鄧俊儒，張青云

（普拉思工業(yè)技術（江蘇）有限公司，徐州221300）

0 前言

《2019 年世界能源藍皮書》的預測表明，全球發(fā)電量將會以2%速度增長至2050 年的47.9 萬億度，亞太地區(qū)將成為電力總需求增量最大的區(qū)域。隨著我國電力需求的增加和高石化能源占比結構，全球環(huán)境和氣候等問題日益凸顯。2016 年《巴黎協(xié)定》提出可持續(xù)發(fā)展及低碳綠色發(fā)展的目標，倡導所有成員國并呼吁國際社會發(fā)力改善能源結構、發(fā)展高效清潔可再生能源；旨在降低逐漸穩(wěn)步增長的GHG 溫室氣體排放量。根據(jù)IRENA 數(shù)據(jù)預測顯示，到2050年全球可再生能源發(fā)電占比可達到80%，其中太陽能和風能發(fā)電量占總發(fā)電量的比重 52%。

中國積極響應全球能源的可持續(xù)發(fā)展理念，2015 年開始，大力推動風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，至2017 年，全年新裝機總容量達到19.66 GW，居全球首位。我國優(yōu)質風能資源主要集中在廣東、福建、浙江、江蘇、山東，高負荷用電區(qū)域集中在東部沿海省份，海上風電場的距離優(yōu)勢將有效地降低電力輸送損耗。由于我國海上風電的發(fā)展處于初期階段，隨著整個產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同作用，市場需建立一套效率高、技術可靠、運維成本低的體系，海纜保護系統(tǒng)的存在將有效降低海上風電場的運維成本。

海上風電場的電力輸送系統(tǒng)依賴海纜在海底的復雜布局，由于海底沉積物的運動、底部洋流、碎屑流、潛在海底滑坡和地震以及漁業(yè)捕撈，使海纜過度彎曲、摩擦、疲勞甚至損壞。對于樁桶附近的海纜，風機樁桶的存在改變了局部范圍洋流的流動，導致水流紊亂并在樁桶周圍形成漩渦體系最終形成沖刷坑，導致J 型管附近的電纜懸空。洋流的外力作用在與管樁接觸的電纜處，電纜隨著洋流來回運動并與管壁摩擦造成電纜疲勞損壞。

1 影響海纜保護設計的風機基礎

海底電纜保護系統(tǒng)的配套設計與海上風機基礎的形式密切相關，而風機基礎又受海底的地質結構、離岸距離、海水深度、海水活動的影響，并綜合考慮風電場的經(jīng)濟效益。固定式和浮式基礎是海上風電的兩大主要類型，圖1 為各種細分固定式和浮式基礎，隨著水深變深，風機基礎由重力式到單樁、導管架，最后到浮式基礎的適用情形。根據(jù)表1 各種基礎形式的特點對比，再結合我國各個海域的地質條件綜合決定基礎形式。由于我國渤海水深較淺，黃河入海所沉積的大量淤泥和粘土，大部分海域有明顯的沖刷現(xiàn)象，這種地質結構適合單樁和多樁基礎。東海多為淤泥地質結構且近海水深多為5～10 m，樁基及導管架結構適用于該地形結構。南海北部灣和瓊州海峽海底覆蓋了細沙及淤泥，同時泥沙在海底的遷移運動較強，南海的海洋環(huán)境惡劣，水深較深這種地形不適合重力式基礎，單樁或多樁是更好的選擇。

圖1 各種海上風機基礎Fig.1 Various offshore turbine foundations

2 海纜保護系統(tǒng)

國內(nèi)外企業(yè)海纜保護產(chǎn)品的種類繁多，材料的采用也不盡相同。但不同的材料都應滿足整體結構的力學強度、防腐蝕性能、抗疲勞性能，在滿足性能的同時還應保證對環(huán)境無害。根據(jù)風機基礎、海底地質條件、施工技術等衍生出三種主流形式。第一種：J 型喇叭口形式如圖2 所示，帶有密封圈的中心夾具后段銜接彎曲限制器，適用于多樁和導管架基礎；第二種：如圖3 所示為無轉彎形式的I 型喇叭口，該喇叭導管長度可根據(jù)風機基礎決定，主要應用在導管架、多樁、浮式基礎，這種結構的海纜保護主要由I 型固定裝置、加強筋、彎曲限制器組成。第三種：如圖4 所示，主要由加強筋、固定裝置、彎曲限制器組成，該結構適用于單樁基礎。

表1 各種海上風機基礎結構及特點比較［5］Tab.1 Structures and characteristics of various offshore wind turbine foundations［5］

圖2 J型密封中心夾具Fig.2 J-tube seal

圖3 I型管海纜保護系統(tǒng)Fig.3 I-tube subsea cable protection

2.1 J型管中心夾具

圖4 單樁穿海纜固定裝置型海纜保護Fig.4 Subsea cable protection for monopile foundations

典型的中心夾具如圖2 所示，整體采用哈呋式結構和錐形導向頭設計，便于進入J 型管。中心夾具最重要的作用之一是實現(xiàn)海纜在J 型管內(nèi)的中心定位，防止海纜在外力的作用下管內(nèi)的擺動，從而減少與管壁長期摩擦碰撞造成的疲勞損傷。夾具內(nèi)表面襯彈性高分子墊以提高夾具與海纜的摩擦系數(shù)和緊合度，建議兩者的抗拉脫力不小于35 kN。Philippe 等的實驗結果表明，海纜保護系統(tǒng)所受的最大應力點位于J 型管的中心夾具處，該實驗測試了六大海上風電場從水深9.8～27.8 m、浪高4.1～15.1 m、浪的持續(xù)時間7.0～14.2 s 以及洋流速度在1.14～1.60 m/s 的條件下，對海纜保護系統(tǒng)的最大剪切應力15.61 kN，軸向最大應力為11.58 kN，最大彎曲應力為12.35 kN。由于聚氨酯材料長時間受應力的蠕變效應，使得應許抗拉強度取名義的45%，故中心夾具的抗脫拉強度應大于35 kN。

圖2 中的紅色密封圈是中心夾具最重要的配套零件，一般采用錐型或D 型的結構設計，材料采用微彈性高分子材料。美國石油局API 手冊建議中心夾具上使用4 層密封圈，且密封圈的外徑比喇叭口的內(nèi)徑多出2～4 mm，保證夾具與I/J 型管之間的彈性接觸并達到密封的防腐效果，同時能阻止海底生物進入及附著在I/J 型管。密封圈應保證喇叭口內(nèi)外保持一定的壓力差，并且所使用的材料在應力作用下不容易產(chǎn)生蠕變。材料還需保證低吸水率，不產(chǎn)生水解。密封圈材料應保證在海底下低的老化性能，在熱脹和冷縮過程中保持良好的密封性能。

中心夾具在施工或服役期間可能出現(xiàn)一些問題，如在施工Pull-in 時，中心夾具與海纜之間產(chǎn)生滑動，則可能導致J 型管不能起到密封的作用，原因可能為Pull-in 的拉力過大，中心夾具與海纜的抗脫拉力太小。還有如中心夾具不能順利地Pull-in，可能因為施工的絞盤拉力過小，中心夾具或密封圈的外徑過大等原因。最常見的問題多為密封圈不能起到密封作用，主要原因有如喇叭口內(nèi)外的壓力差過大，導致密封失效；過多的熱循環(huán)次數(shù)，導致密封圈老化程度過快；密封圈的外徑尺寸設計過小以及施工絞盤拉力不夠，還未形成良好的密封效果。

對于中心夾具與海纜產(chǎn)生滑動的問題，需重新計算Pull-in 的拉力，防止拉力過大將中心夾具拉脫，也可能是因為中心夾具與海纜的抗脫拉力太小，則需要重新設計和測試該性能。若中心夾具不能順利完成Pull-in 安裝，建議重新檢查和設計中心夾具及密封圈的尺寸，或評估施工絞盤的拉力是否太小。若中心夾具的密封圈不能起到密封效果或脫落，則需重新檢查密封圈的尺寸，或者檢查絞盤的拉力是否太小未能將中心夾具的密封圈形成喇叭口內(nèi)外壓力差的密封效應，也可能需要重新擰緊將中心夾具與密封圈固定的螺栓。對于密封圈疲勞老化過快而導致密封失效，則需重新評估材料適用環(huán)境并選擇一種更適合的密封原材料。

2.2 I型管的固定裝置

導管架的I 型管多為無轉彎的直線方向，可應用于多樁、浮式、導管架基礎。多樁或導管架基礎的導管口離海床高度可達7～8 m，浮式基礎導管口離海床大于50 m，這種I 型管可省去大量J 型管的鋼質用材。由于導管口離海床的距離過大，需要有固定裝置將海纜保護系統(tǒng)固定在樁基礎上以減少其作用在海纜上的負載。典型的I型管固定裝置如圖3所示，該結構利用滾珠與配套的喇叭口凹槽結合，將海纜保護固定在喇叭口上。固定裝置的材料多為金屬，金屬材料在低溫狀態(tài)下的蠕變效應不明顯，滾珠的涂層需具有好的耐磨性能。材質為鋼結構應考慮其在海底的單面腐蝕裕量，可參照JTS 153—2015水運工程結構耐久性設計標準計算：

式中：Δ為鋼結構單面腐蝕裕量（mm）；為鋼結構單面平均腐蝕速度（mm/年），水位變動區(qū)或水下區(qū)取0.12，泥下區(qū)取0.05；為保護效率（%），涂層、金屬熱噴涂及包覆有機復合層可取50%～95%，陰極保護取≥90%；為防腐蝕措施的設計保護年限（年）；為鋼結構的設計使用年限（年）。

如上所述Philippe等的實驗表明，洋流在軸向最大拉力為11.58 kN，則滾珠卡扣處承受的最小抗拉應力為11.58 kN與海纜保護系統(tǒng)在海底的自重之和。

2.3 單樁穿海纜的固定裝置

該固定裝置的設計適用于單樁結構，如圖4 所示為典型的形式，斜向上開45°角的圓孔。其優(yōu)點在于不再需要加裝J 型管喇叭口，結構更加簡單可靠。由于喇叭口為鋼質材料，在運輸及施工安裝海纜保護過程中，表面涂層經(jīng)常被損壞，因此防腐蝕性能下降。單樁結構的保護系統(tǒng)可以省去J 型喇叭口的生產(chǎn)和安裝成本，也可以解決喇叭口的腐蝕問題。由于海纜沒有J 型管的保護，需要在倒刺或滾珠結構的固定裝置前加裝彎曲加強筋，防止海纜于外部摩擦的疲勞損傷，尾部銜接彎曲限制器。同時由于這種類型的結構使得海纜能在保護系統(tǒng)中滑動，海纜與海水充分接觸將更有利于海纜的散熱。

抗拉應力會集中在倒刺或滾珠的卡扣上，同時鋼結構材質低溫應力下的蠕變效應不明顯，則如上所述最壞情形下的單個卡扣抗拉應力應大于16 kN。由于金屬材料優(yōu)異的力學性能，而抗腐蝕是金屬材料的重點，可根據(jù)該裝置的金屬材質和腐蝕電流密度等計算犧牲陽極的用量。

整套組件在陸地上完成安裝，施工時引線連接錐形牽引裝置前行，倒刺或滾珠的固定裝置穿過單樁的圓孔后，保護系統(tǒng)被固定在桶樁上。繼續(xù)拉動引線，錐形牽引裝置與海纜保護系統(tǒng)分離，海纜能在保護系統(tǒng)內(nèi)繼續(xù)前行。該裝置在施工Pull-in 階段出現(xiàn)的問題較多，主要為不能順利穿入單樁圓孔?？赡艿脑蛴校?/p>

1）錐形牽引頭的設計不合理，不能起到引導作用。

2）錐形牽引裝置與海纜保護系統(tǒng)分離的拉力閥值過低，導致其提前分離，固定裝置未能順利進入圓孔并卡住。

3）海底由于洋流的運動，導致海纜的形態(tài)晃動，或拱形海纜下放設備不能使海纜形成良好的穿孔角度，未能利用好拱形海纜下放設備在海纜另一端形成的推力。

4）絞盤的拉力過小，不能提供海纜保護裝置穿孔所需的拉力。

對于上述等問題，需要重新檢查錐形牽引頭的外形設計以及涂層的選擇，可設計成類似于子彈頭的弧形錐形頭有利于減小摩擦力或選擇摩擦力更小的涂層。同時需重新檢查牽引頭與保護系統(tǒng)分離的拉力閥值，防止閥值過低。若洋流的擾動導致海纜形態(tài)的晃動造成施工的困難，需選擇洋流較為溫和的施工期窗口。同時適當增加施工絞盤的拉力，重新模擬或設計海纜下放拱形設備的使用，以更為合適的海纜形態(tài)和角度完成施工。

2.4 彎曲限制器

海纜彎曲限制器可防止海纜因洋流運動、漁業(yè)捕撈等外部受力造成的斷裂或疲勞損壞。國內(nèi)外主要分彎曲限制器類型按材料分為金屬質和聚氨酯兩種。金屬彎曲限制器由于成本低，力學性能優(yōu)良等優(yōu)點占據(jù)一定的市場，但由于金屬材料密度大，其自重會增加海纜的重力負載；金屬材料在海底容易被腐蝕，隨著材料的腐蝕，性能將大大降低，并且更換成本較高。聚氨酯材料因其優(yōu)異的抗腐蝕性能和耐磨性能，同時其密度為1.17 g/cm左右，與海水密度接近，不會額外增加海纜的負載。彎曲限制器的應用不限于風機基礎的行式，在未來浮式基礎的大趨勢下，彎曲限制器的應用也很廣泛。根據(jù)海纜大小規(guī)格，彎曲限制器的尺寸也不同。

圖5 為彎曲限制器結構原理，在彎曲限制器達到最小鎖合半徑之前，外部力矩主要傳達至海纜，達到鎖合半徑后，額外的彎曲力矩由彎曲限制器承受。表2 為典型彎曲限制器聚氨酯材料的性能參數(shù)，聚氨酯材料在長期高應力狀態(tài)下容易發(fā)生蠕變，該材料的彎曲限制器的限彎能力將下降，故聚氨酯材料彎曲限制器在短期受應力作用下的許用應力取材料強度的45%，在長期高應力作用下，許用應力取材料強度的15%。張聰在彎曲限制器的實驗數(shù)據(jù)表明，連續(xù)施加應力狀態(tài)下，彎曲限制器所受最大應力為21.08 MPa，若取45%的許用應力，則建議彎曲限制器材料的抗拉強度大于45 MPa。

彎曲限制器的最小要求長度受重多因素影響，如樁的類型與直徑，喇叭口或單樁孔離海床的高度，洋流的沖刷深度等。故為了計算彎曲限制器最短的長度，進行以下假設：

圖5 彎曲限制器結構原理Fig.5 Principle of bend restrictors

表2 典型彎曲限制器材料性能指標Tab.2 Properties of typical material for bend restrictor

1）圖6 模擬最嚴重沖刷程度導致海纜懸空的情景。

2）單樁孔離原始海床高度2.5 m，樁的直徑為5 m。

3）最嚴重沖刷時，洋流自然沖刷深度為1 m，并且洋流沖刷為非線性。

4）樁的存在導致局部沖刷深度為1.3×=6.5 m，海纜掩埋深度為2 m，其他模擬數(shù)據(jù)如圖6所示。

可根據(jù)假設的數(shù)據(jù)不同，計算不同數(shù)據(jù)下彎曲限制器最短長度要求。彎曲限制器所需的最短長度的近似計算可分為三部分：第一部分，近似處理為從喇叭口到與原始海床線的交點且夾角為45°的直線；第二部分，與原始海床線交點到海纜變成水平的弧度段，且彎曲限制器的鎖合彎曲半徑?。? m；第三部分，近似水平懸空段的海纜，計算過程如下：

2）第二部分近似處理計算：=2π×0.125=2×3.14×4×0.125=3.14 m（=4 m且夾角為45°的弧度段）。

圖6 最嚴重樁基附近的沖刷情形［12］Fig.6 Model setup for maximum load and worst case scenario in scour condition［12］

則彎曲限制器總長度=++=3.54+3.14+8.82=15.5 m，為了保留安全邊際，彎曲限制器的最短長度建議取16 m。

2.5 彎曲加強筋

彎曲加強筋的應用廣泛，可應用在單樁結構固定裝置的前端，導管架和浮式基礎的I 型喇叭口后段，海床上海纜交叉部位等。加強筋可為海纜增加抗彎曲強度，防止海纜的磨損。加強筋的主要材料多為高性能聚氨酯，根據(jù)應用場景不同可與金屬質材料相復合，圖7 為典型錐形彎曲加強筋。彎曲加強筋的典型材料為聚氨酯彈性體，該材料的應力應變曲線具有非線性，楊氏模量低，高的斷裂伸長率等特點，如圖8 所示為該典型材料的應力應變曲線，該材料的楊氏模量隨著應變的不同而不同，其斷裂伸長率可達到350%。加強筋失效的主要原因為材料因接觸海水、陽光、高溫、頻繁受應力的老化和與其它配件銜接處的斷裂。

Oliverira 的實驗測試了該材料的彎曲加強筋在非老化和因接觸海水而老化的材料結構變化，熱穩(wěn)定差異及力學性能的改變等。實驗結果表明材料在老化后化學組成并未發(fā)生明顯變化，但抗拉伸應力變大，主要原因是因為材料的老化促進了材料高分子鏈的交聯(lián)反應。

圖7 彎曲加強筋Fig.7 Bend stiffeners

圖8 典型的加強筋材料應力應變曲線Fig.8 Stress-strain curve of typical material for bend stiffeners

有些加強筋的固定段會嵌入金屬，金屬螺栓將滾珠或倒刺等的固定裝置固定，這種復合形式的加強筋應考慮金屬的防腐。對于未含與金屬材質復合的加強筋，如圖7 所示。由于洋流的運動，導致海纜不斷將彎曲矩和剪切力傳遞給加強筋，美國石油局API 手冊表明最大應力將會傳至未固定端處，故該段應做應力性能測試、疲勞和蠕變等測試，API手冊建議疲勞測試的頻率為0.1 Hz。

3 結論

本文研究了海纜保護系統(tǒng)的三大主流線路，分析了各種路線的優(yōu)勢和缺點。J型管的線路由于導管長，所需成本較高，喇叭口在運輸和施工途中，涂層容易被損壞，導致防腐效果降低，同時存在中心夾具密封圈經(jīng)常不能起到良好的密封效果等問題；雖然單樁穿海纜節(jié)省了較多的原料成本，但施工中往往不能順利穿入樁孔。I型結構的固定裝置結構較為復雜，滾珠的原材料需具備優(yōu)異的耐磨性能，導致成本增加。這幾種路線的優(yōu)缺點較為明顯，需要多方如設計院、制造商、施工方等結合工程實際狀況確定路線。