深水鋼管臍帶纜安裝下放過程研究

劉志龍，李 英，丁鵬龍

(天津大學建筑工程學院水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072)

臍帶纜是海洋平臺連接水下井口的重要結構，為水下控制系統提供電力電源、液壓動力源、化學藥劑注入通道、控制信號及傳輸操作運行狀態數據，具有結構組成復雜、性能要求嚴格、環境條件嚴峻、分析計算繁瑣等特點。

國內外學者對臍帶纜的力學性能、設計流程和安裝等進行了研究。Witz＆Tan［1］提出了臍帶纜軸向拉伸、扭轉和彎曲的力學分析模型，并進行了實驗研究;Custo'o＆Vaz［2］給出了臍帶纜在受單一外力時響應的非線性方程，并給出了數值解;S?vik＆Bruaseth［3］研究了臍帶纜結構響應的有限元方程，并進行了相關實驗;Adrian Risa［4］分析了臍帶纜在動力載荷作用下循環應力的分布情況;Dieumegard＆Fellows［5］分析了3 000 m水深臍帶纜的截面設計、力學性能和安裝的特點;連璉、王道炎、王玉娟［6］建立了水下拖曳系統臍帶纜索的三維物理模型和數學模型，對6 000 m深海觀測系統臍帶纜的性狀進行了模擬計算。李清泉、楊和振［7］研究了彎矩和軸向拉力作用下摩擦系數對各層套管應力的影響;朱克強，鄭道昌，張玉松［8］等人研究模擬了潛水器臍帶纜的的強非線性流體動力學性能，研究了臍帶纜在流場中的形態與拉力;孫晶晶、劉培林、段夢蘭等人［9］介紹了臍帶纜安裝技術特點，分析和對比了國內外安裝技術的應用情況，提出我國在該方面所面臨的挑戰和發展方向。閆澍旺、賈沼霖、封曉偉等人［10］針對海底埋設的受損臍帶纜的回收過程，研究了臍帶纜與海底土體相互作用和回收載荷等內容。

國內外學者對臍帶纜整體力學性能做了大量研究工作，而安裝分析作為臍帶纜截面設計和工程施工中必不可少的部分，具有流程復雜，強度要求苛刻等特點，同時臍帶纜結構的復雜性和材料非線性導致數值分析具有一定的困難。如何準確快速詳細地對臍帶纜的安裝進行數值模擬極具現實意義。

臍帶纜一般通過卷管法安裝，過程包括上卷，退卷，矯直，張緊下放等過程。安裝中臍帶纜承受較大的彎矩和拉力，易發生結構破壞。本文結合1 500 m水深臍帶纜的安裝案例，針對張緊下放過程，建立臍帶纜詳細的局部有限元模型，充分考慮臍帶纜內部構件之間的接觸與摩擦非線性邊界條件，使用ABAQUS/Explicit進行了數值模擬，并進行強度分析。

1 臍帶纜安裝下放中的力學問題

臍帶纜通過張緊器下放時，水中懸垂的臍帶纜產生較大拉力，為避免結構的拉伸破壞;張緊器夾緊臍帶纜，二者之間的摩擦力平衡臍帶纜下放時的拉力;張緊器在提供足夠摩擦力的同時，應保證臍帶纜不會被壓壞。顯然，上述問題相互矛盾，需要同時滿足才能保證結構安全，因此需要經過迭代計算才能完成。

2 有限元模型

2.1 模型參數

鋼管臍帶纜一般包含外層護管、護套、鋼管、電纜、光纜和填充等構件。本文研究的鋼管臍帶纜橫截面如圖1所示，內部構件尺寸、材料、中心距與數目見表1。

表1 臍帶管各構件材料、尺寸與數目Tab.1 Material，size＆ number of STU components

臍帶纜中各管、纜的螺距均為5.1 m。由于臍帶纜內部構件是螺旋結構，臍帶纜模型的長度對安裝應力分析有著一定的影響。一般工程建議1～2個螺距，由于本文中臍帶纜螺距較大，綜合考慮結果精度和計算時長，進行數值模擬時臍帶纜模型長度取為二分之一螺距，即2.55 m。

安裝過程中張緊器的張角為120°。為了減小外層護套與張緊器之間接觸分析中的沙漏現象，對外層護管的網格進行加密劃分，有限元模型如圖2所示。材料之間摩擦系數見表2。計算中認為靜摩擦系數與滑動摩擦系數相同。

表2 材料之間摩擦系數Tab.2 Friction coefficient between different materials

圖1 鋼管臍帶纜截面Fig.1 Section of STU

圖2 鋼管臍帶纜有限元模型Fig.2 FEA model of STU

2.2 單元類型

分析中根據工程實際以及關注對象選用合適的單元類型。張緊器的剛度大于臍帶纜的剛度，并且關注臍帶纜的結構響應，而非張緊器的應力分布，同時為在ABAQUS/Explicit分析中獲得更大的整體時間增量，提高計算效率，選擇解析剛體(Analytical Rigid Body)模擬張緊器。選用實體單元模擬臍帶纜構件。ABAQUS中適用于接觸問題的顯示分析方法的實體單元必須為減縮積分單元，因此形狀規則的構件(如鋼管、電纜和光纜)選用減縮積分的8節點六面體單元(C3D8R)進行模擬;而形狀復雜的護套和填充等構件，為獲得良好的網格劃分，選用減縮積分的三維6節點楔形單元(C3D6R)進行模擬。

2.3 接觸與摩擦

臍帶纜構件之間以及臍帶纜與張緊器之間的接觸和摩擦是非線性邊界條件。接觸的法向屬性為不可穿透的有摩擦的面面接觸，并且接觸面之間允許發生有限滑移。接觸的切向屬性為罰函數接觸，以便與顯示數值積分方法求解包含慣性項的方程相協調。

2.4 安裝載荷

臍帶纜在1 500 m水深中安裝時，主要承受的載荷包括海水中結構的自重，波浪和流載荷。由于安裝時選擇較平靜的海況，環境載荷較小，在分析中一般通過對自重乘以放大系數來確定載荷，放大系數一般選擇1.2～1.3。本文分析中放大系數選為1.25，水下端頭或者終端的重量已通過動力放大系數計入。根據臍帶纜海水中單位長度質量、安裝水深和放大系數計算臍帶纜安裝中承受的最大拉力，見表3。

表3 安裝載荷Tab.3 Installation loads

2.5 分析過程

張緊下放過程中，臍帶纜同時承受側向擠壓和拉力，分析中擠壓力和拉力均通過施加位移的方法模擬。

首先對剛體施加側向位移以模擬張緊器的擠壓作用，然后在臍帶纜一端施加位移以模擬臍帶纜的拉力。通過反復迭代計算確定最大安裝拉力狀態下張緊器的側向位移和臍帶纜拉伸位移的最終數值，作為張緊下放過程中的載荷條件。之后進行加載計算，并校核鋼管和電纜的強度。分析流程如圖3所示。

整個分析中不對臍帶纜施加任何邊界條件，以保證臍帶纜承受拉力完全通過其與張緊器之間的摩擦力平衡。

圖3 分析過程流程圖Fig.3 Process flow chart of analysis

3 臍帶纜的擠壓與拉伸

根據圖3中所示的迭代過程，最終確定張緊器側向位移為0.8 mm，臍帶纜軸向拉伸位移為0.91 mm時，臍帶纜構件承受總拉力為205.36 kN，大于安裝載荷200.63 kN，為保守起見，分析中使總拉力略大于安裝拉力。此時構件的最大摩擦力均大于其拉力，張緊下放過程中拉力完全由摩擦力平衡，構件未出現整體滑移。下列結果數據均在上述位移條件下計算得到。

3.1 側向擠壓

構件承受的拉力通過摩擦力先后傳遞到護套、外層護管和張緊器，同時構件在軸向不能發生整體滑移。構件之間的接觸壓力與材料之間的摩擦系數決定了相互之間靜摩擦力的極限值。

圖4 鋼管、電纜和光纜最大摩擦力-側向擠壓位移曲線Fig.4 Maximum frictional force vs.squeezing displacement curve of steel tubes，electrical cables and fibre optical cables

圖4為臍帶纜不同構件最大摩擦力與張緊器擠壓位移之間的關系曲線。曲線表明，各構件最大摩擦力隨側向擠壓位移變化趨勢相同，并且同一類構件上最大摩擦力近似相等，并與構件側向剛度相關，與構件布置方式是否對稱不相關。如電纜2和鋼管2各有6個，布置形式并不完全對稱，但是，最大摩擦力均近似相同。

分析表明構件材料彈性模量越大，則接觸面的壓強越大。如圖5和圖6所示，鋼管表面的接觸壓強大于電纜表面的接觸壓強。另外構件截面尺寸越大，可提供的最大摩擦力也越大，如鋼管1的最大摩擦力大于鋼管2。

圖5 鋼管表面接觸壓強Fig.5 Contact pressure on steel tube surfaces

圖6 電纜表面接觸壓強Fig.6 Contact pressure on electrical cable surfaces

3.2 拉伸

臍帶纜的安裝載荷主要分布在鋼管、電纜和光纜等構件上，其分布與構件的軸向剛度有關。圖7為張緊器側向擠壓后，拉伸過程中各個構件拉力與拉伸位移的關系曲線。由拉力-位移曲線可知，所有構件拉力隨拉伸位移變化趨勢相同，軸向剛度越大，則承擔拉力越大。所有鋼管構件共承擔了安裝載荷的86%，其中鋼管1承受了安裝載荷的19%。

另外，同一類構件承擔的拉力在同一數量級，但數值上存在10%左右的差異。原因是側向擠壓影響了構件的軸向拉伸變形導致了較高的非線性。圖7中光纜拉伸曲線出現跳躍，非線性表征最為明顯。

圖7 鋼管、電纜和光纜拉伸曲線Fig.7 Tension curve of steel tubes，electrical cables and fibre optical cables

3.3 摩擦力分析

表4為構件拉力分布與最大摩擦力的數值比較。其中，T為構件承擔的拉力，F1為僅在側向擠壓時構件表面的最大摩擦力，F2為側向擠壓和軸向拉伸均施加后構件表面最大摩擦力。

F2/F1＜1表明，側向擠壓位移保持恒定時，增大軸向拉力會減弱構件之間的摩擦力，這是由于螺旋構件拉伸時產生徑向收縮減弱了構件之間的接觸壓強。其中鋼管1表面的最大摩擦力減弱最為明顯，已超過30%。

T/F2表征了構件不發生滑移的安全裕度，鋼管構件均接近或者超過20%，其余均較小。綜合來看，鋼管和護套之間的接觸為薄弱部分，易發生滑脫。這對安裝是極為不利的現象，也是深水鋼管臍帶纜安裝面臨的挑戰。

為了解決上述問題，可以對臍帶纜進行捆扎，使用摩擦系數更大的填充材料，增大接觸壓力和摩擦力;可通過優化截面設計，調整鋼管和電纜的布置方式來提高整體橫向抗壓強度;亦或采用低密度高強度的材料生產制造臍帶纜構件，控制臍帶纜質量同時提高拉伸和擠壓能力。

表4 構件拉力與摩擦力比較Tab.4 Tension load vs.maximum friction

3.4 強度分析

安裝中材料強度是衡量結構安全性的主要指標。臍帶纜中鋼材的屈服應力為552 MPa，銅材料屈服應變為2×10-3。本文中臍帶纜在安裝下放時，鋼管的最大Von Mises應力為308.3 MPa，電纜中銅材的最大主應變為7.71×10-4，二者均小于材料的屈服極限，因此該臍帶纜可通過張緊器安全下放。鋼管的應力云圖與銅材料構件的應變云圖見圖8和圖9。

圖8 鋼管應力云圖Fig.8 Contour of von mises stress of steel tubes

圖9 銅材料構件應變云圖Fig.9 Contour of strain of couper

4 結語

臍帶纜的深水安裝面臨著諸多技術挑戰。其中一個便是安裝中承受巨大的拉力，需要通過張緊器與臍帶纜之間的摩擦力平衡，張緊下放過程中既要求構件不能發生滑脫，又保證臍帶纜內部鋼管和電纜等構件不被壓壞。因此，對臍帶纜安裝下放過程的數值模擬十分重要。本文對1 500 m水深臍帶纜安裝下放過程進行了數值模擬。分析發現，材料之間的摩擦系數是安裝分析中的重要參數，若摩擦系數較小，壓力不足容易導致滑脫，壓力過大又增大了鋼管的壓潰風險，難以保證安全。在實際生產或者安裝過程中可選用摩擦系數較大的材料進行填充或對臍帶纜進行捆扎以增大摩擦力。另外，臍帶纜的軸向剛度與側向受力狀態相關，側向擠壓時軸向剛度會增大。

海水中臍帶纜的重量會隨著水深迅速增加，安裝困難性增大，為了解決這一問題，可對臍帶纜的截面設計進行優化設計，或者選用新型低密度高強度材料，以達到重量低但結構強度大的目標。

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