深遠(yuǎn)海35 kV陣列海底電纜的阻水和鎧裝設(shè)計(jì)方法及試驗(yàn)研究

陳果，楊黎明，方春華，景洋，蘇歡歡，伏文如，周遠(yuǎn)清，謝書鴻

(1.南海海纜有限公司，廣東 汕尾 516600；2.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002；3.中天科技海纜股份有限公司，江蘇 南通 226010；4.江蘇中天科技股份有限公司，江蘇 南通 226463)

隨著國內(nèi)外海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展和開發(fā)，近海沿岸的風(fēng)力資源越來越少，海上風(fēng)電將向風(fēng)力資源更加充沛的深遠(yuǎn)海發(fā)展[1-8]，但是深遠(yuǎn)海大水深工況下惡劣的敷設(shè)、運(yùn)行環(huán)境給海上風(fēng)電用陣列海底電纜帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)[9-13]。目前我國海上風(fēng)電工程多數(shù)應(yīng)用在工作水深小于50 m近淺海，海纜的阻水導(dǎo)體采用填充膨脹阻水帶工藝設(shè)計(jì)。深遠(yuǎn)海上風(fēng)電用陣列海底電纜，導(dǎo)體若采用填充阻水帶工藝，則難以滿足大截面、大水深、高性能阻水要求，必須采用新的技術(shù)工藝設(shè)計(jì)海纜導(dǎo)體。陣列海底電纜敷設(shè)搶修時的工作張力與工作水深、水流速度和海纜水中所受重力有關(guān)[14-15]，應(yīng)設(shè)計(jì)更大的工作張力，以滿足大水深工程的要求。

大水深海纜阻水性能研究早已成為目前的研究熱點(diǎn)。葉成[16]等為確定大水深海底電纜導(dǎo)體縱向阻水材料及合適的阻水方式，開發(fā)了大水深海底電纜產(chǎn)品，分別對不同阻水填充材料的熱穩(wěn)定、阻水等性能進(jìn)行測試和分析。文獻(xiàn)[17]對采用3種阻水帶填充的高壓電纜導(dǎo)體的阻水性能進(jìn)行了測試研究，并指出水汽壓力與滲水速度之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[18]通過優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，研制了一種型線絞合圓形阻水導(dǎo)體，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)緊湊，具有較高的填充系數(shù)和更好的阻水效果。王文超[19]等介紹了梯形單絲阻水導(dǎo)體設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)和制造3種截面尺寸下的阻水型線阻水導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，通過一系列試驗(yàn)研究阻水型線導(dǎo)體的各項(xiàng)性能指標(biāo)，驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)方法和制造工藝的合理性，并與緊壓圓形導(dǎo)體海纜進(jìn)行制造成本對比，驗(yàn)證型線結(jié)構(gòu)海纜的經(jīng)濟(jì)性。但以往研究僅從材料和電纜結(jié)構(gòu)方面優(yōu)化阻水性能，未對新型高性能阻水導(dǎo)體進(jìn)行開發(fā)研制。在海底電纜鎧裝技術(shù)方面，文獻(xiàn)[20]對海底鎧裝層受力進(jìn)行研究，綜合分析海底電纜承受拉伸載荷時產(chǎn)生的軸向伸長和扭轉(zhuǎn)，并對拉、扭、壓耦合載荷作用下海底電纜的力學(xué)性能進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[21]從洋流、敷設(shè)船的運(yùn)動、工作水深、海底電纜自身重量和材料特性等方面分析海底電纜敷設(shè)時受到的張力。文獻(xiàn)[22]分析了典型海纜結(jié)構(gòu)在螺旋和金屬等非線性因素下載荷和金屬構(gòu)件變形之間的曲線關(guān)系，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

針對現(xiàn)有研究的不足，本文研制了一種雙組分固化型非膨脹阻水填充高性能阻水導(dǎo)體，其外部采用高強(qiáng)度鋼絲鎧裝技術(shù)，通過試驗(yàn)對導(dǎo)體的阻水性能進(jìn)行測試，證明其完全滿足大水深海纜阻水要求。在理論研究過程中，建立海底電纜結(jié)構(gòu)模型，模擬海底電纜彎曲張力試驗(yàn)時所受的拉力，分別對海底電纜的成品纜、成纜線芯、光單元進(jìn)行受力分析。

1 陣列海底電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研制的35 kV陣列海底電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中成纜用填充材料為非吸濕用PP繩，結(jié)構(gòu)尺寸和技術(shù)要求見表1。該陣列海底電纜的結(jié)構(gòu)能夠滿足深遠(yuǎn)海風(fēng)電場的需求，分析其產(chǎn)品性能也對開展海底電纜的導(dǎo)體阻水、張力性能研究至關(guān)重要。

圖1 陣列海底電纜結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of array submarine cable structure

表1 陣列海底電纜結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求Tab.1 Array submarine cable structure and technical requirements

海底電纜敷設(shè)在惡劣的海洋環(huán)境中，當(dāng)受到外力作用，海底電纜本體或者接頭出現(xiàn)故障，在海水的壓力作用下，水分可能會沿著導(dǎo)體縫隙縱向滲入，接觸到絕緣，在擴(kuò)散力及電場力的共同作用下，水分子通過無定形相的空隙和晶相的晶界缺陷處滲透到絕緣材料中[1]。交聯(lián)聚乙烯絕緣吸水后，在電場的作用下形成水樹，影響絕緣壽命，因此研制高性能阻水導(dǎo)體具有重要意義。此外，鎧裝是海底電纜的重要部件，鎧裝提供足夠的機(jī)械保護(hù)，以防止安裝機(jī)具、漁具和錨具帶來的外部威脅，其同時提供足夠的張力，可以滿足海底電纜安裝過程中承受的靜態(tài)和動態(tài)張力作用要求[23]。

2 高性能阻水導(dǎo)體設(shè)計(jì)研究

2.1 導(dǎo)體阻水材料選型

海底電纜導(dǎo)體阻水工藝主要分為膨脹型填充阻水和非膨脹型填充阻水，二者的阻水原理存在顯著差異。

膨脹型阻水材料有阻水帶、阻水紗、阻水粉。當(dāng)水或潮氣滲入導(dǎo)體時，阻水帶(阻水粉、阻水紗)遇水后吸水迅速膨脹，形成一定厚度和黏度的凝膠，抵擋水壓，阻斷滲水通道。遇水膨脹型填充阻水帶產(chǎn)生的凝膠狀物質(zhì)在水壓作用下沿著導(dǎo)體縫隙滲透，滲透速度與阻水帶的吸水速度、生成凝膠物的黏度和填充的縫隙尺寸有關(guān)。膨脹型填充阻水工藝在填充縫隙小導(dǎo)體方面具有良好的阻水效果。試驗(yàn)表明：膨脹型阻水帶填充800 mm2導(dǎo)體，在水壓1 MPa、時間10 d后，滲水距離大于30 m。填充膨脹吸水型材料在生產(chǎn)過程中會吸收空氣中水分，應(yīng)對導(dǎo)體除潮。

非膨脹填充阻水是在導(dǎo)體縫隙內(nèi)部密實(shí)填充非凝膠狀固體介質(zhì)，以阻斷海水或潮氣侵入導(dǎo)體，特別適合大水深、大截面阻水導(dǎo)體。非膨脹阻水主要有兩大類：一類是熱塑性材料，填充材料隨時間和溫度的變化不會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)；另一類是熱固性材料，可分為單組分或多組分2種，填充后在特定的溫度和時間后，填充物由流動態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變，非膨脹阻水材料本身不吸水，填充后不需要再對導(dǎo)體除潮。

2.2 阻水導(dǎo)體研究

2.2.1 導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用分層緊壓設(shè)計(jì)減小導(dǎo)體外徑，具有良好的阻水性能。設(shè)計(jì)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)時需考慮導(dǎo)體的耐張和耐拉性能，通常采用緊壓系數(shù)η、緊壓延伸系數(shù)μ來表示。η越大，實(shí)際有效截面AJZ與輪廓截面AJL的比值越大，導(dǎo)體外徑越小，導(dǎo)體縫隙越小，填充量越少，漏水概率越低，越不容易進(jìn)水，即導(dǎo)體的阻水性能越好。例如設(shè)計(jì)導(dǎo)體的實(shí)際截面為824 mm2，可按式(1)、(2)計(jì)算導(dǎo)體緊壓系數(shù)η及緊壓延伸系數(shù)μ。

(1)

式中Dc為導(dǎo)體直徑，取34.2 mm。由式(1)計(jì)算得出η=0.90。

(2)

式中：dc為導(dǎo)體單線直徑，取3.04 mm；Nc為導(dǎo)體單線根數(shù)，取121；AZ為未緊壓前截面積。由式(2)計(jì)算得出μ=1.065。

2.2.2 導(dǎo)體的阻水工藝

研制產(chǎn)品采用非膨脹型填充阻水材料。在未固化前，膠體呈現(xiàn)黏稠態(tài)，觸變性極佳，配合專用的工藝設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體縫隙內(nèi)充分填充，填充后無流淌性縫隙。阻水導(dǎo)體的生產(chǎn)采用導(dǎo)體絞合與注膠同步工藝，導(dǎo)體縫隙填充后如圖2所示。

圖2 導(dǎo)體外層填充效果Fig.2 Filling effect of conductor outer layer

上述工藝可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體的高阻水性能，產(chǎn)品特點(diǎn)如下：

a)阻水材料由聚合物導(dǎo)電填充材料組成，填充前的材料為黑色黏稠態(tài)雙組分膠體。此材料以丁基膠類為基材，同時添加大分子長鏈聚合物，以保持材料未交聯(lián)時的觸變性，同時避免小分子類材料的使用，以保證材料固化后的高溫穩(wěn)定性。導(dǎo)電材料采用特殊研制的非金屬類長效導(dǎo)電材料，避免因過度使用常規(guī)導(dǎo)電材料，引起材料強(qiáng)度下降、黏稠度增加等問題。

b)材料由A和B這2種按照比例混合，采用專用設(shè)備填充到導(dǎo)體縫隙，縫隙內(nèi)膠體填充均勻，無氣泡缺陷。

c)填充后的導(dǎo)體在一定溫度和時間后變?yōu)闊峁绦圆牧稀Ｔ趯?dǎo)體制作過程中，具體固化工藝可采用在線固化和填充后固化2種方式。在線固化方式宜采用非接觸在線加熱設(shè)備，對電纜導(dǎo)體進(jìn)行加熱，以實(shí)現(xiàn)填充材料的快速固化。該固化方式的固化效果與加工速度、導(dǎo)體構(gòu)成、加熱設(shè)備效率等因素相關(guān)，一般要根據(jù)生產(chǎn)導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行生產(chǎn)工藝規(guī)定。

對于填充后固化工藝，可以結(jié)合填充材料溫度與固化時間的關(guān)系曲線來規(guī)定，如圖3所示。以溫度115 ℃為例：在0～1.3 min時間內(nèi)，硫化效率曲線的斜率最大，固化效率也最高；材料在4 min時扭矩達(dá)到極值，材料固化完成。加熱烘箱設(shè)備溫度宜控制在65～75 ℃，以材料特性曲線為參照，導(dǎo)體生產(chǎn)后根據(jù)導(dǎo)體的長度、烘房的加溫速率等進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。經(jīng)過工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，固化溫度調(diào)整為70 ℃、時間為168 h時，達(dá)到同樣的固化效果。

圖3 115 ℃時填充材料固化時間與硫化效率及 設(shè)備扭矩參數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship between curing time of filler material and curing efficiency and equipment torque parameters at 115 ℃

填充材料固化速率的控制將影響到產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和加工工藝的適應(yīng)性。本研制產(chǎn)品用填充材料既可以在加工完成后進(jìn)行后續(xù)的加溫固化或室溫固化，也可根據(jù)圖3的固化曲線，在生產(chǎn)過程中同步加熱，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)時的在線瞬時固化，具有固化速率快等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于海底電纜的加工工藝需求。

d)膠體固化后，填充膠密實(shí)，附著力好，阻水性能優(yōu)異。填充固化后的效果如圖4所示。

e)產(chǎn)品熱穩(wěn)定性強(qiáng)?？紤]到電纜導(dǎo)體的使用工況，填充材料設(shè)計(jì)時充分考慮了材料的熱穩(wěn)定需求。該材料在充分固化后，可以在150 ℃的情況下長期使用，經(jīng)200 ℃、168 h老化測試，其強(qiáng)度、伸率變化率小于15%，證明其具有良好的熱穩(wěn)定性。

圖4 導(dǎo)體填充固化效果Fig.4 Conductor filling and curing effect

2.2.3 導(dǎo)體阻水性能測試驗(yàn)證

對研制導(dǎo)體進(jìn)行阻水測試，測試時充分考慮海底電纜導(dǎo)體的應(yīng)用環(huán)境，并進(jìn)行預(yù)處理，試驗(yàn)過程如下：

a)將研制的標(biāo)稱截面為800 mm2阻水導(dǎo)體制作成交聯(lián)聚乙烯絕緣線芯。

b)對交聯(lián)聚乙烯絕緣線芯進(jìn)行彎曲張力試驗(yàn)，彎曲直徑為3.2 m，試驗(yàn)張力為56 kN。

c)對線芯施加適當(dāng)?shù)臒崤蛎?，對絕緣線芯進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)，8 h內(nèi)導(dǎo)體升溫到95～100 ℃，并在該溫度下保持2 h，然后16 h自然冷卻；循環(huán)3次[6]。

d)對樣品進(jìn)行阻水測試，阻水試驗(yàn)裝置示意圖如圖5所示。

圖5 導(dǎo)體阻水試驗(yàn)裝置Fig.5 Diagram of conductor water resistance test device

試驗(yàn)結(jié)果表明：研制的標(biāo)稱截面為800 mm2阻水導(dǎo)體，經(jīng)水壓5 MPa、時間10 d后，導(dǎo)體內(nèi)部滲水距離小于1 m。

3 高強(qiáng)度鋼絲鎧裝技術(shù)

3.1 鋼絲強(qiáng)度選擇

根據(jù)光纖復(fù)合海底電纜的使用應(yīng)力分配，考慮光纖余長，按照目前電纜手冊及技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)鋼絲0.5%應(yīng)變時對應(yīng)的強(qiáng)度進(jìn)行取值。對于G34、G85等級[17]鋼絲應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，測試表明：直徑6.0 mm、G34等級的鋼絲在0.5%應(yīng)變時的應(yīng)力為10 k N、強(qiáng)度為354 MPa；直徑5.0 mm、G85等級的鋼絲在0.5%應(yīng)變時的應(yīng)力為11 kN、強(qiáng)度為561 MPa。G34、G85等級鋼絲的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖6所示。

圖6 G34、G85等級鋼絲應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.6 Stress and strain relationship of G34 and G85 steel wires

經(jīng)過對比測試，G85等級鋼絲相比G34等級鋼絲具有優(yōu)勢。研制的陣列海底電纜鎧裝前外徑為170.8 mm，鎧裝鋼絲根數(shù)為97。為滿足設(shè)計(jì)工作的張力要求，考慮使用在大水深的環(huán)境，研制陣列海底電纜鎧裝鋼絲設(shè)計(jì)強(qiáng)度為850 MPa。

3.2 海底電纜的工作張力設(shè)計(jì)

當(dāng)波浪高度小于2 m、水深不大于500 m時，根據(jù)CIGRE TB/623—2015《海底電纜機(jī)械試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)》可知陣列海底電纜彎曲張力試驗(yàn)最大張力F1計(jì)算如下：

F1=1.3WwHw+Fr，

(3)

Fr=40Ww.

(4)

式(3)、(4)中：Ww為長度為1 m的海底電纜水中重量，取460.6 N/m；Hw為最大水深，取500 m；Fr為最大允許海底電纜剩余張力。由式(3)、(4)計(jì)算得：Fr=18.42 kN；F1=318 kN(彎曲張力試驗(yàn)實(shí)際值為323 kN)。

假設(shè)海底電纜的工作張力完全由鎧裝鋼絲承擔(dān)，采用直徑5.0 mm、G85等級鋼絲，鋼絲截面面積為1 904.6 mm2鋼絲鎧裝允許的最大工作張力Fsw計(jì)算為

Fsw=n0σ/k.

(5)

式中：n0為鎧裝鋼絲根數(shù)，n0=97；σ為單根鎧裝鋼絲0.5%應(yīng)變時的應(yīng)力，σ=11 kN；k為安全系數(shù)，取值為3.30。由式(5)計(jì)算得Fsw=323 kN。

如陣列海底電纜采用直徑6.0 mm、G34等級鋼絲鎧裝，彎曲張力實(shí)際試驗(yàn)值為342 kN，1 m海底電纜水中重量Ww=489.7 N/m，鋼絲截面面積為2 290.2 mm2，n0=81，σ=10 kN，k取值為2.37，則計(jì)算得Fsw=342 kN。

經(jīng)過計(jì)算校核，設(shè)計(jì)海底電纜采用直徑5.0 mm、G85等級鋼絲鎧裝，具有較高的安全系數(shù)和較輕的鎧裝重量。

3.3 鎧裝工藝計(jì)算

根據(jù)已確定的陣列海底電纜鎧裝鋼絲直徑、鎧裝中心直徑、鋼絲節(jié)距、生產(chǎn)設(shè)備特性來設(shè)計(jì)鎧裝鋼絲根數(shù)和扭轉(zhuǎn)角度。

3.3.1 鎧裝鋼絲根數(shù)

鎧裝鋼絲的根數(shù)與鋼絲直徑dw、鎧裝中心直徑D、鋼絲節(jié)距hkj有關(guān)。

(6)

式中：dw取5.0 mm；D取165.8 mm；K為考慮鎧裝鋼絲間隙的系數(shù)，大于0.9，取0.92；hkj取2 207 mm。由式(6)計(jì)算得n0=97。

3.3.2 鋼絲變形計(jì)算

在不退扭絞合時，1個鎧裝節(jié)距鋼絲線變形角度為2πsina[24]，節(jié)徑比m及絞合角a計(jì)算如下：

(7)

(8)

式(7)、(8)中：hkj為鎧裝節(jié)距；D為鎧裝中心直徑。

當(dāng)設(shè)計(jì)鎧裝節(jié)徑比為13時，節(jié)距hkj=2 207 mm，絞合角為76.4°，1個節(jié)距內(nèi)鎧裝鋼絲的扭轉(zhuǎn)角度為349.9°。為了降低鎧裝鋼絲的扭轉(zhuǎn)變形，鎧裝鋼絲生產(chǎn)時放線盤具采用搖籃式退扭放線裝置，在每個鎧裝節(jié)距內(nèi)搖籃反向旋轉(zhuǎn)360°。搖籃式退扭裝置如圖7所示，每個節(jié)距內(nèi)鋼絲反向旋轉(zhuǎn)角度為10.1°，鋼絲扭轉(zhuǎn)的角度為4.6(°)/m。

圖7 搖籃式退扭裝置Fig.7 Cradle type detorsion equipment

4 張力性能研究

根據(jù)表2不同材料的機(jī)械性能屬性，計(jì)算陣列海底電纜的剛度，利用剛度來表征材料或結(jié)構(gòu)在受力時抵抗彈性變形的能力。基于CableCAD v2.4e計(jì)算海底電纜的軸向、彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。對研制的海底電纜施加323 kN設(shè)計(jì)最大工作荷載，分析在此荷載下，各部件軸向應(yīng)力、應(yīng)變和安全系數(shù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)可靠性。

表2 CableCAD計(jì)算各層材料參數(shù)表Tab.2 Material parameter of each layer for CableCAD

4.1 陣列海底電纜的CableCAD模型

根據(jù)研制產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，在計(jì)算軟件中建立結(jié)構(gòu)模型如圖8和圖9所示，G85等級鋼絲拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖10所示。

4.2 陣列海底電纜受力分析

4.2.1 陣列海底電纜整體分析

成品海底電纜的三維模型如圖11所示。

圖8 成纜線芯模型Fig.8 Insulation core model

圖9 成品海底電纜模型Fig.9 Completed submarine cable model

圖10 G85等級鋼絲拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.10 Tensile-strain curves of G85 steel wire

圖11 成品海底電纜的三維模型Fig.11 3D model of completed submarine cable

對成品海底電纜施加拉力荷載，荷載增加到323 kN。根據(jù)海底電纜型式試驗(yàn)的實(shí)際數(shù)據(jù)，彎曲直徑取值為6.2 m，對此荷載下的海底電纜進(jìn)行受力分析，得到鎧裝鋼絲、線芯和光單元的各自受力。在CableCAD中選擇兩端固定約束的邊界條件，避免電纜在加載過程中發(fā)生旋轉(zhuǎn)。沿電纜軸向施加拉力荷載，彎曲直徑輸入6.2 m，分析形式選擇bent cable，分析模型選擇Layer element，荷載從0開始增加，以20 kN的增量逐步加載到最大張力323 kN，計(jì)算該荷載下海底電纜各層安全系數(shù)和軸向荷載應(yīng)變曲線，如圖12、13所示。表3所列為成品海底電纜各主要受力層力學(xué)參數(shù)。由表3可以看出，鎧裝層承受的拉力最大，為190.53 kN，安全系數(shù)最小，為8.20。鎧裝層是承受拉力的主要部件，各部件層均處于安全狀態(tài)，其中成纜線芯受力130.22 kN，光單元受力2.19 kN。由圖12可知，海底電纜的軸向應(yīng)變隨荷載的增大而增加。

表3 成品海底電纜各主要受力層力學(xué)參數(shù)(屈服)Tab.3 Mechanical parameter of each main stress layer of finished marine cable (yield)

圖12 323 kN時陣列海底電纜各層安全系數(shù)(屈服)Fig.12 Safety factor of each layer of array cable at 323 kN (yield)

4.2.2 成纜線芯受力分析

由表3可知成纜線芯共同承擔(dān)了130.22 kN拉力，單根線芯承擔(dān)43.4 kN拉力，彎曲直徑為6.2 m，計(jì)算該荷載下成纜線芯各層安全系數(shù)和軸向荷載應(yīng)變曲線，如圖14、15所示。

圖13 323 kN時陣列海底電纜的荷載-應(yīng)變曲線Fig.13 Load-strain curve of array cable at 323 kN

圖15 43.4 kN時線芯軸向荷載-應(yīng)變曲線Fig.15 Axial load-strain curve of cable core at 43.4 kN

由圖14可以看出，導(dǎo)體和鉛套的安全系數(shù)較小，圖15展示了成纜線芯軸向應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。成纜線芯各層力學(xué)參數(shù)值見表4。鉛套層安全系數(shù)最低，最易破壞的是鉛套層，其次是導(dǎo)體最內(nèi)層。

表4 成纜線芯各層力學(xué)參數(shù)(屈服)Tab.4 Mechanical parameter of each layer of insulated core (yield)

4.2.3 光單元受力分析

由表3可知光單元承受了2.19 kN拉力，彎曲直徑取6.2 m，對此荷載下的光單元內(nèi)各層進(jìn)行受拉力分析。光單元內(nèi)部各層力學(xué)參數(shù)見表5。計(jì)算得到此荷載下光單元各層安全系數(shù)和軸向荷載-應(yīng)變曲線，如圖16、17所示。

表5 光單元金屬層力學(xué)參數(shù)(屈服)Tab.5 Mechanical parameter of metal layer of optical unit (yield)

圖16 2.19 kN時光單元各層安全系數(shù)(屈服)Fig.16 Safety factor of each layer of optical unit at 2.19 kN (yield)

圖17 2.19 kN時光單元軸向荷載-應(yīng)變曲線Fig.17 Axial load-strain curve of optical unit at 2.19 kN

經(jīng)分析，鎧裝鋼絲層承受的拉力最大，為1 938.35 N，是光纖單元的主要受力部件。不銹鋼管的安全系數(shù)最小，為2.27，最易發(fā)生屈服破壞。光單元各層最大應(yīng)變?yōu)?.054 7%，未超過光纖設(shè)計(jì)余長，所以在設(shè)計(jì)工作張力下光纖不受力。

4.3 力學(xué)分析結(jié)論

模擬海底電纜在彎曲張力試驗(yàn)時所受拉力，分別對海底電纜的成品纜、成纜線芯、光單元進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

a)成品纜在323 kN拉力作用下，鋼絲是主要受力件，其余部件應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)。

b)單個成纜線芯在43.4 kN的拉力作用下，各層也均未達(dá)到屈服狀態(tài)，成纜線芯具有足夠的安全性。

c)光單元在2.19 kN的拉力作用下，各層均未達(dá)到屈服狀態(tài)。光單元最大應(yīng)變?yōu)?.054 7%，應(yīng)變小于光纖余長，光單元具有足夠的安全性。

d)在323 kN的拉伸荷載作用下，相對于安全系數(shù)保守臨界值2.0來說，研制陣列海底電纜的安全系數(shù)均大于2.0，表明彎曲張力試驗(yàn)過程是絕對安全的。

5 產(chǎn)品型式試驗(yàn)

研制的陣列海底電纜系統(tǒng)(含工廠接頭)按IEC 63026：2019《額定電壓6 kV(Um=7.2 kV)到60 kV(Um=72.5 kV)擠包絕緣海底電纜及附件 試驗(yàn)方法和要求》要求進(jìn)行盤繞試驗(yàn)，并經(jīng)過直徑為6.2 m、工作張力為323 kN時彎曲張力試驗(yàn)。方法為取直徑為6.2 m的轉(zhuǎn)輪、長度45 m的試驗(yàn)海底電纜，在轉(zhuǎn)輪上卷繞和退出卷繞3次。隨后進(jìn)行全性能電氣型式試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果完全滿足要求。

6 結(jié)論

a)研制的陣列海底電纜導(dǎo)體采用雙組分膠固化填充，具有優(yōu)異的阻水性能，通過滲水試驗(yàn)驗(yàn)證，導(dǎo)體在水壓5 MPa、時間10 d后滲水距離小于1 m，滿足大水深工程下高性能阻水的要求。

b)基于500 m工作水深設(shè)計(jì)了陣列海底電纜的結(jié)構(gòu)，計(jì)算海底電纜的安裝敷設(shè)工作張力為323 kN，選取鎧裝鋼絲在0.5%應(yīng)變時的應(yīng)力值來計(jì)算海底電纜安裝敷設(shè)時的工作張力更為合理，具有足夠的安全裕度，采用高強(qiáng)度鋼絲鎧裝減輕了海底電纜重量，提高了海底電纜機(jī)械性能，具有顯著經(jīng)濟(jì)技術(shù)性優(yōu)勢。

c)采用CableCAD軟件針對陣列海底電纜各部件(層)的安全系數(shù)、應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行系統(tǒng)分析。海底電纜在323 kN載荷下各部件(層)應(yīng)力具有足夠大的安全系數(shù)，光纖單元不銹鋼管應(yīng)變?yōu)?.054 7%，小于光單元的余長，光纖不受力，產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理。

d)陣列海底電纜系統(tǒng)(含軟接頭)按最新IEC 63026：2019標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全性能測試，產(chǎn)品性能完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。