臍帶纜安裝長度計算與分析

黃佳瀚 姜 南 張亞雷 邱建斌 周健偉

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518054）

0 引言

最早的臍帶纜出現于20 世紀60 年代,應用于殼牌公司1961年在墨西哥海灣建造的第一個水下生產系統中。早期的臍帶纜管道采用熱塑性軟管,但隨著水深增加,逐漸出現了壓潰、水密性差等問題,因此金屬管被應用到臍帶纜中。從20 世紀90 年代開始,鋼管臍帶纜受到了越來越多的關注,它能較好地解決熱塑性軟管在較深水域時存在的問題,適合在深水中使用。

作為水下生產控制系統的生命線,臍帶纜的主要功能有[1]：1）為水下生產系統提供電力。2）為水下生產系統控制提供液壓通道。3）提供油氣田開發所需的化學藥劑。4）傳遞上部模塊的控制信號及水下生產系統傳感器數據。

臍帶纜按功能側重和關鍵原材料不同可分為電力臍帶纜、軟管臍帶纜、鋼管臍帶纜和綜合生產臍帶纜。臍帶纜除了具有電纜(動力纜或信號纜)、光纜(單模或多模)、液壓或化學藥劑管(鋼管或軟管)等功能單元外,還包括聚合物護套、鎧裝鋼絲或碳纖維棒以及填充物,其中聚合物層可以起到絕緣和保護的作用,鎧裝鋼絲可以增加軸向剛度和強度,而聚合物填充物可以填充空白位置和固定其他單元位置[2]。

因為臍帶纜的價格往往較高，所以，臍帶纜采購前精確計算臍帶纜安裝所需的長度就顯得尤為重要。既不可過長，損耗成本；也不可過短，無法完成既定路由。

1 臍帶纜長度的影響因素

臍帶長度的計算的影響因素包括長度控制因素以及安裝和定位參數，必須仔細評估，以確定產品長度和總體安裝的公差。首先要根據臍帶纜系統所屬場域的詳細設計圖，結合初步的海床預調查報告得到臍帶纜的標稱長度，即最優鋪設路徑（最短長度），該長度一般由設計方給出，該文主要從安裝施工方的角度討論實際安裝過程中各情況對臍帶纜實際所需長度的影響。考慮長距離的臍帶纜鋪設中，海床地形復雜多變，船舶定位存在偏差等因素會增加或減少臍帶纜的長度，將每個因素引起變化的長度進行疊加，便得到了最終的臍帶纜實際安裝所需長度和總體安裝的公差。下面將詳細分析各因素對臍帶纜最終鋪設長度的影響。

1.1 標稱長度

標稱長度是海底二維路徑長度，它是臍帶纜在布置圖上起點到終點2 個擬合點之間的連線投影長度，是根據臍帶纜系統所屬場域的詳細設計圖，結合初步的海床預調查報告所得的最優鋪設路徑（最短長度）即“nominal length”，是設計方統一規劃水下結構物與管線布局的結果，因此，在實際采購時，安裝方還需考慮諸多因素給出最終的建議，來采辦長度。各影響因素的詳細說明及案例將在下文給出。

1.2 終端結構物定位誤差

終端結構物定位誤差基本上取決于臍帶纜所連接結構物在安裝時的定位及安裝精度。一般考慮2 個終端間距最大的偶然性，例如，結構物A 的安裝精度要求為±2 m，結構物B的安裝精度要求為±3 m，定位系統誤差為±0.5 m；則結構物A、B 之間臍帶纜的終端結構物定位誤差為2+3+0.5=5.5m：

端部定位誤差=兩端結構物安裝精度絕對值之和+定位系統精度

1.3 海床地形誤差

對于海底起伏，臍帶纜要增加適當的長度，以應對海床的不規則情況。

一般情況下，在設計臍帶纜鋪設路徑時已經盡量避免復雜地形，依據以往項目經驗，位于海床上的臍帶纜長度僅需增加其標稱長度的0.1%，足以適應國內大部分油氣田的海床不規則情況，如果有特殊情況應當單獨計算。

海床地形誤差=臍帶纜標稱長度×0.1%

1.4 水深誤差

在大多數情況下，水深變化對路徑長度的計算影響不大，如果臍帶纜路由需要經過水深變化較大的區域，則水深誤差須分段分別計算再求和。

假設該段水深變化為H，該段路由長度為L，則：

據以往項目經驗，在普遍情況下，短距離臍帶纜（小于10 km）可以忽略此因素帶來的影響；對于長距離、深水臍帶纜，水深誤差會直接選擇臍帶纜標稱長度×0.3%。

1.5 搭接預留長度

當臍帶纜終端在連接海底結構物時，必須確保剩余的長度足夠長，這樣才能在沒有任何背張力的情況下進行連接，多余的長度必須沿曲線鋪設在海床上，這條曲線被稱為搭接過長環，如圖1 所示。

圖1 搭接預留長度示意圖

搭接過長環靠近結構物末端與海底結構連接點之間應預留長度為2 m～3 m 的臍帶纜，以方便臍帶纜終端與結構物的正常連接。

必須盡量減少搭接過長環的長度，因為它不僅需要額外的臍帶纜長度，且占用多余的海床面積來鋪設搭接過長環，而海底結構物附件往往存在其他管線。搭接過長環的半徑應大于等于臍帶纜的MBR（最小彎曲半徑）。通常，預留5 m～10 m的額外臍帶纜長度足以輕松地連接到海底結構物的末端。

每端結構物的搭接預留長度=5 m～10 m

臍帶纜的最小彎曲半徑越大，所需預留長度也越大，具體情況應具體分析。

1.6 船舶鋪設誤差

船舶鋪設誤差是由臍帶纜鋪設時安裝船舶偏離其理論路徑而產生的。根據以往項目經驗，如圖2 所示。可以假設船舶鋪設精度給定為±5 m 時，船舶航跡偏移量沿航跡長度每80 m 循環變化+5 m 或-5 m。經計算海底臍帶纜實際安裝軌跡會在理論安裝軌跡的偏移量為±0.85 m。

圖2 船舶鋪設誤差示意圖

由此引起的臍帶纜長度變化對于深水、長距離臍帶纜不會超過0.1%，但臍帶纜本身較輕，對于淺水、短距離臍帶纜，由于海水流速較大，該值最大可以取到0.5%。

船舶鋪設誤差=標稱長度×（0.1%～0.5%）

為提高鋪管精度，方便鋪管作業，建議安裝團隊在海上作業時盡可能減小航跡曲線半徑。

1.7 曲線精度誤差

曲線精度誤差是指安裝船舶在曲線路徑段鋪設時產生的位置偏移誤差。雖然側向偏移不影響直線上的長度，但可能對曲線軌跡段產生影響，這取決于各彎曲處的半徑、長度與彎曲段數量。如圖3 所示，實線路徑即為該精度要求下的最大徑跡長度，其與理論軌跡存在明顯偏差。

圖3 曲率精度誤差示意圖

為了評估這些軌道長度變化，可以分別計算各曲線段產生的誤差，但當曲線段總長度相對臍帶纜全長較小時，一般取：

曲線精度誤差=標稱長度×0.1%

與1.6 章節中提及的船舶鋪設誤差不同，曲線精度誤差是可以人為降低的，一名優秀的現場施工監督即可憑借豐富的施工經驗，有效降低臍帶纜實際安裝時產生的曲率精度誤差。

1.8 終端連接高度余量

當臍帶纜終端離開海床連接到海底結構物時，通常要考慮到該余量。一般來說，海底結構上的連接點要比海床高，這將需要從海床提升臍帶纜的末端來進行連接。

如圖4 所示，海底結構物上的臍帶纜連接點距海床高度為h，則臍帶纜預留長度約為連接高度的40%，以滿足臍帶纜終端從海床連接到海底結構物：

圖4 終端連接高度示意圖

終端高度余量=h×40%

1.9 臍帶纜制造公差

制造公差是要求臍帶纜長度與工廠提供的實際長度之間的差額，這是由于工廠長度測量系統的誤差產生的。

但一般供應商提供的實際臍帶纜長度總是等于或大于采購的臍帶纜長度，公差一般在理論長度的1.0%以內（數據來自TechnipFMC）。

只有在規劃現場安裝布局中的最大超長回路時，需要考慮制造公差。

1.10 臍帶纜修復預留長度

考慮極端情況下需要切割棄纜臍帶纜，在之后的修復連接過程中，需將濕存臍帶纜重新打撈，在原切割位置后一段距離重新修復連接，該切除段的長度根據業主要求而定，一般取10 m～15 m。

2 案例

基于以上的分析，為滿足實際的安裝需求，在計算最終臍帶纜的采購長度時，所有的誤差值應取最大正誤差，再進行求和。該章將給出海油工程已經完工的2 個項目在計算臍帶采辦長度時的實際數據供參考。

2.1 項目A 臍帶纜長度計算報告

在項目A 中考慮到了該文所列的所有臍帶纜長度影響因素，可以發現在項目A 中，權重最大的影響因素是水深誤差，這是由于A 項目中的IU-5 臍帶纜所連接的2 個海底結構物的水深相差的原因，項目 A 臍帶纜長度計算報告見表1。

表1 項目A 臍帶纜長度計算報告

在實際施工時，由于采辦方前期未與施工方及時溝通，導致臍帶纜IU-5 的采購長度（39 500 m）比經計算所得的實際安裝需求長度（38 571 m）多了近1 000 m，這既增加了采購成本，也為臍帶纜的鋪設工作增加了額外的工作量（需要修改鋪設路徑來消耗多余長度）。

2.2 項目B 臍帶纜計算報告

在表2 中，我們可以看見項目B 中臍帶纜普遍較短（小于10 km），所以部分因長距離鋪設引起的誤差可不必考慮。對比表1 可以直觀發現，未考慮的影響因素包括“水深誤差”、“曲線誤差”以及“臍帶纜修復預留長度”，這是因為項目B 的施工區域水深變化較小，且除接頭處，基本無彎曲段，而臍帶纜修復余量已經考慮在最終的采辦長度當中。

表2 項目B 臍帶纜長度計算報告

表2 中結構物前甩彎段考慮的是項目B 在臍帶纜安裝時，為規避其他水下管線與結構物而做的特殊考量（安裝時的額外甩彎）。

3 結語

該文列舉了9 個因素：“終端結構物定位公差”、“海床地形誤差”、“水深誤差”、“搭接預留長度”、“船舶鋪設誤差”和“曲線精度誤差”、“終端連接高度余量”、“臍帶纜制造公差”、“臍帶纜修復預留長度”。這9 個因素基本包括了目前深水臍帶纜實際安裝所需長度計算時，需要考慮到的大部分因素，在實際應用中，須結合海床地形、臍帶纜標稱長度、定位與鋪設精度，適當調整。對比表1 與表2，可以發現項目A 中的較長的臍帶纜（39.5 km）與項目B 中的臍帶纜在長度影響因素的取舍與各影響因素比例的調整上，兩者存在很大差異。該文對臍帶纜長度計算進行了簡要分析，可以為其他項目確定臍帶纜長度提供有價值的參考。