水下生產系統用臍帶纜試制關鍵工藝介紹

陳 凱， 夏 峰， 葉信紅， 郭 宏， 張永明， 鐘科星

(1.寧波東方電纜股份有限公司，浙江寧波315040;2.中海油研究總院，北京100027)

0 引言

臍帶纜是水下生產系統的關鍵組成部分之一，主要作用是為水下生產系統提供電氣液壓動力、化學注入通道，同時為上部模塊控制信號以及水下生產系統提供數據傳輸通道。長期以來，我國使用的臍帶纜全部依賴進口，對這一產品的關鍵技術研究尚屬空白，且不具備臍帶纜系統設計、分析、制造等的能力，這些都在一定程度上制約了我國深海油氣田的開發。

寧波東方電纜股份有限公司通過承擔由中海油研究總院牽頭的863臍帶纜項目的子課題——臍帶纜的生產制造，成功試制出一條針對我國南海深海油氣田用臍帶纜初樣纜。近期交于上海電纜研究所、大連理工大學等相關合作單位完成力學和電氣性能等測試。

1 多單元多層次截面設計及成纜

不同于普通海纜的單芯或三芯結構，臍帶纜除電單元和光纖單元外，往往還包含數量不等的液壓、化學藥劑管道單元。本次試制的臍帶纜包含:3根4芯6 mm2電纜單元;6根內徑12.7 mm的不銹鋼管單元;1根光單元。共計10根工作單元(見圖1)。

圖1 臍帶纜截面圖

1.1 臍帶纜截面設計

如上所述，由于臍帶纜截面由電、光纖、液壓管道、化學藥劑管道等多種不同單元組成，這些單元本身在功能、尺寸、力學性能等方面又有很大差異。如何進行合理的截面單元排布，是臍帶纜設計的關鍵點之一。本次試制臍帶纜截面先由上海電纜研究所完成初步設計，并提供多個設計備選方案，最終通過863項目組各成員以及專家論證后而確定。

臍帶纜截面排布主要考慮以下因素:

(1)通過合理的截面排布，減小臍帶纜的成纜外徑。其中考慮到臍帶纜在動態應用環境和海底的水動力穩定性，其外徑/重量比(OD/weight)(m2/kN)一般要求小于1。

(2)截面排布要充分考慮臍帶纜的力學性能。主要包括整體的拉伸、彎曲剛度以及各方向力學性能的對稱性，臍帶纜在外力荷載作用下各單元的應力分布等情況，以避免出現局部應力集中。

(3)在截面設計時應同時兼顧臍帶纜的制造，降低生產難度和成本。如把剛度較大的單元排在界面靠中心位置，減少制造中對成纜機牽引力的要求。

1.2 多層次多單元成纜

在截面設計完成后，成纜是臍帶纜最關鍵的制造工序。臍帶纜多單元成纜成纜需由大型多層成纜機完成。成纜過程的控制參數為:

(1)根據各單元特性合理分配放線盤。由于不同放線架的外徑不同，而臍帶纜各單元(特別是鋼管單元)對最小彎曲半徑有嚴格的要求。一般情況下所有單元都需實現主動放線，但在設備能力有限的情況下應該首先滿足鋼管單元和光纖單元的需求，以避免其成纜過程中出現大的塑性應變，造成功能或者結構上的損傷。所以成纜前須通過計算分析，合理安排每個放線架上的單元。

(2)分線模的設計以及進線角度的控制。在多層次多單元成纜過程中如何保證各單元按所設計的截面排列，防止各層間單元互相串線，關鍵在于設計尺寸和進線孔洞分布合理的分線模具。由于臍帶纜中的鋼管單元易壓潰并產生屈曲等塑性變形，成纜時鋼管單元進分線模的角度不宜過大，盡量保持其原有放線角度并入分線模(見圖2)。

圖2 臍帶纜成纜示意圖

2 鋼管單元加工過程中的形變控制

臍帶纜各單元在制造過程中會受到反復彎曲，拉伸、扭轉和組合荷載。其中鋼管是空心單元，其本身剛度較大，不易變形，是臍帶纜各單元的薄弱點，易出現壓潰和因塑性變形而造成橢圓度過大等應變失效情況。同時，在制造過程中的塑性應變累積也會大大降低鋼管的疲勞壽命，造成臍帶纜在服役期間提前失效。一般要求鋼管單元在制作過程中的累積塑性應變不大于2%［3］。因此臍帶纜生產過程中鋼管單元的形變控制已經成為臍帶纜制造的技術難點。

2.1 制造前的形變分析

對鋼管的形變進行控制，首先需要明確加工過程中鋼管可能遇到的各種荷載工況。通過理論計算以及數值模擬分析，對在各個工況下的鋼管進行力學分析，得到各加工環節鋼管的受力和變形情況。最后依據規范和準則對鋼管最大變形量進行校核，看其是否滿足規范要求。同時根據分析結果對各加工參數進行優化，如牽引機牽引力和成纜放線角度等［1］。下面對理論計算方法和數值模擬方法進行簡單介紹。

(1)用理論公式對簡單工況下的鋼管進行初步計算

如果鋼管所受為單一荷載形式或其中一荷載在這個工況中起到主導作用，可用理論公式近似計算鋼管的最大允許荷載。

鋼管單元在純彎曲作用下的允許載荷［3］:

式中，M為鋼管的理論最大允許扭矩(N·m);D為鋼管的外徑(mm);t為鋼管的厚度(mm);SMYS為鋼管的最小屈服應力(N/m2)。

鋼管單元在純拉伸荷載作用下的允許載荷:

式中，F為鋼管單元的最大拉伸力(N);SMTS為拉伸最小屈服應力(N/m2);A為鋼管的橫截面積(mm2)。

(2)利用有限元仿真軟件對復雜工況下鋼管應力進行數值計算

在大部分情況下，鋼管單元在加工過程中受到的往往是組合荷載，這會增加理論計算的難度，以至于其變得不可行。并且加工荷載往往很難得到精確荷載值。比如在成纜過程中，各單元間的表面擠壓力大小的確定十分困難。而采用有限元等仿真軟件對加工過程進行數值模擬分析，可以較好地解決這一問題。

具體步驟如下:①根據真實的單元結構和荷載情況選擇有限元單元，如管單元、殼單元等;②建立有限元模型，定義邊界條件，如確定固定位置和荷載;③進行計算，得到應力分布和熱點應力，并檢驗是否滿足設計要求。

例如，鋼管在成纜時會同時受到縱向拉伸、徑向壓縮、環向扭轉以及擠壓摩擦等荷載的同時作用。這時利用理論公式對其進行計算將存在較大困難，可使用有限元分析解決這一問題。

圖3 為利用ANSYS模擬鋼管成纜纏繞過程的有限元分析。從應力分布云圖中可知，應力熱點出現在纏繞鋼管外側最大彎曲變形處和內側擠壓變形處。通過分析可得到應力的分布主要同纏繞角度、成纜牽引力、分線盤進線角度有關，并可通過控制相關參數優化鋼管的應力分布。

圖3 應用有限元軟件對臍帶纜成纜過程進行分析

2.2 制造過程中形變控制

通過理論計算和有限元分析可以對臍帶纜在制造過程中的主要控制參數進行優化。

(1)成纜牽引力大小以及成纜放線角度的控制。成纜時先設定成纜張力，并對成纜張力進行實時監控，并自動調整，使張力始終保證在設定范圍內。對于不同外徑和壁厚的鋼管，可根據其自身剛度不同而設置相應的張力，在張力設置時應考慮鋼管自重的影響。同時成纜放線架應具備主動放線和放線角度實時調整功能，保證基座在轉動時，成纜角度保持穩定。

(2)各轉向輪牽引力、最小彎曲半徑的控制。臍帶纜各單元以及制造的各個階段都對最小彎曲半徑有嚴格的要求。在臍帶纜過轉向輪和卷盤時都要對彎曲半徑進行嚴格控制。特別要注意的是在有較大牽引力和側壓力的彎曲時，由于存在組合應力疊加，對最小彎曲半徑的要求將可能隨之增大。

除上述問題外，臍帶纜生產過程中還有鎧裝鋼絲張力控制等需要在生產前進行分析設定。

3 結束語

本文根據臍帶纜初樣纜的試制中所遇到的問題和得到的經驗，對臍帶纜多層次多單元成纜以及制作過程中形變控制的方法等生產關鍵工藝進行了介紹。由于國內臍帶纜設計、制作尚處于起步階段，依然有很多技術難點需突破，如在保證截面結構穩定的同時使其滿足透水性要求。希望通過“863”科研課題研究，盡快突破海洋深水水下生產系統用臍帶纜國產化關鍵技術，建立具有自主知識產權的水下生產系統用臍帶纜的設計、制造及測試能力，為我國南海油氣資源勘探和開發提供技術儲備與支持。

［1］ISO 13628-5:2002 Subsea umbilicals［S］.

［2］Knapp R H，Cruickehank M J.Design Methodology for Undersea［C］，OCEANS＇91.

［3］Bai Yong，Bai Qiang.Subsea pipelines and risers 2002 ［M］.Elsevier Science.