不同覆蓋物清理狀態下海底電纜打撈受力仿真

黃小衛 吳聰 陳航偉 但京民 岳浩 李翔 簡名才

基金項目：中國南方電網有限責任公司科技項目（CGYKJXM-20210306）

第一作者簡介：黃小衛（1985-），男，高級工程師。研究方向為海底電纜智能監測及檢測。

*通信作者：簡名才（1998-），男，碩士研究生。研究方向為工程力學。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.014

摘? 要：該文通過對海纜深淺水打撈過程機理的分析，確定覆蓋物對打撈過程存在一定影響。通過OrcaFlex考慮水動力建立打撈過程模型，研究覆蓋物厚度與覆蓋物位置對海纜打撈過程中張力及曲率的影響。研究發現，覆蓋段被打撈時，海纜張力會出現明顯的波動；打撈過程覆蓋段海纜曲率極值明顯增大。隨著覆蓋物厚度的增加，覆蓋段海纜曲率極值逐漸增大，海纜的張力波動也更加明顯。覆蓋物只對覆蓋段曲率極值有明顯影響；當吊點處覆蓋物未完全清理時海纜易發生彎曲失效，遠離吊點處的覆蓋物對打撈過程海纜沿纜曲率極值影響不大。在實際工況下可進行針對性工作和保護，降低工作量并提高打撈效率，防止電纜在打撈過程中受到二次破壞。

關鍵詞：海底電纜；覆蓋物；打撈；曲率；仿真

中圖分類號：P756.1? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0056-04

Abstract： In this paper， through the analysis of the mechanism of deep and shallow water salvage process of submarine cable， it is determined that the cover has a certain influence on the salvage process. The salvage process model is established by OrcaFlex considering hydrodynamics， and the effects of cover thickness and position on tension and curvature in the process of submarine cable salvage are studied. It is found that when the covering section is salvaged， the cable tension will fluctuate obviously， and the extreme curvature of the cable will increase obviously in the salvage process. With the increase of the thickness of the cover， the extreme curvature of the cable increases gradually， and the tension fluctuation of the cable becomes more obvious. The covering only has an obvious influence on the extreme curvature of the covering section; when the cover at the lifting point is not completely cleaned， the submarine cable is prone to bending failure， and the covering far from the lifting point has little effect on the extreme curvature of the cable along the cable in the salvage process. In actual working conditions， targeted work and protection can be carried out to reduce the workload and improve the salvage efficiency， so as to prevent the cable from secondary damage in the salvage process.

Keywords： submarine cable; covering; salvage; curvature; simulation

海底電纜是鋪設于海底，由絕緣材料包裹用于電力信號傳輸的關鍵裝備。海底電纜工程主要包括設計、制造、存儲、安裝、在位運行和搶修等多個環節[1]。隨著我國海底電纜應用的逐漸增多，海底電纜發生故障的概率也隨之增加。其中海南聯網工程海底電纜是國內第一條超高壓、大截面、大長度充油海底電纜[2]。瓊州海峽海洋氣候多變，海底地質條件復雜，海面通行船舶眾多， 漁業捕撈和海上施工等人類活動頻繁。海南聯網工程在南方電網系統網架中地位重要，海南聯網工程海底電纜一旦發生損傷，極易造成海南電網大面積停電。因此，必須建立應急搶修機制預案，在海底電纜發生故障后，能在最短時間內實施搶修施工和送電。深水區大截面海底電纜的搶修通常包括覆蓋物清理、水下切割、電纜打撈和電纜回放等水下施工過程，其中電纜打撈是必不可少的環節。在電纜打撈過程中，除了需要保證搶修效率，還需要確保電纜的安全性，避免打撈過程中引發電纜的二次破壞，其中對打撈回放部分，由于深水區打撈作業條件限制，打撈操作須在覆蓋物清理完成后進行，深水的覆蓋物清理主要通過水下機器人完成，這一過程中覆蓋物可能出現未完全清理的情況。因此，本文考慮覆蓋物未完全清理的情況，研究這一過程中海底電纜本體受力情況。

尹松等[3]利用雙對數模型建立了最大動剪切模量隨上覆壓力的遞增關系。利用馬丁-達維登科夫（MartinDavidenkov）模型及阻尼比與剪應變的經驗關系建立了剪切模量比和阻尼比隨剪應變的變化規律，并由此提出了適用于海洋沉積土的5×10-6～10-3應變范圍內剪切模量比及阻尼比的推薦值。王猛等[4]對海底管道問題中的2種土壤剛度的計算方法Autopipe和ASCE進行比對，給出了2種方法的適用環境。郭強等[5]研究了拋石壩的去保護過程，提出了2種仿真計算模型，并得到拋石壩所能承載的最大沖擊力。曾昭磊等[6]建立了切割打撈纜理論模型，以懸鏈線對光纜打撈進行了理論分析。全志輝[7]提出深海打撈應先剪切后打撈的想法。蒲定等[8]基于專業水動力分析軟件OrcaFlex對中國南海某淺水浮式風機動態電纜進行線型設計與動態仿真分析，得出適用于該環境的動態電纜線型。2008年朱愛鈞[9]以崇明到長興的2根埋深在河床面以下2.5 m的110 kV海纜為背景，提出2種打撈方案：打撈后將電纜盤儲于施工船上、打撈后電纜沉放在海床上。但該文重點在打撈后的處理，對打撈的分析和流程并未詳細闡述。

為防止海纜在海底受到破壞，通常采用拋石進行保護。拋石的方式主要采用尺寸和形狀不一的石塊形成拋石壩，其與海底泥沙沉積組成的黏土保護層覆蓋在海底電纜上方，避免海底電纜損壞。拋石段水深主要在20～110 m區域，拋石壩在海床中橫斷面呈龜背型，底寬約6～10 m，高度約1～1.5 m。拋石壩分內外2層，內層初步保護層（相對于電纜頂部凈高）層高不小于0.5 m，采用粒徑為5 cm以下碎石，外層為粒徑為5～20 cm塊石。碎石塊組成的拋石壩不具有粘連性，與海底泥沙沉積形成的飽和性黏土相比其剪切力與剛度趨于0，因此本文覆蓋物的參數選取為海底飽和黏土。

1? 打撈過程數值分析

海纜打撈方法主要分為2類：直接打撈和切割打撈。直接打撈用于淺水30 m以下的情況，此時海纜鋪設余長足夠將海纜直接提升到海面上，可先通過潛水員或沖刷機械設備對海纜表面覆蓋物進行清理，因水深較淺且可通過潛水員觀察，可實現覆蓋物完全清理，可避免出現覆蓋物清理不完全的問題。切割打撈用于深水30 m以上的打撈過程，此時若將海纜直接打撈到海面上需有2倍于水深的余長且海纜極易出現張力過大的問題，因此，需通過切割打撈的過程來實現。首先通過大功率的挖溝機或水下機器人清理海纜表面覆蓋物，而后確定維修點將海纜切斷密封并連接打撈裝置，之后打撈船沿纜方向運動同時纜繩進行提升運動實現海纜的打撈過程。對于深水環境，將海纜表面覆蓋物完全清理干凈是很難做到的，因此切割打撈過程需考慮海纜表面覆蓋物未完全清理的情況，這一過程中主要考慮未完全清理的覆蓋物厚度及其位置對海纜打撈過程造成的影響。

本文數值模擬中海底電纜的基本參數以某海域的充油型海底電纜為準，該型海底電纜主要應用于穿越河流、海峽的大容量輸電，海底電纜的結構如圖1所示，主要性能參數見表1。

圖1? 充油型海底電纜基本結構

表1? 海底電纜基本參數

仿真模型通過OrcaFlex建立，打撈模型中，X、Y方向滿足右手定則，Z軸方向垂直向上，整體坐標的原點設在海平面上。纜體布設在XY平面。海底電纜打撈模型描述：切割打撈過程。將切斷點作為連接打撈點。為提高模型精度，將打撈點附近單元長度設置為0.1 m，其他段離散為0.5 m的單元減小計算壓力，單元設置理論為集中質量法。覆蓋物設置為塊狀彈性固體。

集中質量法是分析管纜等細長結構常用的方法，將動態電纜劃分為一系列線段組成的LINE模型，質量、重量浮力等其他性能全部集中到節點上，每個線段只能模擬電纜的軸向和扭轉性能。需要特別指出的是OrcaFlex軟件中LINE模型，利用彈簧和阻尼器的組合方式模擬動態纜，考慮了構件的阻尼特性，使得響應模擬的結果更真實。對于動態纜的動態響應，求解結構的響應方法有顯式解法和隱式解法。本文采用的計算方法是隱式積分中Chung和Hulbert所描述的廣義-？琢積分格式。

力、力矩、阻尼和質量等的計算方法與顯式格式相同。然后在時間步長結束時求解系統的運動方程。因為位置、速度和加速度在時間步長結束時是未知的，所以需要迭代解法。因此，每個隱式時間步比顯式時間步消耗更多的計算時間。然而，對于更長的時間步，隱式格式通常比顯式格式更穩定，這通常意味著隱式格式更快。有限元模型可能包含雜散高頻響應，這是有限元方法固有的特征。廣義-α積分格式具有可控制的數值阻尼，這是可取的，因為它消除了這種雜散的、非物理的高頻響應。這種數值阻尼也導致更穩定的收斂，因此允許更長的時間步長和更快的模擬。建立的海纜模型如圖2所示。

（a）? 打撈前

（b）? 打撈后

圖2? 覆蓋物未完全清理海纜打撈模型

2? 仿真分析

根據拋石壩的結構，設置一長度為20 m，寬度6 m的覆蓋物覆蓋在海纜表面，根據清理程度的不同可研究覆蓋物厚度與覆蓋物位置對海纜打撈過程的影響。

2.1? 覆蓋物厚度的影響

將覆蓋物放置在距吊點20 m的位置處，改變覆蓋物厚度為0～1.5 m，每次增量0.3 m。輸出打撈過程中海纜沿纜最大曲率以及距吊點1 m處張力隨計算時間的變化情況。如圖3和圖4所示。

圖3? 不同覆蓋物厚度下打撈過程海纜張力變化曲線圖

圖4? 不同覆蓋物厚度下打撈過程沿纜曲率極值變化曲線圖

結果表明，在無覆蓋物時，海纜的張力呈線性增長，當有覆蓋物存在時，海纜的張力在有覆蓋物段表現出十分明顯的波動，隨著覆蓋物厚度的增大，其波動更加明顯，但對海纜整體的張力影響并不大。在沒有覆蓋物時，海纜打撈過程中沿纜最大曲率在吊點附近達到極值，而后逐漸減小并趨于0。當有覆蓋物存在，海纜打撈覆蓋段時其曲率相比于無覆蓋物時會有明顯的增大，且隨著覆蓋物厚度的增加，這一現象更加明顯，在海纜完全脫離覆蓋物后，覆蓋物的影響會快速消失。

2.2? 覆蓋物位置的影響

從上述研究中可以看出覆蓋物對打撈過程中海纜曲率影響較大。當覆蓋物位置較為靠后時，海纜整體的張力極值不會超過其安全裕度。因此，需研究當覆蓋物位置靠前時海纜曲率是否會因覆蓋物影響而出現彎曲失效的問題。將覆蓋物厚度設為0.9 m，覆蓋物位置分別位于距離吊點2、20、40、80 m處，研究不同覆蓋物位置對海纜打撈過程中曲率的影響如圖5所示。

圖5? 不同覆蓋物位置下打撈過程沿纜曲率極值變化曲線圖

結果表明，覆蓋物只對覆蓋段曲率極值有明顯影響，對其他部分無影響。當靠近吊點處的覆蓋物未清理完全時，在打撈過程中海纜曲率超過安全裕度，海纜發生彎曲失效。遠離吊點位置曲率較小，覆蓋物未完全清理同樣增大該位置處的曲率極值，但對海纜打撈過程整體曲率極值影響不大。

3? 結論

本文對打撈過程不同覆蓋物清理狀態下海纜本體的受力進行了仿真分析，研究了覆蓋物不同厚度與不同位置對海纜張力與曲率的影響情況，得出了以下結論。

1）打撈過程中，覆蓋未完全清理時，覆蓋段海纜張力明顯波動，海纜曲率極值增大。

2）隨著覆蓋物厚度的增加，覆蓋段海纜曲率極值逐漸增大，海纜的張力波動更加顯著。

3）覆蓋物只對覆蓋段曲率極值有明顯影響；當吊點處覆蓋物未完全清理時海纜易發生彎曲失效，遠離吊點處的覆蓋物對打撈過程海纜沿纜曲率極值影響不大。

參考文獻：

[1] 楊志勛.海洋臍帶纜結構幾何雙尺度分析及優化設計研究[D].大連：大連理工大學，2019.

[2] 吳慶華，馬凌，岳浩，等.500 kV海南聯網工程海底電纜線路設計[J].上海電氣技術，2021，14（3）：5-9，43

[3] 尹松，張先偉，孔令偉，等.海洋沉積土動剪切模量與阻尼比的試驗研究[J].巖土力學，2015，36（S1）：459-464.

[4] 王猛，孫國民.埋設海底管道設計中的土壤剛度計算方法研究[C]//第十六屆中國海洋（岸）工程學術討論會論文集，2013：1532-1537.

[5] 郭強，黃小衛，蔣道宇，等.海底電纜拋石壩去保護技術研究[J].應用科技，2022，49（6）：92-97，135.

[6] 曾昭磊，周學軍.拖曳打撈錨打撈海底通信光（電）纜的力學建模分析[J].電線電纜，2009（3）：35-37，41.

[7] 全志輝.深海光纜維修中的打撈[C]//首屆全國海底光纜通信技術研討會論文集，2006：130-134.

[8] 蒲定，楊婉秋，豐如男，等.淺水浮式風機動態電纜線型設計[J].海洋工程裝備與技術，2020，7（6）：412-418.

[9] 朱愛鈞.海纜的保護性打撈及其敷設[C]//全國第八次電力電纜運行經驗交流會論文集，2008：73-79.