深水臍帶纜浮力塊配置優化設計

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(1.中國船級社，北京100007；2.海洋水下設備試驗與檢測技術國家工程實驗室，北京100007；3.北京石油化工學院 機械工程學院，北京102617；4.深水油氣管線關鍵技術與裝備北京市重點實驗室，北京 102617；5.海洋石油工程股份有限公司 設計公司，天津300451)

臍帶纜是水下生產控制系統的重要組成部分，用于連接水上系統和水下系統。為水下生產系統輸送電力和液壓動力、提供化學藥劑注入通道以及傳輸控制信號和反饋水下生產系統運行狀態數據[1]。臍帶纜在國外海洋工程應用已經有50 a歷史，應用范圍從淺水已經發展到超深水領域。我國在臍帶纜的設計制造方面與國外先進技術還存在較大差距，開展臍帶纜關鍵技術研究對我國深水油氣田開發具有重要意義[2]。線型設計是臍帶纜整體分析的關鍵問題，典型線型有懸鏈線型、緩波型、陡波型、緩S型、陡S型[3]。懸鏈線型布局簡單，施工方便，是一種經濟的方式。隨著水深的增加，懸鏈線型懸掛點的張力增加，通過在臍帶纜局部安裝浮力裝置，可以減小頂端張力以及減小浮體運動及環境載荷對觸地區附近結構強度的影響[4]。由于臍帶纜和鋼懸鏈線立管在深水中的形態相似，臍帶纜的線型計算分析可以借鑒鋼懸鏈線立管[5-7]。本文以緩波型為例，采用有限元法對比分析懸鏈線型與緩波型的頂部張力和曲率，以單位長度浮力、浮力塊位置、浮力塊長度為因子，研究深水臍帶纜浮力塊配置方案。

1 深水緩波型臍帶纜有限元分析

1.1 深水緩波型臍帶纜有限元模型

本文采用有限元軟件ABAQUS建立深水臍帶纜的二維有限元模型，臍帶纜采用梁單元B21來模擬，假設海床為剛性面，定義為解析剛體。臍帶纜初始狀態平鋪在海床之上，定義臍帶纜與海床為有限滑動接觸，忽略二者之間的摩擦力。臍帶纜一端固定，另一端施加水平位移和垂直位移邊界條件，將臍帶纜提升至在位狀態(水深1 000 m)，滿足初始頂端懸掛角20°，此刻臍帶纜呈現懸鏈線形態。為保證計算的收斂性，整個提升過程共分為5步。最后施加浮力塊提供的浮力。

臍帶纜是由多個功能構件螺旋纏繞中心鋼管形成，其橫截面如圖1所示[8]，在計算過程中需要進行剛度的等效。本文采用文獻[9]的臍帶纜參數，濕重22 kg·m-1，彎曲剛度14.4 kN·m2，軸向剛度509 MN。浮力塊單位長度提供的浮力為臍帶纜單位長度濕重的2倍，長度為250 m，距頂端距離為700 m。

圖1 臍帶纜橫截面

1.2 深水緩波型臍帶纜有限元結果分析

圖2～3分別為2種不同線型(懸鏈線型和緩波型)的曲率和張力對比圖，臍帶纜長度0點為懸掛點。從圖2可以看出，懸鏈線型臍帶纜曲率最大的地方發生在觸地點附近，緩波型臍帶纜出現相對兩個曲率較大的地方，最大值出現在觸地點附近，另一峰值則出現在浮力塊的上端，并且緩波型臍帶纜的曲率整體大于懸鏈線型臍帶纜的曲率。從圖3可以看出，懸鏈線型臍帶纜的張力隨著長度的增加逐漸減小，緩波型臍帶纜的張力從懸掛點開始逐漸減小，當經過浮力塊時導致張力局部增加，但比懸掛點處張力小。并且發現增加浮力塊可以明顯減小臍帶纜的整體張力水平。

圖2 懸鏈線型與緩波型曲率對比

圖3 懸鏈線型與緩波型張力對比

2 深水緩波型臍帶纜浮力塊配置方案設計

2.1 深水緩波型臍帶纜浮力塊配置參數設置

本文以浮力塊單位長度提供的浮力(因子A，單位為臍帶纜單位長度濕重的倍數)、浮力塊長度(因子B，單位為m)、浮力塊距頂端距離(因子C，單位為m)為基本參數，設計不同的深水緩波型臍帶纜浮力塊配置方案。3種因子各對應4個水平，因子與水平分布如表1所示。

表1 因子與水平

對于表1列出的3因子4水平數據，需要進行計算的次數43=64，計算量相對較大，可通過正交試驗設計減小計算次數，只需要計算16組，正交試驗表見表2[10]。對表2中的每組數據建立有限元模型，進行計算分析。

2.2 深水緩波型臍帶纜浮力塊配置結果分析

將表2列出的每個試驗方案對應的最大張力和最大曲率列于表3中，并繪制如圖4所示的曲線。

表3 浮力塊配置結果分析

表3(續)

圖4 不同試驗方案對應的臍帶纜最大張力和最大曲率

從表3和圖4可以看出，12號方案對應的臍帶纜張力最小，16號方案對應的臍帶纜曲率最大。從圖4可以看出，當臍帶纜張力較大時，其曲率相對較小；而張力較小時，曲率較大。因此，在進行深水臍帶纜線型設計時應同時考慮到張力和曲率的變化，選擇最優方案。

3 結論

1) 建立了懸鏈線型與緩波型臍帶纜的有限元模型，主要研究線型變化對臍帶纜受力的影響。

2) 懸鏈線型臍帶纜曲率最大出現在觸底點附近，緩波型臍帶纜曲率有2個峰值，分別是觸地點附近和浮力塊上端，且均大于懸鏈線型臍帶纜曲率。緩波型臍帶纜整體張力水平均小于懸鏈線型臍帶纜，但浮力塊會增大臍帶纜的局部張力。

3) 以單位長度浮力、浮力塊位置、浮力塊長度為因子，通過正交試驗對配置方案進行合理設計，求得了深水臍帶纜不同最大張力和最大曲率的浮力塊配置方案，為深水臍帶纜浮力塊配置設計提供參考。

4) 在浮力塊配置設計時，除綜合考慮不同配置方案對臍帶纜張力和曲率的影響外，還要對內部結構進行詳細的分析。

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