国内外脐带缆技术研究现状及在我国的应用展望＊

郭 宏 屈 衍 李 博 王 珏

（中海油研究总院）

国内外脐带缆技术研究现状及在我国的应用展望＊

郭 宏 屈 衍 李 博 王 珏

（中海油研究总院）

介绍了国内外水下生产系统脐带缆技术的研究现状，并针对我国深海油气田开发的实际需求和在脐带缆关键技术研究所取得的主要进展，提出了发展我国脐带缆技术的建议。

脐带缆 研究现状 应用展望

作为水下控制系统关键组成部分之一的水下生产系统脐带缆，是连接上部设施和水下生产系统之间的“神经和生命线”[1]。脐带缆在海洋工程中的应用已有近50年的发展历史，并已成功地应用到了浅水、深水和超深水领域。我国对于脐带缆的研究起步较晚，在水下脐带缆的研究、设计及制造领域与国际先进水平存在较大差距。目前，我国流花11－1、陆丰22－1、惠州32－5、惠州26－1N 油田使用的脐带缆产品全部依赖进口，这在一定程度上制约了我国深海油气田的开发。因此，开展水下生产系统脐带缆关键技术研究，建立具有自主知识产权的关键技术体系，将有效提升我国在深海油气开发装备方面的自主研发能力，对我国南海深水油气田的开发以及保障我国能源安全具有重要的战略意义。

1 脐带缆系统概述

最早的脐带缆出现于上个世纪60年代，使用于壳牌公司1961年在墨西哥海湾建造的第一个水下生产系统中。早期的脐带缆管道采用热塑性软管，但随着水深增加，逐渐暴露了压溃、水密性差等问题，因此金属管被引入脐带缆中。从上世纪90年代开始，钢管脐带缆受到了越来越多的关注，它能较好地解决热塑性软管在较深水域存在的问题，适合在深水中使用。目前，脐带缆应用的最大水深为2743 m，是在墨西哥湾TIGER油田铺设的钢管脐带缆，它于2009年1月1日开始安装并运行；铺设长度最长的脐带缆是2005年Nexans公司为挪威国家石油公司Snøhvit天然气田生产的143 km单根大长度的脐带缆。

脐带缆的主要作用包括：①为水下阀门执行器提供液压动力通道；②为控制盒和电动泵等提供电能；为水下设施和油井提供遥控及监测数据传输通道；③为油井提供所需流体（如甲醇和缓蚀剂等化学药剂）。图1是典型的钢管、软管脐带缆的截面结构图，可以看出脐带缆除了具有电缆（动力缆或信号缆）、光缆（单模或多模）、液压或化学药剂管（钢管或软管）等功能单元外，还包含聚合物护套、铠装钢丝或碳纤维棒以及填充物，其中聚合物层可以起到绝缘和保护的作用，铠装钢丝可以增加轴向刚度和强度，而聚合物填充物可以填充空白位置和固定其它单元位置。

图1 典型的钢管、软管脐带缆示意图[2－3]

根据使用的环境条件，脐带缆通常可分为动态脐带缆和静态脐带缆（图2），铺设在海底的部分称为静态脐带缆，而由上部设施引出的在海水中的部分称为动态脐带缆。在设计脐带缆时，应明确是用于动态还是静态情况，因为动态脐带缆在安装、在位过程中一直受到流、波浪、浮体运动作用，必须进行系统详细的局部和整体力学分析来保证其在寿命周期内安全运行，而静态脐带缆一般需要考虑海底稳定性问题。

图2 典型的动、静态脐带缆示意图

脐带缆在种类上一般可以分为4类：①热塑软管脐带缆主要指脐带缆中的输液管由热缩软管组成（图3a）；②钢管脐带缆主要是指脐带缆中的输液管线由钢制金属管组成（图3b）；③电力脐带缆主要是为水下液气分离、泵送、多相流混输、压缩机等大功率电力设备输送电能（图3c）；④综合服务脐带缆是将油气输送的生产管与脐带缆结合起来的一种脐带缆。它是以海底束技术的设计原则为基础，将液压管与电缆或光纤在一个复合截面上相结合，且用独特的聚氯乙烯型材分离各个元件（图3d）。

图3 脐带缆 分类[3－4]

2 国外脐带缆技术研究现状

（1）设计规范 目前，脐带缆在设计、制造、测试等方面所遵循的规范主要为ISO13628－5。该规范规定了水下控制系统、化学药剂注入、气举、公用和供电控制脐带缆及相关的附属设备的设计、材料选择、制造、设计验证、测试、安装和操作要求，并给出了推荐作法。

（2）截面设计 脐带缆截面设计主要围绕满足液压、化学药剂注入、电力、控制及传输信号等功能要求，对其电单元、光单元及管单元进行设计，还要在服役的环境中满足海洋环境、寿命以及在动静态工作状态下脐带缆承受拉伸、弯曲、疲劳等力学要求。其中，电单元截面设计应根据水下生产系统用电负荷决定其电缆横截面积以及绝缘厚度；光纤单元截面设计应根据水下生产系统数据传输量以及传输距离来确定是采用单模光纤还是多模光纤及其数量；管单元截面设计应根据传输介质、传输距离、内压、外压、拉伸及弯曲应力及其组合选择材料和设计壁厚以确定管单元尺寸。在各单元尺寸确定后，对其进行截面布局设计，设计原则应尽量圆整、对称、充实，这其中可以通过填充物、护套、铠装层达到所需的结构和力学性能。

（3）力学分析 脐带缆在安装及在位运行中一直受到流、波浪、浮体运动等环境荷载作用，由于其本身自重因素，容易发生失效（包括拉伸失效、弯曲失效、过度扭转失效以及疲劳失效），因此有必要对脐带缆所受的动态极值和疲劳荷载进行分析，并验证其力学性能满足使用功能和环境要求。在力学分析时，应根据脐带缆服役的环境基础参数进行脐带缆的极值荷载分析、海底稳定性分析等，得出脐带缆的重量外径比、拉扭和弯曲性能等基本力学特性，在此基础上，进一步进行脐带缆的局部力学和整体线形设计与分析并确定脐带缆线型，并确定脐带缆与周围立管及其他设施碰撞的可能性。

（4）制造技术 脐带缆的制造一般是由功能单元制造开始的，首先是在立式或卧式成缆设备上以螺旋形式将各个功能单元绞合，然后对缆线加装保护和屏蔽层（根据脐带缆设计的要求，一般也会加入由金属丝编制的金属铠装层，用来保护脐带缆），最后加装最外一层保护，用以总体的防护。多单元成缆是脐带缆制造的关键工序，需要立式或卧式成缆机、钢丝铠装机、地转盘主动收线系统完成脐带缆制造，其中多单元多层次成缆技术和制造过程中各单元形变控制技术是脐带缆制造技术难点。

（5）测试技术 脐带缆测试的目的主要是验证脐带缆功能，包括3个方面的测试：①单元测试，包括对各功能单元，如光单元、电单元、软管、钢管等进行验证试验；②对脐带缆整体的验证试验，包括拉伸、弯曲刚度、压扁及疲劳试验；③对脐带缆的工厂验收试验，包括对外观尺寸以及各部件的检测。

（6）安装技术 脐带缆为柔性结构，在储存和运输过程中一般放在转盘或者卷筒上。脐带缆的安装通常为卷管铺设，可分为水平铺设和垂直铺设，也可以直接采用脐带缆铺设船铺设。在安装过程中，主要需要考虑与脐带缆最小弯曲半径有关的因素，如工作半径及容许张力、最大拉伸荷载、特殊附件如浮力块安装等。

（7）制造商及产品特点 目前脐带缆供应商主要来自于欧美发达国家，这些供应商拥有较完备的设计理论与分析方法，开发了相应的专用分析软件和测试系统，集设计、制造、试验、安装和监测等于一体，长期向海洋石油领域提供脐带缆。

①Oceaneering Multiflex公司 水下生产系统脐带缆主要供应商之一。该公司具备生产热塑管、电缆、高抗压溃柔性管、金属管及其组合脐带缆的能力。同时，还能够生产修井脐带缆、水下防喷器脐带缆以及飞线脐带缆，能够提供相关配件。Oceaneering Multiflex生产的部分脐带缆如图4所示。

图4 Oceaneering Multiflex生产的部分脐带缆[5]

②耐克森（Nexans）公司 是全球领先的电缆制造商，以生产钢制脐带缆为主。1993年，该公司将超双相不锈钢管脐带缆引入市场，并应用于Statfjord和Sleipner项目中；1995年，该公司又成功将动态超双相不锈钢管脐带缆应用于墨西哥湾。该公司生产的脐带缆单位质量最大为135 kg/m，最大外径为213mm。Nexans公司生产的部分脐带缆如图5所示。

图5 Nexans公司生产的部分脐带缆[4]

③Aker Solutions公司 该公司在Moss和Alabama两个城市设有生产加工基地，所生产的脐带缆有很多非铠装结构，主要有钢管脐带缆、综合生产脐带缆和深水脐带缆。Aker Solutions公司生产的部分脐带缆如图6所示。

图6 Aker Solutions公司非铠装脐带缆产品[2]

④Technip公司 该公司的脐带缆生产制造是通过对DUCO公司并购实现的。DUCO公司成立于1958年，是世界上油气工程的领导者，主要从事陆上、海上和海底生产设施的设计、制造（管线、平台）和安装。在脐带缆制造能力方面，该公司在英国的Newcastle、美国的休斯顿和安哥拉的Lobito都设有生产加工基地，脐带缆产品比较全面。DUCO公司生产的部分脐带缆如图7所示。

图7 DUCO典型脐带缆产品[3]

3 国内脐带缆技术研究现状

长期以来，我国所使用的脐带缆全部依赖进口，对这一方面的关键技术研究尚属空白，这在一定程度上制约了我国深海油气田的开发。2006年，中国海洋石油总公司与加拿大HUSKY能源公司联合作业在南海珠江口盆地深水区LW3－1－1井获得天然气重大发现，吹响了我国油气勘探向深水进军的号角，同时在一定程度上带来了对脐带缆的需求。

在“十一五”期间，国家“863”计划 “水下生产系统脐带缆关键技术研究”课题组采取产、学、研相结合的形式，针对南海典型环境开展了对脐带缆关键技术的研究，确定目标脐带缆功能要求单元数量为10根（包括3根电缆单元、1根光缆单元和6根不锈钢管单元），脐带缆设计拉断力铠装时为500～1400 k N，3根4芯6 mm2电缆额定电压为600 V，1根光缆（有6根光纤）的光纤工作波长 为1310 nm，6根直径12.7 mm不锈钢管压力等级为345 Bar。经过近2年的研究攻关，已在脐带缆标准规范、脐带缆截面设计、脐带缆力学理论分析、脐带缆测试技术、脐带缆制造技术等5个方面取得了实质性的进展，相继建立了具有我国自主知识产权的关键技术体系。通过对目标脐带缆各单元材料、腐蚀、制造工艺、填充物研究，初步明确了脐带缆的结构单元组成。在力学分析方面，以1500 m水深条件对脐带缆的极值荷载、海底稳定性进行了分析，得出了脐带缆的质量外径比、拉扭和弯曲性能等基本力学特性，在此基础上，进一步完成了目标脐带缆的局部力学和整体线形设计与分析，包括疲劳分析、线形设计、干涉分析等。通过上述理论分析，明确了目标脐带缆采用悬链线的线型，给出了较优的目标脐带缆截面布局（图8），探索总结出了一套开展自主设计脐带缆总体设计流程和力学分析方法（图9）。

在脐带缆制造方面，我们针对目标脐带缆多单元复合成缆、多层次铠装、外径尺寸大、长度长、质量大等特点，对现有的制造设备进行了改造，在原立式成缆机基础上增加了4个成缆机放线架和主、被动放线架，以实现多单元成缆及满足放线张力要求。在制造过程中，针对目标脐带缆出现表面“鲨鱼皮”现象，反复摸索制造工艺，最终采用预加热管的办法解决了该问题，并于2010年12月7日完成了目标脐带缆样缆初样试制（本次共制造初样120 m左右），初样试制的成功，不仅是对脐带缆设计方法与制造能力的全面验证，而且为下一阶段工作打下了坚实的基础。此外，我们还针对试制的初样开展了拉弯疲劳测试装置设计、卧式拉力试验机改造及测试方法等方面的研究，并完成了初样的性能测试。

4 应用展望

通过对脐带缆在设计、制造、测试中的关键技术开展攻关，初步形成了我国具有自主知识产权的脐带缆设计技术体系，相关制造单位在动态海底电缆、脐带缆等产品的研发制造能力得到了明显提升，并引起了国内外其他用户的广泛关注，已经有印尼国家石油公司、CACT等多家单位与之签署了动态电缆产品合同，目前电缆已运行供电，这在一定程度上打破了国外在动态电缆上的垄断。随着我国南海深水油气田开发，对脐带缆的产业化需求也十分迫切。为此，建议继续深化研究工作，扩展现有研究范围，扩大研发团队规模，推进配套技术的研发，加快产业化步伐。

[1] 李长春，连琏.水下生产系统在海洋石油开发中的应用[J].海洋工程，1995（04）.

[2] Umbilicals and power cables[EB/OL].http：∥www.akersolutions.com/en/Global－menu/Products－and－Services/technology－segment/Subsea－technologies－and－services/Subsea－production－systems－and－technologies/Umbilicals－and－power－cables.

[3] Technip umbilical system [EB/OL].http：∥www.technip.com/en/entities/duco/profile.

[4] Offshore subsea[EB/OL].http：∥www.nexans.com/eservice/Corporate－en，/navigate－253932－3314－20－7894/Products＿and＿solutions.html.

[5] Multiflex umbilical products[EB/OL].http：∥large.stanford.edu/publications/coal/references/ocean/products/umbilicals.

Research situation on domestic and abroad umbilical cord technology and prospect of application in China

Guo Hong Qu Yan Li Bo Wang Jue
（CNOOC Research Institute，Beijing，100027）

The paper summarized the research situation on the umbilical cord technology used in subsea production system at home and abroad.Based on our demand in deepwater oil and gas field development and the progress of key technology research on umbilical cord，the suggestions are presented also for developing the umbilical cord technology in China.

umbilical cord；research situation；prospect of application

＊国家高技术研究发展计划（863计划）“水下生产系统脐带缆关键技术”（编号：2009AA09Z301－1）部分研究成果。

郭宏，女，高级工程师，毕业于天津理工大学工业电气自动化专业，现主要从事水下生产系统研发设计工作。地址：北京市东城区东直门外小街6号海洋石油大厦（邮编：100027）。电话：010－84523586。

2011－10－10改回日期：2011－12－01

（编辑：叶秋敏）