基于OrcaFlex 的碼頭至敷纜船動態(tài)電纜導(dǎo)纜分析

張長明,高科佳

(1.中海石油(中國)股份有限公司深圳分公司,深圳 518000;2.寧波東方電纜股份有限公司,寧波 315300)

0 引 言

海洋動態(tài)電纜用于傳輸和連接深海觀測設(shè)備、海洋工程設(shè)施、海底油氣管線等。 這些設(shè)備因深海作業(yè)或勘測,不僅要求海洋動態(tài)電纜具有耐海水腐蝕、大浪沖擊、海底摩擦等特性,還需要具備較好的彎曲性能和拉伸強(qiáng)度,以適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境和海底地形。 海洋動態(tài)電纜在海洋工程、深海勘探、海底地質(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,對推動海洋經(jīng)濟(jì)和保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

海洋動態(tài)電纜的投入使用通常會經(jīng)歷設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、導(dǎo)纜、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行等流程。 其中,導(dǎo)纜是不可忽視的重要環(huán)節(jié),纜線在導(dǎo)纜過程中應(yīng)避免過拉、過壓,以良好的狀態(tài)投入使用[1-2]。 眾多專家學(xué)者對纜線性能進(jìn)行了深入的研究。 張永甲[3]研究了導(dǎo)體絞合工藝對纜線耐彎折性能的影響。 陳紫薇等[4]研究了風(fēng)機(jī)安裝船懸掛電纜張力的計(jì)算,并對影響拉力的因素進(jìn)行了總結(jié)。 夏云海等[5]對220 kV 平滑鋁套高壓電纜進(jìn)行研究,對其彎曲性能和抗沖擊性能進(jìn)行了試驗(yàn)與驗(yàn)證。

目前,海上風(fēng)電、海洋光伏能領(lǐng)域不斷發(fā)展壯大,海洋動態(tài)電纜的需求也在不斷增加,但動態(tài)電纜導(dǎo)纜方面的研究較少,且這類研究通常需要具備相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 本工作通過OrcaFlex 進(jìn)行仿真模擬,還原實(shí)際導(dǎo)纜情形,分析導(dǎo)纜過程中遇到的問題,為海洋動態(tài)電纜在導(dǎo)纜方面的實(shí)踐提供參考。

1 模型建立

1.1 參數(shù)設(shè)定

隨著海洋動態(tài)電纜領(lǐng)域商用軟件的不斷研發(fā)和推進(jìn),目前有OrcaFlex、ANSYS、UFLEX 仿真軟件可供選擇。 其中,OrcaFlex 是一款廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)和分析海洋系統(tǒng)及其設(shè)施的專業(yè)軟件。 對于動態(tài)電纜,OrcaFlex 可以在動態(tài)電纜的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行階段提供各種分析和建模工具,幫助用戶評估動態(tài)電纜系統(tǒng)的性能、可靠性和安全性。

在OrcaFlex 中,動態(tài)電纜的能力曲線是導(dǎo)纜過程中載荷作用的最大界線。 該能力曲線可通過動態(tài)電纜相關(guān)計(jì)算參數(shù)的設(shè)計(jì)輸入仿真得到。 其中,動態(tài)電纜模型的外徑、扭轉(zhuǎn)剛度、軸向剛度、彎曲剛度、空氣中質(zhì)量、纜線的路由等均被輸入到模型中。 該仿真模擬試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)纜線所能承受的最大張力為200 kN,最大曲率為0.5 m-1,具體參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 電纜參數(shù)

1.2 物理模型建立與分析

不同的導(dǎo)纜情景涉及不同的實(shí)體模型,以碼頭至敷纜船導(dǎo)纜模型為例進(jìn)行模擬。

在碼頭至敷纜船的導(dǎo)纜模型中,涉及的主要實(shí)體模型有:敷纜船、碼頭門機(jī)、引橋、張緊器、門機(jī)后側(cè)導(dǎo)軌、海水和海床。 為了便于模型的收斂,應(yīng)對模型進(jìn)行優(yōu)化,將復(fù)雜的構(gòu)建簡化成方塊或弧板,碼頭至敷纜船導(dǎo)纜模型見圖1,門機(jī)示意圖見圖2。 其中,R為半徑,mm。

圖1 碼頭至敷纜船導(dǎo)纜模型

圖2 門機(jī)示意圖

圖3 極限位置點(diǎn)

考慮到纜線的兩個比較重要的能力參數(shù)曲率和張力,在做詳細(xì)分析前,需要對可能的受拉或受壓的位置進(jìn)行判斷。 本工作中的碼頭門機(jī)及導(dǎo)軌模型涉及多處彎段,每處彎段的曲率不應(yīng)超過纜線的曲率能力范圍,且在導(dǎo)纜過程中還應(yīng)考慮轉(zhuǎn)盤損壞、張緊器繼續(xù)運(yùn)作的情景,這會造成落地點(diǎn)側(cè)的纜線出現(xiàn)不良的受壓。 若張緊器損壞,轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動,則會導(dǎo)致纜線受拉。

1.3 工況設(shè)計(jì)

實(shí)際導(dǎo)纜過程會涉及更多的工況,如纜線是落在纜盤內(nèi)圈還是外圈、潮位是高潮還是低潮、纜線在纜盤上堆高的高度等,導(dǎo)纜工況見表2。 不同工況會影響纜線出弧板至落地點(diǎn)的線形。

表2 導(dǎo)纜工況

導(dǎo)纜分析通常還要考慮設(shè)備損壞的狀況。 碼頭至敷纜船導(dǎo)纜的場景中,通常要考慮張緊器后轉(zhuǎn)盤損壞的影響,纜線在設(shè)備停止后表現(xiàn)為受拉和受壓的狀態(tài)。 從設(shè)備損壞至纜線損壞有一定的時間,這段時間為碼頭操作人員的反應(yīng)時間。 探究碼頭操作人員實(shí)際所擁有的反應(yīng)時間是導(dǎo)纜分析的重要一環(huán)。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 集中質(zhì)量法

動態(tài)電纜的動力響應(yīng)采用集中質(zhì)量法。 將纜線分為多個單元,每個單元的質(zhì)量和受力均分在兩個單元節(jié)點(diǎn)上,節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間通過無質(zhì)量的彈簧進(jìn)行連接。 纜線的軸向剛度、彎曲剛度和材料阻尼等參數(shù)通過彈簧的剛度和阻尼屬性來滿足。 集中質(zhì)量法將纜線單元所受載荷等效為節(jié)點(diǎn)載荷,每個節(jié)點(diǎn)建立運(yùn)動方程如[6]

式中:M為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量矩陣,kg;C為節(jié)點(diǎn)處阻尼系數(shù)矩陣,N·s·m-1;K為剛度矩陣,包括軸向剛度和彎曲剛度,忽略扭轉(zhuǎn)剛度的影響,N·m-1;·為節(jié)點(diǎn)加速度,m·s-2;為節(jié)點(diǎn)速率,m·s-1;X為節(jié)點(diǎn)位移,m;F為t時刻所受外力,N;t為時間,s。 代入邊界條件后,可求解纜線各質(zhì)點(diǎn)的位移,從而獲得各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動。

2.2 懸鏈線方程

懸鏈線方程是描述懸鏈線形狀的方程,可以用來計(jì)算懸鏈線的張力、形狀等參數(shù),見公式(2)。 在海洋工程中,懸鏈線常用于描述懸掛在水下的纜線、鋼索等結(jié)構(gòu)物的形狀和受力情況。

式中:H為輸電線路軌跡上的點(diǎn)離海平面的距離,m;t為輸電線路軌跡上的點(diǎn)距離參考點(diǎn)的水平距離,m;A、B、C均為常數(shù),m。 以輸電線路側(cè)面為二維平面,海平面初始值為零。A、B、C由懸鏈線方程通過3 個航點(diǎn)測得的t計(jì)算得到,多組數(shù)據(jù)所得A、B、C不同時取均值。A決定懸鏈線開口方向和大小;B決定偏移距離;A、C決定離海平面距離;三者共同決定懸鏈線形狀。

3 設(shè)計(jì)方法

工廠內(nèi)的裝船路線設(shè)有軌道,軌道上裝有滾輪,且軌道的彎段有足夠大的半徑,遠(yuǎn)大于纜線的最小彎曲半徑。 因此,整個導(dǎo)纜分析,主要是檢查裝載臂和敷纜船轉(zhuǎn)盤之間的懸鏈線形狀。

為了確保裝船作業(yè)順利進(jìn)行,先對敷纜船轉(zhuǎn)盤中心和起重機(jī)的水平位置進(jìn)行確定。 使用迭代方法,以O(shè)rcaFlex 模型調(diào)整敷纜船相對碼頭的一系列位置,找到所有情況下的適用位置。 在此步驟完成后,敷纜船和碼頭的相對位置將固定,不再移動。

通過模擬不同工況下、不同設(shè)備的意外損壞情況,得出操作人員導(dǎo)纜作業(yè)的最小反應(yīng)時間,同時對不同工況觸地點(diǎn)與出弧板起點(diǎn)之間的懸鏈線長度和兩點(diǎn)間的水平距離進(jìn)行采樣,為碼頭操作人員的導(dǎo)纜控制提供依據(jù)。

4 仿真結(jié)果

根據(jù)表2 中4 種不同工況進(jìn)行模擬仿真,求得每種工況的輸出結(jié)果。 以工況1 為例展開詳述,并與表3 中的電纜能力進(jìn)行對比,先檢查電纜關(guān)鍵參數(shù)(張力和曲率)是否被突破,再研究關(guān)鍵設(shè)備失效或未同步時的反應(yīng)時間。

表3 電纜能力

4.1 極限位置

在裝載過程中,懸掛索傾向于在彎曲段和接觸點(diǎn)達(dá)到臨界點(diǎn)。 因此,在結(jié)果中捕獲了以下關(guān)鍵點(diǎn):彎段(P1);彎段(P2);弧板(P3);弧板(P4);觸地點(diǎn)(P5)。

圖4 為懸鏈線的垂直距離和水平距離。 其中,H為垂直距離,m;x為水平距離,m。

圖4 懸鏈線的垂直距離和水平距離

4.2 工況1:內(nèi)圈和低潮

4.2.1 正常運(yùn)轉(zhuǎn)時

圖5 為電纜從碼頭裝載至運(yùn)輸船的正常運(yùn)作。圖6 為在仿真時間內(nèi),纜線沿纜長方向張力和曲率的變化。

圖5 工況1 正常運(yùn)作示意圖

圖6 工況1 正常運(yùn)作載荷

根據(jù)纜長位置,分別對P1～P5位置點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注,5 個點(diǎn)所體現(xiàn)的數(shù)值符合預(yù)期,纜線在這5 個點(diǎn)處受彎段的曲率較大。 將所統(tǒng)計(jì)纜長段的載荷表現(xiàn)與最大張力(200 kN)、最小曲率(0.5 m-1)進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)在該工況進(jìn)行導(dǎo)纜時,纜線所受載荷低于電纜能力。

4.2.2 轉(zhuǎn)盤失效時反應(yīng)時間分析

以O(shè)rcaFlex 模型模擬敷纜船轉(zhuǎn)盤失效,而張緊器繼續(xù)工作的情況。 圖5 和圖7 分別表示正常情況和轉(zhuǎn)盤失效時電纜狀態(tài)的差異。

圖7 工況1 轉(zhuǎn)盤失效

圖7 中的方框表示電纜由于堆積而突破限制,失效標(biāo)準(zhǔn)可以參考表3 中的最大曲率。 突破點(diǎn)為箭頭所指位置。 該工況下,纜線由于堆積導(dǎo)致觸地點(diǎn)前彎段曲率超出,詳情見圖7(b)局部放大圖。 從轉(zhuǎn)盤失效到電纜超過故障極限的時間為66 s。 因此,工況1 轉(zhuǎn)盤失效的反應(yīng)時間應(yīng)為66 s。

4.2.3 張緊器失效時反應(yīng)時間分析

以O(shè)rcaFlex 模型模擬張緊器失效,而敷纜船轉(zhuǎn)盤繼續(xù)工作的情況。 圖5 和圖8 給出了張緊器失效時正常情況和損壞時電纜狀態(tài)的差異。

圖8 工況1 張緊器失效

這種故障情況是電纜被加載到轉(zhuǎn)盤的內(nèi)框架側(cè),而轉(zhuǎn)盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn),張緊器停止放線。 此時,電纜往往會被拉伸,超過內(nèi)部籃筐的高度,并滑向另一側(cè),導(dǎo)致電纜呈S 形彎曲,其曲率迅速增加。 圖8(a)中,正進(jìn)行內(nèi)圈導(dǎo)纜,張緊器停止,纜線隨著轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)而被拉緊。 沿內(nèi)側(cè)圓柱作一條弧線,突破點(diǎn)在纜線與弧線的交點(diǎn)處,詳情見圖8(b)中的局部放大圖。 該位置曲率超額,故障標(biāo)準(zhǔn)可以參考表3 中的最大曲率。 從張緊器失效到電纜超過故障極限的時間為55 s。 因此,工況1 張緊器失效的反應(yīng)時間應(yīng)為55 s。

4.3 結(jié)果采樣分析

同理,進(jìn)行其他工況的分析,具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 正常情況下的懸鏈線參數(shù)采樣

由表4 可知,當(dāng)電纜裝載處于正常運(yùn)行狀態(tài)時,對于所有工況, 頂部張力遠(yuǎn)低于最大張力(200 kN)。 雖然如此,即使張力符合要求,如果曲率大于最大曲率(0.5 m-1),電纜仍可能被損壞。 因此,應(yīng)兼顧最大張力和最大曲率。

裝載速率約為5 m·min-1。 正常運(yùn)行時,轉(zhuǎn)盤和張緊器均以相同的速率運(yùn)轉(zhuǎn)。 如果在纜線裝載時運(yùn)輸船轉(zhuǎn)盤發(fā)生故障,轉(zhuǎn)盤則將停止收纜線,而張緊器繼續(xù)放纜線,導(dǎo)致電纜在轉(zhuǎn)盤中堆積和彎曲。工況5 ～8 為工況1 ～4 對應(yīng)的轉(zhuǎn)盤失效。 模擬結(jié)果表明,工況5 ～8 的失效原因均為堆積造成的彎曲。

如果在纜線裝載時張緊器失效,則張緊器將停止放出纜線,而運(yùn)輸船轉(zhuǎn)盤繼續(xù)收電纜,導(dǎo)致電纜被拉緊。 工況9 ～12 為工況1 ～4 對應(yīng)的張緊器失效。其中,工況9 ～10 的失效原因?yàn)殡娎|滑過內(nèi)框并彎曲超過最大曲率;工況11 ～12 的失效原因?yàn)殡娎|被拉直并超過最大張力。

兩種失效形式下的失效原因、最大反應(yīng)時間見表5。

表5 失效工況最大反應(yīng)時間

5 結(jié)束語

隨著全球能源技術(shù)的革新進(jìn)步,跨區(qū)域輸電和海上風(fēng)電技術(shù)得到蓬勃發(fā)展,海底電纜也得到了廣泛應(yīng)用。 導(dǎo)纜作為纜線生產(chǎn)、運(yùn)輸中的重要一環(huán),越來越被國內(nèi)外電纜人重視。 碼頭至敷纜船動態(tài)電纜導(dǎo)纜是最為常見的一種導(dǎo)纜情況。 本工作通過對導(dǎo)纜位置、潮位的組合變化,得到相對豐富的導(dǎo)纜工況,對導(dǎo)纜過程中的張力、曲率等載荷進(jìn)行了研究,分析了纜線不同節(jié)點(diǎn)處的載荷情況;將轉(zhuǎn)盤、張緊器兩種運(yùn)動單元的失效進(jìn)行了分析,得到了不同工況下纜線失效原因的預(yù)測。 該仿真豐富了我國海纜工程的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),具有一定的參考價值。