勝利海上油田海底電纜懸空損傷分析及保護裝置設計

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。經過勝利海洋人的不斷探索與實踐，創出了一條以衛星平臺海底電纜衛星平臺海底電纜中心平臺海底電纜陸地為主的開發建設模式。使用的電能絕大部分由陸地變電站供給，經海底電纜輸送至海上中心平臺，平臺間由海底電纜組成“手拉手式”的環網供電模式，將電能供給各衛星平臺。

目前，海上已建成平臺發電站一座、35 kV變電站4座、6 kV變電站84座，海底電纜鋪設總長293.4 km。作為海上電力輸送的大通道，海底電纜一旦發生故障會造成大面積的停電，影響油井正常生產，其直接及間接經濟損失可達到上億元。根據統計，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。研究分析后發現海底電纜懸空損傷的主要是由涌浪載荷作用和渦致振動造成的。為此我們設計海底電纜出海溝后的保護裝置，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施工中，特別是登陸采油平臺時，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，以一定角度上行至海上石油平臺導管架上的護管內。因設計、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，加上平臺建設后平臺樁腿(導管架)使水動力條件發生改變，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狀態，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，沿采油平臺樁腿(導管架)上行并固定在護管內，涌浪載荷作用下懸空海底電纜的運行方程可以表示為:

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

式中，σu為洋流水質點速度方差(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:

式中，n為振型階數;an為振型參數;βn為與各階振型相關的系數;l為海底電纜懸空長度(m);隨著應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分析

當渦流沖擊海纜時，懸空的海底電纜受到振動。水流產生了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，一個力就施加在海纜上。如果海纜處于水平狀態，且水流也是水平的，但流向與海纜垂直，渦脫落點產生的力的方向會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。對于海底電力電纜和相關的流速，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，即:

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

懸空海纜受到Karmán漩渦離開時的力的激發，產生頻率為fs的振動。當激發頻率fs接近或等于某一個固有頻率fn時，海纜會因共振而產生振動。

當海纜開始振動，其固有頻率就會改變，這在一定程度上是由于運動的海纜推動引起的水的慣性力。海纜的彎曲剛度會使其固有頻率變大。彎曲剛度的影響可從數值φ中值算:

式中，EI為海纜的動態彎曲剛度(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及其相關的帶寬能同時激發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力影響，中部的運動幅度最大，疲勞損傷最重。因為海底電纜為柔性體，受外力影響下發生渦致振動，疲勞損傷的范圍擴大。海纜在海流和渦致振動的作用下，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際海調資料圖。

圖1 海底電力電纜懸空海調資料圖

在海纜受外力慢慢被提出海纜溝，懸空長度增加過程中，海纜經受最大、最直接的損傷不是海纜的疲勞損傷，而是渦致振動和海流沖刷造成海纜在護管口處的硬磨損。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隨著海纜提出的過程不斷變化，與受力點摩擦的海泥等非硬質物不會造成海纜硬磨損。海纜與鋼制護管的摩擦是不間斷的，且摩擦點也是固定的，造成摩擦點處的海底電纜完全損壞。根據近10年的資料統計，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。

3 海底電纜的保護設計

目前，海底電纜防護問題的解決方案如圖2所示:海纜出溝后與護管之間，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。針對這一現狀，我們設計了一種新型海底電纜出海纜溝后固定保護裝置(見圖3)，它能解決海纜提前溝出后懸空無防護的問題。

圖2 現海底電纜防護方案示意圖

圖3 新型海底電纜保護裝置結構示意圖

3.1 新型海底電纜保護裝置方案設計

為達到保護海底電纜的目的，設計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裝置可以實現，出溝后與護管之間的裸露懸空海纜的全密封保護，避免此懸空海纜受涌浪沖刷以及渦致振動的破壞，徹底解決了該段海底電纜懸空無防護的問題，同時還解決了出溝處海底電纜自然沉降不固定、護管磨損海底電纜等問題，延長了海底電纜的使用壽命。

3.2 海底電纜保護裝置的載荷計算

為了驗證該保護裝置設計的合理性、規范性，將做以下的分析計算。

3.2.1 環境載荷

按設計要求，平潮水深15 m，平臺所在海域:

(1)波浪。按50年一遇設計波高Hs=4.5m，D/L=0.0114，因此，該保護裝置屬于小尺度圓形構件。

根據規范，對于小尺度圓形構件，當D/L＜0.2時，垂直于其軸線方向的波浪力FL可按莫爾森公式計算:

式中，ρ為海水密度(kg/m3);CD為垂直于構件軸線的拖拽力系數，當實驗資料不足時，對于圓形構件，可取CD=0.6～1.0;CM為慣性力系數，有實驗確定，當實驗資料不足時，對于圓形構件，可取CM=2.0;D為圓形構件直徑(m);L為設計長度(m);u為垂直于構件軸線的水質點相對于構件的速度分量(m/s);為其絕對值，當海流和波浪聯合作用于裝置時，u為波浪水質點的速度矢量與海流速度矢量之和在垂直于構件方向上的分矢量(m/s);u·為垂直于構件軸線的水質點相對于構件的加速度分量。

(2)海流。按100年一遇設計海平面海流速度為2.86 m/s。

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

3.2.2 保護裝置的受力分析

要分析保護裝置受力，需要對海底電纜整體保護裝置進行靜力分析。按規范要求取水下10m，其保護裝置的計算簡圖，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個單元，于是有n+1個節點，從中任取一個單元，設單元長度為L，χi(i=1，2，3，4)分別表示節點1，2，3，4的位移和轉角。

取Hermire插值函數:

圖4 固定保護裝置在洋流作用下的受力

則管線上任一點的位移為:

利用勢能駐值原理，可以得到單元剛度矩陣[Ke]為:

3.2.3 強度分析與設定

按式(3)、式(4)、式(8)、渤海的洋流資料(最大洋流4.8kN)及式(7)，海底電纜的動態彎曲剛度如果φ 1，則彎曲剛度的影響可忽略;海纜的懸空長度縮短和質量增加，海纜的渦致振動將減小。其保護裝置的結構將做以下設定，保護裝置的防錨式構件重量增加，使其固定力大于5 kN;防腐金屬軟管穿入海纜后在平臺導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、導管架上的海纜護管連接法蘭，以及防錨式構件連接法蘭材料為20Mn2;屈服強度σs=590 MPa。設計和施工安裝時加上以上的環節因素，其強度安全系數滿足強度要求，應用到生產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 結束語

綜上所述，造成海底電纜的懸空損傷是一個比較復雜的問題，受到諸多因素的影響。在涌浪載荷與渦致振動分析的基礎上，通過實例討論了造成海底電纜懸空損傷原因，是因為海底電纜的裸露懸空沒有有效的治理和防護。根據海底電纜的結構形式、尺寸及材料、水深和海洋環境參數的條件設計了一種海底電纜出海纜溝后的固定保護裝置，通過對保護裝置結構整體進行受力強度和環境影響分析，在50年一遇的海洋環境條件下，所設計的保護裝置可以有效地避免海底電纜的裸露懸空損傷。

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