海纜鎧裝結構錨固性能有限元分析

潘盼　蔡炳余　譚愛林　耿敏敏　朱曉光

摘要：

基于有限元顯式算法，通過預緊、加載載荷作用次序，研究海纜鎧裝層的錨固結構在工作載荷和破斷力下的承載能力，并對影響錨固性能的參數進行敏感性分析.數值仿真結果顯示：在破斷力作用下，法蘭內壁與鋼絲接觸位置產生明顯壓痕，鋼絲斷裂位置發生在鋼絲在錨固出口位置.增加錐形錨固的內錐角可降低鋼絲軸向拉伸量，減緩法蘭的不利應力.同時.在較低摩擦因數下具有較大內錐角的接頭盒依舊具有良好的機械性能.所設計的內錐形錨固維修接頭盒能滿足施工過程中的最大拉伸載荷要求.

關鍵詞：

動態海纜； 錨固性能； 鎧裝鋼絲； 接頭盒； 屈服應力； 回歸周期； J管； 顯式算法

中圖分類號： TB115.1

文獻標志碼： B

Abstract：

Based on the finite element explicit algorithm， the bearing capability of armor layers of submarine cable under both normal working and breaking loads are studied using pretightening and loadapplying sequentially， and the sensitivity of the parameters affecting the anchorage performance is analyzed. The numerical simulation results show that the obvious grooves occur on the contact location between flange inner wall and armor wires under the breaking loads and the wires is broken just at the exit position of anchorage. By increasing the inner cone angle of the flanges， the axial pulling stretch of the wires can be reduced， as well as the relaxing of the harmful stress. Meanwhile， with lower friction factor， the repair joint box with larger inner cone angle performs good mechanical properties. The inner cone anchorage repair joint boxes are capable to withstand the maximum pulling loads during the working process.

Key words：

dynamic submarine cable； anchorage performance； armor wire； repair joint box； yield stress； return period； Jtube； explicit algorithm

0引言

海纜是島嶼電力輸送和通信的最有效方式.隨著人類在近海的活動日益頻繁，海纜安全運行受到嚴重的威脅.在1 000 m以下的深海海域，海纜的破壞主要為自然原因，包括海底地震、滑坡和洋流磨損等.在200 m以上的淺海域，海纜主要受到人為破壞，包括船只拋錨和漁網拖拽等.[1]另外，在海纜鋪設時若偶遇惡劣天氣，海纜被迫砍斷使施工船迅速駛離危險海域，也會造成斷纜事故.[2]在海纜搶修時，需要采用維修接頭盒設備對鎧裝層進行錨固，以傳遞海纜軸向拉力、保護纜芯.

在淺海區域，鉆井平臺通常為固定式，海纜由J形鋼管從海床上牽引至平臺頂部，并將鎧裝層進行錨固，海纜芯再與平臺上的電器設備進行接續.這種該海纜通常為靜態纜，錨固承受較小的靜態拉伸載荷；當應用至深水和超深水時，平臺結構為半潛式或張力腿式，作業用海纜采用動態結構，與平臺連接位置需要增加彎曲加強件、保護管等動態防護設備并且錨固，其受到船體、波浪和洋流作用承受極為劇烈的疲勞載荷.[3]

鎧裝與錨固之間載荷的傳遞通常采用擠壓摩擦夾持方式，結構分為錐形錨固和平板扣壓式.為驗證有效性，出廠試驗不可避免.隨著計算機技術的發展和模擬接觸行為有限元法的提出，數值仿真技術可充分模擬金屬結構之間的接觸力學行為，為優化錨固設計提供依據.檢索資料發現，PATIL等[4]利用有限元軟件ANSYS模擬傳動齒輪間的摩擦效應，指出摩擦因數由0增到0.3，會導致接觸應力增加10%.VIJAYWARGIYA等[5]采用有限元法模擬二維彈塑性圓柱接觸面相對滑移的能量損失，計算結果顯示摩擦因數的增加會加速接觸面的屈服破壞.MUIZ[6]采用非線性有限元法，基于彈塑性PrandtlReuss模型模擬矩形鋼板冷軋成型過程，得到控制冷軋接觸控制過程關鍵技術參數，降低冷軋調試時間，節約制作成本.KOMPERD[7]基于試驗方法，驗證動態海纜中瀝青涂覆鋼絲鎧裝在較高溫度下，整根海纜具有更佳的拉彎承載能力.

本文依據某出口海纜維修項目，提取帶維修接頭盒海纜在正常施工和破斷試驗階段的軸向拉伸載荷，研究海纜鎧裝層在錐形和平板扣壓2種錨固方式下的機械性能.

1計算模型

由中天科技海纜有限公司生產的維修接頭盒模型見圖1，包括不銹鋼材質的接頭盒腔體、錨固及密封結構、橡膠材質彎曲加強件和穿插其中的雙層鎧裝海纜.其中：彎曲加強件可緩解剛性接頭盒兩端海纜過渡彎曲；錨固結構通常采用錐形法蘭夾緊鋼絲，利用摩擦效應阻止鋼絲滑脫，并將鋼絲各向載荷傳遞至不銹鋼接頭盒筒體上.該維修接頭盒密封性能可靠、安裝簡便，已有大量工程應用.

1.1錨固有限元模型

針對本項目維修接頭盒中采用的錐形錨固結構，本文在成功利用有限元法分析相關機械性能的基礎上，研究海上平臺上常用的另一種平板扣壓錨固結構，并進行對比.2種錨固結構的有限元模型見圖2.

1.2理論基礎

維修接頭盒錨固在拉伸載荷作用下的機械性能模擬過程基于顯式動力計算程序LSDYNA，采用準靜態方法，在計算過程中，可將載荷描述成與時間相關的量.

計算單元類型采用8節點三維結構單元SOLID164，錐形錨固結構網格數為198 896個，平板扣壓錨固結構網格數為265312個.鎧裝鋼絲與法蘭之間接觸算法采用*AUTOMATIC_SURFACE_TO _SURFACE.[89]計算控制方程為

2施工過程載荷

采用專業海工計算軟件OrcaFlex對帶維修接頭盒海纜在鋪設過程中的動態響應進行數值仿真研究.OrcaFlex采用三維非線性時域有限元分析方法，可勝任柔性體由初始狀態向大變形轉化過程的模擬.其中：線、桿性體以集中質量單元替代，可極大降低受力單元的數學方程，并能快速有效地將環境載荷和約束條件施加到纜線上.

本項目中海纜故障海域水深為80 m，選擇1 a回歸周期下的海洋環境，海面有義波高1.87 m，波峰周期為4.1 s，距海床1 m有效高度處洋流速度為0.38 m/s.施工船前行速度和布纜速度都為0.4 m/s，設定波浪和洋流方向與船行一致，動態計算過程見圖3（展示施工船在10，90和180 s這3個時刻船行位置和維修接頭盒下降深度）.

3計算結果與分析

錨固校核過程分為2個階段：（1） 采用液壓油缸將錐形錨固中錐形法蘭頂緊，壓住鎧裝鋼絲，產生足夠壓力（或使用預警螺栓擰緊圖2b中的4層法蘭，產生足夠預緊力，夾緊各層鎧裝鋼絲）；（2） 將自由端鎧裝鋼絲終點所有節點自由度耦合，施加海纜工作拉力.整個過程中對最外層法蘭環進行固定.

3.1工作載荷校核

將帶維修接頭盒的海纜在布放過程中錨固承受的最大拉力F=10.51 kN施加至內外層鎧裝鋼絲上.2種錨固最大部件位移分別發生在最內層和最頂部法蘭上.該位移主要是由夾緊過程中的液壓油缸和螺栓施加的預緊力（為緊固海纜鎧裝鋼絲）導致的.

錐形錨固中夾具和鋼絲在拉伸過程中產生的應力分布見圖5.其中夾具的最大應力發生在法蘭邊緣和與鋼絲接觸的位置，應力最大值為308.92 MPa，大于夾具材料的屈服強度，說明該處由于與鋼絲接觸，會發生凹槽.鋼絲的最大應力同樣發生在與夾具接觸位置，應力最大值為847.02 MPa，鋼絲會發生壓縮變形.

扣板的最大應力為192.04 MPa，未屈服，發生在與鋼絲接觸位置.鋼絲的最大應力發生在內層鋼絲的彎折處，約為660.34 MPa，局部發生屈服變形而不可恢復；而外層鋼絲彎折處的應力僅為210.30 MPa，說明2層鋼絲在工作過程中受力分布不均勻.

3.2破斷力校核

本項目中海纜設計破斷力為270 kN，本節采用相同的錨固內錐預緊方式，將300 kN軸向拉力施加至2層鎧裝鋼絲上.對自由端所有鋼絲的節點進行約束，提取鋼絲拉伸變形與載荷增量關系，見圖7.隨著拉伸載荷趨近破斷力，鋼絲進入屈服狀態，錐形錨固結構發生較大的拉伸變形.而平板扣壓錨固拉伸變形較為平緩.

在

破斷力作用下，2種錨固結構的應力分布見圖8和9.錐形錨固最外層法蘭受到最大的拉應力，約為312.84 MPa，進入屈服狀態，2層鎧裝鋼絲在錨固出口位置產生應力集中，最大應力發生在內層鋼絲，約為1 200 MPa.平板扣壓錨固中，扣板最大應力發生

在與外層鋼絲接觸位置，最大值為242.69 MPa.2層

鋼絲都在折彎下邊緣產生應力集中，但是最大應力發生外層鋼絲上，約為1 230 MPa.2種結構失效位置都發生在鎧裝鋼絲應力集中處，即鋼絲斷裂.

3.3敏感性分析

增大維修接頭盒內錐形法蘭內錐角，結合常規內錐角設計，對比研究兩者的機械性能.同時分析錨固中鋼絲與夾具之間接觸的摩擦因數對拉伸性能的影響.

2種不同錐角錨固在破斷力270 kN拉伸載荷作用下組成單元的位移變化見圖10.較大內錐角

中，最內層錐形法蘭在相同工況下位移較大，然而該

隨著摩擦因數降低，較大錐角的錨固表現較好的承載能力，而常規錐角的錨固出

現過早滑脫現象，因此承載力較小.平板扣壓結構錨固同樣具有較好的承載能力，當摩擦因數降至0.15時，其承載力出現快速下降現象.

4結論

基于某海纜維修項目，采用有限元方法研究錨固結構在工作載荷和破斷力作用下的承載能力以及影響錨固機械性能的因素，得到以下結論.

（1） 錐形和平板扣壓錨固設計都能滿足最大工作載荷，由于錐形錨固在安裝時被液壓油缸預緊，鋼絲和法蘭接觸表面產生較大應力，生成壓痕.

（2） 在270 kN的破斷力作用下，錐形和平板扣壓錨固設計中鋼絲屈服斷裂都發生在錨固出口位置，且平板扣壓結構中鋼絲拉伸變形量較小，扣壓平板法蘭變形較小.

（3） 具有較大內錐角的錐形法蘭具有較好的承載能力，且在較低的摩擦因數下依然表現出較高的承載力.

（4） 錐形錨固滿足海纜快速搶修需求，平板扣壓錨固適合平臺軸向拉伸量較小的使用要求.無論哪種錨固設計，都應增加法蘭與鋼絲接觸面的粗糙度，實現整體性能最優.

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（編輯武曉英）