鄭炳文，劉效國，李 媛

(中國石化勝利油田分公司海洋采油廠，山東 東營257237)

0 引言

勝利海上埕島油田位于渤海灣南部，是我國最大的灘海油田，于1993年投入開發(fā)。經(jīng)過勝利海洋人的不斷探索與實(shí)踐，創(chuàng)出了一條以衛(wèi)星平臺(tái)海底電纜衛(wèi)星平臺(tái)海底電纜中心平臺(tái)海底電纜陸地為主的開發(fā)建設(shè)模式。使用的電能絕大部分由陸地變電站供給，經(jīng)海底電纜輸送至海上中心平臺(tái)，平臺(tái)間由海底電纜組成“手拉手式”的環(huán)網(wǎng)供電模式，將電能供給各衛(wèi)星平臺(tái)。

目前，海上已建成平臺(tái)發(fā)電站一座、35 kV變電站4座、6 kV變電站84座，海底電纜鋪設(shè)總長293.4 km。作為海上電力輸送的大通道，海底電纜一旦發(fā)生故障會(huì)造成大面積的停電，影響油井正常生產(chǎn)，其直接及間接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)到上億元。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，海底電纜在勝利海上油田最大的損傷原因，是海底電纜懸空沒有得到有效的治理和防護(hù)。研究分析后發(fā)現(xiàn)海底電纜懸空損傷的主要是由涌浪載荷作用和渦致振動(dòng)造成的。為此我們設(shè)計(jì)海底電纜出海溝后的保護(hù)裝置，以避免懸空損傷。

1 懸空海底電纜的受力分析

在勝利海上油田海底電纜敷設(shè)施工中，特別是登陸采油平臺(tái)時(shí)，海底電纜需提前從海纜溝出溝，才能確保海底電纜在合理的彎曲半徑內(nèi)，以一定角度上行至海上石油平臺(tái)導(dǎo)管架上的護(hù)管內(nèi)。因設(shè)計(jì)、工藝和施工難度等致使此段海纜完全裸露懸空在海水中，且無有效的固定和防護(hù)，加上平臺(tái)建設(shè)后平臺(tái)樁腿(導(dǎo)管架)使水動(dòng)力條件發(fā)生改變，掏空加劇海底電纜的懸空。這樣在洋流、涌浪、潮汐的影響下長期處于渦致振動(dòng)狀態(tài)，對海底電纜造成致命損傷。

1.1 懸空海底電纜涌浪載荷分析

在海底電纜出海溝后，沿采油平臺(tái)樁腿(導(dǎo)管架)上行并固定在護(hù)管內(nèi)，涌浪載荷作用下懸空海底電纜的運(yùn)行方程可以表示為:

式中，M為海底電纜的總質(zhì)量，包括海底電纜自重和附著微生物的質(zhì)量(kg);C為阻尼系數(shù);EI為彎曲剛度(M·m2);y為海底電纜的水平位移(m);u為波浪水質(zhì)點(diǎn)速度(m/s);D為海底電纜外徑(m);CD為波浪阻力系數(shù);CM為波浪慣性力系數(shù);ρ為海水密度(kg/m3);t為時(shí)間(s)。

式中，σu為洋流水質(zhì)點(diǎn)速度方差(m2/s2)。

為研究約束對海底電纜疲勞損傷和影響，采用海底電纜分析模型的兩種極限狀況，即簡支梁模型和固支梁模型，海底電纜實(shí)際模型介于兩者之間。式(3)和式(4)分別為簡支梁和固支梁模型的振型函數(shù):

式中，n為振型階數(shù);an為振型參數(shù);βn為與各階振型相關(guān)的系數(shù);l為海底電纜懸空長度(m);隨著應(yīng)力不斷地影響懸空著的海底電纜，懸空長度慢慢加大。

1.2 懸空海底電纜的渦致振動(dòng)分析

當(dāng)渦流沖擊海纜時(shí)，懸空的海底電纜受到振動(dòng)。水流產(chǎn)生了Karmán漩渦，交替地離開海纜的上部和下部的“邊緣”。每次渦流離開海纜，一個(gè)力就施加在海纜上。如果海纜處于水平狀態(tài)，且水流也是水平的，但流向與海纜垂直，渦脫落點(diǎn)產(chǎn)生的力的方向會(huì)在垂直方向上下變化。渦脫落的頻率可表示為:

式中，fs為渦脫落頻率(Hz);u為渦流的速度(m/s);D為海纜的直徑(m);St為Strouhal數(shù)。對于海底電力電纜和相關(guān)的流速，St可假定為0.2。

懸空海纜有很多固有頻率，固有頻率fn是固有基頻的倍數(shù)，即:

式中，n為模數(shù);Ta為海纜的張力(N);m'為單位長度海纜的質(zhì)量(kg);L為懸空長度(m)。

懸空海纜受到Karmán漩渦離開時(shí)的力的激發(fā)，產(chǎn)生頻率為fs的振動(dòng)。當(dāng)激發(fā)頻率fs接近或等于某一個(gè)固有頻率fn時(shí)，海纜會(huì)因共振而產(chǎn)生振動(dòng)。

當(dāng)海纜開始振動(dòng)，其固有頻率就會(huì)改變，這在一定程度上是由于運(yùn)動(dòng)的海纜推動(dòng)引起的水的慣性力。海纜的彎曲剛度會(huì)使其固有頻率變大。彎曲剛度的影響可從數(shù)值φ中值算:

式中，EI為海纜的動(dòng)態(tài)彎曲剛度(M·m2)。如果φ 1，則彎曲剛度的影響可忽略。對于懸空距離長的情況，較高次的固有頻率相互更接近。一定的渦脫落頻率fs及其相關(guān)的帶寬能同時(shí)激發(fā)許多固有頻率或模式。

2 懸空海底電纜故障原因分析

海底電纜的懸空損傷，除了機(jī)械施工、人為破壞以外，主要由自然因素造成。懸空海底電纜受涌浪載荷等沖刷應(yīng)力影響，中部的運(yùn)動(dòng)幅度最大，疲勞損傷最重。因?yàn)楹５纂娎|為柔性體，受外力影響下發(fā)生渦致振動(dòng)，疲勞損傷的范圍擴(kuò)大。海纜在海流和渦致振動(dòng)的作用下，海纜溝上的泥沙慢慢變松，最后躍出海纜溝，以至于從海纜溝中提出一段海纜，造成海纜懸空距離變大。圖1為海底電纜長期使用后的實(shí)際海調(diào)資料圖。

圖1 海底電力電纜懸空海調(diào)資料圖

在海纜受外力慢慢被提出海纜溝，懸空長度增加過程中，海纜經(jīng)受最大、最直接的損傷不是海纜的疲勞損傷，而是渦致振動(dòng)和海流沖刷造成海纜在護(hù)管口處的硬磨損。海纜溝端的海纜在慢慢被提出的過程中，作用在海纜上的受力點(diǎn)隨著海纜提出的過程不斷變化，與受力點(diǎn)摩擦的海泥等非硬質(zhì)物不會(huì)造成海纜硬磨損。海纜與鋼制護(hù)管的摩擦是不間斷的，且摩擦點(diǎn)也是固定的，造成摩擦點(diǎn)處的海底電纜完全損壞。根據(jù)近10年的資料統(tǒng)計(jì)，勝利海上埕島油田海底電纜64.1%的故障與上述摩擦原因有關(guān)。

3 海底電纜的保護(hù)設(shè)計(jì)

目前，海底電纜防護(hù)問題的解決方案如圖2所示:海纜出溝后與護(hù)管之間，海底電纜始終以一定的角度裸露懸空在海水中，因此該方案僅起到了縮短懸空距離，緩解海底電纜磨損，而并無根本解決問題。針對這一現(xiàn)狀，我們設(shè)計(jì)了一種新型海底電纜出海纜溝后固定保護(hù)裝置(見圖3)，它能解決海纜提前溝出后懸空無防護(hù)的問題。

圖2 現(xiàn)海底電纜防護(hù)方案示意圖

圖3 新型海底電纜保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 新型海底電纜保護(hù)裝置方案設(shè)計(jì)

為達(dá)到保護(hù)海底電纜的目的，設(shè)計(jì)具有下面一些作用和積極效果:海底電纜出海纜溝后固定保護(hù)裝置可以實(shí)現(xiàn)，出溝后與護(hù)管之間的裸露懸空海纜的全密封保護(hù)，避免此懸空海纜受涌浪沖刷以及渦致振動(dòng)的破壞，徹底解決了該段海底電纜懸空無防護(hù)的問題，同時(shí)還解決了出溝處海底電纜自然沉降不固定、護(hù)管磨損海底電纜等問題，延長了海底電纜的使用壽命。

3.2 海底電纜保護(hù)裝置的載荷計(jì)算

為了驗(yàn)證該保護(hù)裝置設(shè)計(jì)的合理性、規(guī)范性，將做以下的分析計(jì)算。

3.2.1 環(huán)境載荷

按設(shè)計(jì)要求，平潮水深15 m，平臺(tái)所在海域:

(1)波浪。按50年一遇設(shè)計(jì)波高Hs=4.5m，D/L=0.0114，因此，該保護(hù)裝置屬于小尺度圓形構(gòu)件。

根據(jù)規(guī)范，對于小尺度圓形構(gòu)件，當(dāng)D/L＜0.2時(shí)，垂直于其軸線方向的波浪力FL可按莫爾森公式計(jì)算:

式中，ρ為海水密度(kg/m3);CD為垂直于構(gòu)件軸線的拖拽力系數(shù)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)資料不足時(shí)，對于圓形構(gòu)件，可取CD=0.6～1.0;CM為慣性力系數(shù)，有實(shí)驗(yàn)確定，當(dāng)實(shí)驗(yàn)資料不足時(shí)，對于圓形構(gòu)件，可取CM=2.0;D為圓形構(gòu)件直徑(m);L為設(shè)計(jì)長度(m);u為垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對于構(gòu)件的速度分量(m/s);為其絕對值，當(dāng)海流和波浪聯(lián)合作用于裝置時(shí)，u為波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構(gòu)件方向上的分矢量(m/s);u·為垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對于構(gòu)件的加速度分量。

(2)海流。按100年一遇設(shè)計(jì)海平面海流速度為2.86 m/s。

式中，ρ為流體密度(kg/m3);CD拖拽力系數(shù);A為樁腿在垂直于流向上的投影面積(m2);υ為設(shè)計(jì)海纜速度(m/s)。

3.2.2 保護(hù)裝置的受力分析

要分析保護(hù)裝置受力，需要對海底電纜整體保護(hù)裝置進(jìn)行靜力分析。按規(guī)范要求取水下10m，其保護(hù)裝置的計(jì)算簡圖，以及在洋流涌浪作用下的受力見圖4。

從圖4看，利用有限元方法，把管線離散成n個(gè)單元，于是有n+1個(gè)節(jié)點(diǎn)，從中任取一個(gè)單元，設(shè)單元長度為L，χi(i=1，2，3，4)分別表示節(jié)點(diǎn)1，2，3，4的位移和轉(zhuǎn)角。

取Hermire插值函數(shù):

圖4 固定保護(hù)裝置在洋流作用下的受力

則管線上任一點(diǎn)的位移為:

利用勢能駐值原理，可以得到單元?jiǎng)偠染仃嘯Ke]為:

3.2.3 強(qiáng)度分析與設(shè)定

按式(3)、式(4)、式(8)、渤海的洋流資料(最大洋流4.8kN)及式(7)，海底電纜的動(dòng)態(tài)彎曲剛度如果φ 1，則彎曲剛度的影響可忽略;海纜的懸空長度縮短和質(zhì)量增加，海纜的渦致振動(dòng)將減小。其保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)將做以下設(shè)定，保護(hù)裝置的防錨式構(gòu)件重量增加，使其固定力大于5 kN;防腐金屬軟管穿入海纜后在平臺(tái)導(dǎo)管架上固定的間距減小，避免彎曲剛度的影響;防腐金屬軟管兩端的連接法蘭、導(dǎo)管架上的海纜護(hù)管連接法蘭，以及防錨式構(gòu)件連接法蘭材料為20Mn2;屈服強(qiáng)度σs=590 MPa。設(shè)計(jì)和施工安裝時(shí)加上以上的環(huán)節(jié)因素，其強(qiáng)度安全系數(shù)滿足強(qiáng)度要求，應(yīng)用到生產(chǎn)中能避免海底電力電纜懸空損傷的破壞，避免引起停電事故。

4 結(jié)束語

綜上所述，造成海底電纜的懸空損傷是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，受到諸多因素的影響。在涌浪載荷與渦致振動(dòng)分析的基礎(chǔ)上，通過實(shí)例討論了造成海底電纜懸空損傷原因，是因?yàn)楹５纂娎|的裸露懸空沒有有效的治理和防護(hù)。根據(jù)海底電纜的結(jié)構(gòu)形式、尺寸及材料、水深和海洋環(huán)境參數(shù)的條件設(shè)計(jì)了一種海底電纜出海纜溝后的固定保護(hù)裝置，通過對保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行受力強(qiáng)度和環(huán)境影響分析，在50年一遇的海洋環(huán)境條件下，所設(shè)計(jì)的保護(hù)裝置可以有效地避免海底電纜的裸露懸空損傷。

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