互性逐層設計功能模塊，實時2D截面視圖，實時3D實體視圖。其中交互性逐層設計功能模塊是整個軟件的核心基礎。該功能所依托的基礎數(shù)據(jù)有基礎單元庫，組合單元模型庫，材料庫?；拘阅軈?shù)計算模塊包括計算臍帶纜外徑、臍帶纜重量、臍帶纜重量外徑比、導體直流電阻、絕緣電阻、絕緣介電強度。力學計算模塊包括鋼（軟）管分析模塊和靜態(tài)分析模塊，其中靜態(tài)分析模塊主要負責計算靜態(tài)力學參數(shù)。

3.3 ? 實驗設計與結(jié)果對比

用戶界面的設計是對軟件的操作邏輯、人機交互的整體設計，主要確定軟件界面的邏輯結(jié)構(gòu)、分類和層級關系等。臍帶纜設計系統(tǒng)用XAML語言實現(xiàn)界面外觀與交互，用C#編程語言實現(xiàn)了內(nèi)部計算與邏輯控制，實現(xiàn)了界面顯示和內(nèi)部邏輯的分離。臍帶纜設計系統(tǒng)的主界面窗口主要由菜單欄、功能區(qū)、2D繪圖區(qū)、設計樹、屬性區(qū)、單元區(qū)和方案區(qū)組成，如圖5所示。

利用構(gòu)建的臍帶纜設計分析系統(tǒng)結(jié)果與國外設計對比，如表1所示。

從上述結(jié)果可以看到，本文構(gòu)建的臍帶纜設計分析系統(tǒng)功能運行正常，能正確得到臍帶纜結(jié)構(gòu)設計的2D圖和3D圖，輸出幾何尺寸機構(gòu)、重量表和電氣參數(shù)表，得到的分析結(jié)果與國外設計各項參數(shù)基本吻合，結(jié)果最大相差10.5%，最小相差0.05%，實驗綜合平均相差5%，能達到對臍帶纜進行初步設計的要求。

4 ? 結(jié)論（Conclusion）

通過對國內(nèi)外臍帶纜的設計與分析，根據(jù)不同用途臍帶纜的特點和產(chǎn)品現(xiàn)狀，明確分析系統(tǒng)的功能需求，結(jié)合軟件開發(fā)技術(shù)，對臍帶纜基本組件建模，設計實現(xiàn)了同時具有結(jié)構(gòu)模型豐富、分析功能完備、人機界面友好、自動化程度高等特點的臍帶纜專業(yè)設計分析軟件。系統(tǒng)基于WPF軟件框架開發(fā)，可對臍帶纜截面進行幾何結(jié)構(gòu)設計，實時顯示二維截面示意圖和三維實體，輸出幾何結(jié)構(gòu)尺寸和電氣參數(shù)等特性，并具有截面力學分析、重量成本分析等輔助分析功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對臍帶纜的初步設計。采用上述臍帶纜設計分析系統(tǒng)對臍帶纜進行了設計分析實驗，并與國外設計各項參數(shù)進行了實例設計對比，結(jié)果最大相差10.5%，最小相差0.05%，平均相差在5%以內(nèi)。結(jié)果表明，本文設計的臍帶纜設計分析系統(tǒng)與國外設計結(jié)果基本吻合。

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作者簡介：

王劭文（1999-），男，本科生.研究領域：測試計量儀器與工程.

隋國榮（1974-），男，博士，副教授.研究領域：測試計量儀器與工程.