張長明,高科佳

(1.中海石油(中國)股份有限公司深圳分公司,深圳 518000;2.寧波東方電纜股份有限公司,寧波 315300)

0 引 言

海洋動態(tài)電纜用于傳輸和連接深海觀測設(shè)備、海洋工程設(shè)施、海底油氣管線等。 這些設(shè)備因深海作業(yè)或勘測,不僅要求海洋動態(tài)電纜具有耐海水腐蝕、大浪沖擊、海底摩擦等特性,還需要具備較好的彎曲性能和拉伸強度,以適應(yīng)復雜的海洋環(huán)境和海底地形。 海洋動態(tài)電纜在海洋工程、深?？碧健⒑５椎刭|(zhì)調(diào)查等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,對推動海洋經(jīng)濟和保護海洋生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

海洋動態(tài)電纜的投入使用通常會經(jīng)歷設(shè)計、生產(chǎn)、導纜、運輸、安裝、運行等流程。 其中,導纜是不可忽視的重要環(huán)節(jié),纜線在導纜過程中應(yīng)避免過拉、過壓,以良好的狀態(tài)投入使用[1-2]。 眾多專家學者對纜線性能進行了深入的研究。 張永甲[3]研究了導體絞合工藝對纜線耐彎折性能的影響。 陳紫薇等[4]研究了風機安裝船懸掛電纜張力的計算,并對影響拉力的因素進行了總結(jié)。 夏云海等[5]對220 kV 平滑鋁套高壓電纜進行研究,對其彎曲性能和抗沖擊性能進行了試驗與驗證。

目前,海上風電、海洋光伏能領(lǐng)域不斷發(fā)展壯大,海洋動態(tài)電纜的需求也在不斷增加,但動態(tài)電纜導纜方面的研究較少,且這類研究通常需要具備相關(guān)工程實踐經(jīng)驗。 本工作通過OrcaFlex 進行仿真模擬,還原實際導纜情形,分析導纜過程中遇到的問題,為海洋動態(tài)電纜在導纜方面的實踐提供參考。

1 模型建立

1.1 參數(shù)設(shè)定

隨著海洋動態(tài)電纜領(lǐng)域商用軟件的不斷研發(fā)和推進,目前有OrcaFlex、ANSYS、UFLEX 仿真軟件可供選擇。 其中,OrcaFlex 是一款廣泛應(yīng)用于設(shè)計和分析海洋系統(tǒng)及其設(shè)施的專業(yè)軟件。 對于動態(tài)電纜,OrcaFlex 可以在動態(tài)電纜的設(shè)計、安裝和運行階段提供各種分析和建模工具,幫助用戶評估動態(tài)電纜系統(tǒng)的性能、可靠性和安全性。

在OrcaFlex 中,動態(tài)電纜的能力曲線是導纜過程中載荷作用的最大界線。 該能力曲線可通過動態(tài)電纜相關(guān)計算參數(shù)的設(shè)計輸入仿真得到。 其中,動態(tài)電纜模型的外徑、扭轉(zhuǎn)剛度、軸向剛度、彎曲剛度、空氣中質(zhì)量、纜線的路由等均被輸入到模型中。 該仿真模擬試驗?zāi)繕死|線所能承受的最大張力為200 kN,最大曲率為0.5 m-1,具體參數(shù)設(shè)定見表1。

表1 電纜參數(shù)

1.2 物理模型建立與分析

不同的導纜情景涉及不同的實體模型,以碼頭至敷纜船導纜模型為例進行模擬。

在碼頭至敷纜船的導纜模型中,涉及的主要實體模型有:敷纜船、碼頭門機、引橋、張緊器、門機后側(cè)導軌、海水和海床。 為了便于模型的收斂,應(yīng)對模型進行優(yōu)化,將復雜的構(gòu)建簡化成方塊或弧板,碼頭至敷纜船導纜模型見圖1,門機示意圖見圖2。 其中,R為半徑,mm。

圖1 碼頭至敷纜船導纜模型

圖2 門機示意圖

圖3 極限位置點

考慮到纜線的兩個比較重要的能力參數(shù)曲率和張力,在做詳細分析前,需要對可能的受拉或受壓的位置進行判斷。 本工作中的碼頭門機及導軌模型涉及多處彎段,每處彎段的曲率不應(yīng)超過纜線的曲率能力范圍,且在導纜過程中還應(yīng)考慮轉(zhuǎn)盤損壞、張緊器繼續(xù)運作的情景,這會造成落地點側(cè)的纜線出現(xiàn)不良的受壓。 若張緊器損壞,轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動,則會導致纜線受拉。

1.3 工況設(shè)計

實際導纜過程會涉及更多的工況,如纜線是落在纜盤內(nèi)圈還是外圈、潮位是高潮還是低潮、纜線在纜盤上堆高的高度等,導纜工況見表2。 不同工況會影響纜線出弧板至落地點的線形。

表2 導纜工況

導纜分析通常還要考慮設(shè)備損壞的狀況。 碼頭至敷纜船導纜的場景中,通常要考慮張緊器后轉(zhuǎn)盤損壞的影響,纜線在設(shè)備停止后表現(xiàn)為受拉和受壓的狀態(tài)。 從設(shè)備損壞至纜線損壞有一定的時間,這段時間為碼頭操作人員的反應(yīng)時間。 探究碼頭操作人員實際所擁有的反應(yīng)時間是導纜分析的重要一環(huán)。

2 設(shè)計原理

2.1 集中質(zhì)量法

動態(tài)電纜的動力響應(yīng)采用集中質(zhì)量法。 將纜線分為多個單元,每個單元的質(zhì)量和受力均分在兩個單元節(jié)點上,節(jié)點與節(jié)點之間通過無質(zhì)量的彈簧進行連接。 纜線的軸向剛度、彎曲剛度和材料阻尼等參數(shù)通過彈簧的剛度和阻尼屬性來滿足。 集中質(zhì)量法將纜線單元所受載荷等效為節(jié)點載荷,每個節(jié)點建立運動方程如[6]

式中:M為節(jié)點質(zhì)量矩陣,kg;C為節(jié)點處阻尼系數(shù)矩陣,N·s·m-1;K為剛度矩陣,包括軸向剛度和彎曲剛度,忽略扭轉(zhuǎn)剛度的影響,N·m-1;·為節(jié)點加速度,m·s-2;為節(jié)點速率,m·s-1;X為節(jié)點位移,m;F為t時刻所受外力,N;t為時間,s。 代入邊界條件后,可求解纜線各質(zhì)點的位移,從而獲得各節(jié)點的運動。

2.2 懸鏈線方程

懸鏈線方程是描述懸鏈線形狀的方程,可以用來計算懸鏈線的張力、形狀等參數(shù),見公式(2)。 在海洋工程中,懸鏈線常用于描述懸掛在水下的纜線、鋼索等結(jié)構(gòu)物的形狀和受力情況。

式中:H為輸電線路軌跡上的點離海平面的距離,m;t為輸電線路軌跡上的點距離參考點的水平距離,m;A、B、C均為常數(shù),m。 以輸電線路側(cè)面為二維平面,海平面初始值為零。A、B、C由懸鏈線方程通過3 個航點測得的t計算得到,多組數(shù)據(jù)所得A、B、C不同時取均值。A決定懸鏈線開口方向和大小;B決定偏移距離;A、C決定離海平面距離;三者共同決定懸鏈線形狀。

3 設(shè)計方法

工廠內(nèi)的裝船路線設(shè)有軌道,軌道上裝有滾輪,且軌道的彎段有足夠大的半徑,遠大于纜線的最小彎曲半徑。 因此,整個導纜分析,主要是檢查裝載臂和敷纜船轉(zhuǎn)盤之間的懸鏈線形狀。

為了確保裝船作業(yè)順利進行,先對敷纜船轉(zhuǎn)盤中心和起重機的水平位置進行確定。 使用迭代方法,以O(shè)rcaFlex 模型調(diào)整敷纜船相對碼頭的一系列位置,找到所有情況下的適用位置。 在此步驟完成后,敷纜船和碼頭的相對位置將固定,不再移動。

通過模擬不同工況下、不同設(shè)備的意外損壞情況,得出操作人員導纜作業(yè)的最小反應(yīng)時間,同時對不同工況觸地點與出弧板起點之間的懸鏈線長度和兩點間的水平距離進行采樣,為碼頭操作人員的導纜控制提供依據(jù)。

4 仿真結(jié)果

根據(jù)表2 中4 種不同工況進行模擬仿真,求得每種工況的輸出結(jié)果。 以工況1 為例展開詳述,并與表3 中的電纜能力進行對比,先檢查電纜關(guān)鍵參數(shù)(張力和曲率)是否被突破,再研究關(guān)鍵設(shè)備失效或未同步時的反應(yīng)時間。

表3 電纜能力

4.1 極限位置

在裝載過程中,懸掛索傾向于在彎曲段和接觸點達到臨界點。 因此,在結(jié)果中捕獲了以下關(guān)鍵點:彎段(P1);彎段(P2);弧板(P3);弧板(P4);觸地點(P5)。

圖4 為懸鏈線的垂直距離和水平距離。 其中,H為垂直距離,m;x為水平距離,m。

圖4 懸鏈線的垂直距離和水平距離

4.2 工況1:內(nèi)圈和低潮

4.2.1 正常運轉(zhuǎn)時

圖5 為電纜從碼頭裝載至運輸船的正常運作。圖6 為在仿真時間內(nèi),纜線沿纜長方向張力和曲率的變化。

圖5 工況1 正常運作示意圖

圖6 工況1 正常運作載荷

根據(jù)纜長位置,分別對P1～P5位置點進行標注,5 個點所體現(xiàn)的數(shù)值符合預(yù)期,纜線在這5 個點處受彎段的曲率較大。 將所統(tǒng)計纜長段的載荷表現(xiàn)與最大張力(200 kN)、最小曲率(0.5 m-1)進行對比,發(fā)現(xiàn)在該工況進行導纜時,纜線所受載荷低于電纜能力。

4.2.2 轉(zhuǎn)盤失效時反應(yīng)時間分析

以O(shè)rcaFlex 模型模擬敷纜船轉(zhuǎn)盤失效,而張緊器繼續(xù)工作的情況。 圖5 和圖7 分別表示正常情況和轉(zhuǎn)盤失效時電纜狀態(tài)的差異。

圖7 工況1 轉(zhuǎn)盤失效

圖7 中的方框表示電纜由于堆積而突破限制,失效標準可以參考表3 中的最大曲率。 突破點為箭頭所指位置。 該工況下,纜線由于堆積導致觸地點前彎段曲率超出,詳情見圖7(b)局部放大圖。 從轉(zhuǎn)盤失效到電纜超過故障極限的時間為66 s。 因此,工況1 轉(zhuǎn)盤失效的反應(yīng)時間應(yīng)為66 s。

4.2.3 張緊器失效時反應(yīng)時間分析

以O(shè)rcaFlex 模型模擬張緊器失效,而敷纜船轉(zhuǎn)盤繼續(xù)工作的情況。 圖5 和圖8 給出了張緊器失效時正常情況和損壞時電纜狀態(tài)的差異。

圖8 工況1 張緊器失效

這種故障情況是電纜被加載到轉(zhuǎn)盤的內(nèi)框架側(cè),而轉(zhuǎn)盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn),張緊器停止放線。 此時,電纜往往會被拉伸,超過內(nèi)部籃筐的高度,并滑向另一側(cè),導致電纜呈S 形彎曲,其曲率迅速增加。 圖8(a)中,正進行內(nèi)圈導纜,張緊器停止,纜線隨著轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)而被拉緊。 沿內(nèi)側(cè)圓柱作一條弧線,突破點在纜線與弧線的交點處,詳情見圖8(b)中的局部放大圖。 該位置曲率超額,故障標準可以參考表3 中的最大曲率。 從張緊器失效到電纜超過故障極限的時間為55 s。 因此,工況1 張緊器失效的反應(yīng)時間應(yīng)為55 s。

4.3 結(jié)果采樣分析

同理,進行其他工況的分析,具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 正常情況下的懸鏈線參數(shù)采樣

由表4 可知,當電纜裝載處于正常運行狀態(tài)時,對于所有工況, 頂部張力遠低于最大張力(200 kN)。 雖然如此,即使張力符合要求,如果曲率大于最大曲率(0.5 m-1),電纜仍可能被損壞。 因此,應(yīng)兼顧最大張力和最大曲率。

裝載速率約為5 m·min-1。 正常運行時,轉(zhuǎn)盤和張緊器均以相同的速率運轉(zhuǎn)。 如果在纜線裝載時運輸船轉(zhuǎn)盤發(fā)生故障,轉(zhuǎn)盤則將停止收纜線,而張緊器繼續(xù)放纜線,導致電纜在轉(zhuǎn)盤中堆積和彎曲。工況5 ～8 為工況1 ～4 對應(yīng)的轉(zhuǎn)盤失效。 模擬結(jié)果表明,工況5 ～8 的失效原因均為堆積造成的彎曲。

如果在纜線裝載時張緊器失效,則張緊器將停止放出纜線,而運輸船轉(zhuǎn)盤繼續(xù)收電纜,導致電纜被拉緊。 工況9 ～12 為工況1 ～4 對應(yīng)的張緊器失效。其中,工況9 ～10 的失效原因為電纜滑過內(nèi)框并彎曲超過最大曲率;工況11 ～12 的失效原因為電纜被拉直并超過最大張力。

兩種失效形式下的失效原因、最大反應(yīng)時間見表5。

表5 失效工況最大反應(yīng)時間

5 結(jié)束語

隨著全球能源技術(shù)的革新進步,跨區(qū)域輸電和海上風電技術(shù)得到蓬勃發(fā)展,海底電纜也得到了廣泛應(yīng)用。 導纜作為纜線生產(chǎn)、運輸中的重要一環(huán),越來越被國內(nèi)外電纜人重視。 碼頭至敷纜船動態(tài)電纜導纜是最為常見的一種導纜情況。 本工作通過對導纜位置、潮位的組合變化,得到相對豐富的導纜工況,對導纜過程中的張力、曲率等載荷進行了研究,分析了纜線不同節(jié)點處的載荷情況;將轉(zhuǎn)盤、張緊器兩種運動單元的失效進行了分析,得到了不同工況下纜線失效原因的預(yù)測。 該仿真豐富了我國海纜工程的項目經(jīng)驗,具有一定的參考價值。