水下生产系统用脐带缆试制关键工艺介绍

陈 凯， 夏 峰， 叶信红， 郭 宏， 张永明， 钟科星

(1.宁波东方电缆股份有限公司，浙江宁波315040;2.中海油研究总院，北京100027)

0 引言

脐带缆是水下生产系统的关键组成部分之一，主要作用是为水下生产系统提供电气液压动力、化学注入通道，同时为上部模块控制信号以及水下生产系统提供数据传输通道。长期以来，我国使用的脐带缆全部依赖进口，对这一产品的关键技术研究尚属空白，且不具备脐带缆系统设计、分析、制造等的能力，这些都在一定程度上制约了我国深海油气田的开发。

宁波东方电缆股份有限公司通过承担由中海油研究总院牵头的863脐带缆项目的子课题——脐带缆的生产制造，成功试制出一条针对我国南海深海油气田用脐带缆初样缆。近期交于上海电缆研究所、大连理工大学等相关合作单位完成力学和电气性能等测试。

1 多单元多层次截面设计及成缆

不同于普通海缆的单芯或三芯结构，脐带缆除电单元和光纤单元外，往往还包含数量不等的液压、化学药剂管道单元。本次试制的脐带缆包含:3根4芯6 mm2电缆单元;6根内径12.7 mm的不锈钢管单元;1根光单元。共计10根工作单元(见图1)。

图1 脐带缆截面图

1.1 脐带缆截面设计

如上所述，由于脐带缆截面由电、光纤、液压管道、化学药剂管道等多种不同单元组成，这些单元本身在功能、尺寸、力学性能等方面又有很大差异。如何进行合理的截面单元排布，是脐带缆设计的关键点之一。本次试制脐带缆截面先由上海电缆研究所完成初步设计，并提供多个设计备选方案，最终通过863项目组各成员以及专家论证后而确定。

脐带缆截面排布主要考虑以下因素:

(1)通过合理的截面排布，减小脐带缆的成缆外径。其中考虑到脐带缆在动态应用环境和海底的水动力稳定性，其外径/重量比(OD/weight)(m2/kN)一般要求小于1。

(2)截面排布要充分考虑脐带缆的力学性能。主要包括整体的拉伸、弯曲刚度以及各方向力学性能的对称性，脐带缆在外力荷载作用下各单元的应力分布等情况，以避免出现局部应力集中。

(3)在截面设计时应同时兼顾脐带缆的制造，降低生产难度和成本。如把刚度较大的单元排在界面靠中心位置，减少制造中对成缆机牵引力的要求。

1.2 多层次多单元成缆

在截面设计完成后，成缆是脐带缆最关键的制造工序。脐带缆多单元成缆成缆需由大型多层成缆机完成。成缆过程的控制参数为:

(1)根据各单元特性合理分配放线盘。由于不同放线架的外径不同，而脐带缆各单元(特别是钢管单元)对最小弯曲半径有严格的要求。一般情况下所有单元都需实现主动放线，但在设备能力有限的情况下应该首先满足钢管单元和光纤单元的需求，以避免其成缆过程中出现大的塑性应变，造成功能或者结构上的损伤。所以成缆前须通过计算分析，合理安排每个放线架上的单元。

(2)分线模的设计以及进线角度的控制。在多层次多单元成缆过程中如何保证各单元按所设计的截面排列，防止各层间单元互相串线，关键在于设计尺寸和进线孔洞分布合理的分线模具。由于脐带缆中的钢管单元易压溃并产生屈曲等塑性变形，成缆时钢管单元进分线模的角度不宜过大，尽量保持其原有放线角度并入分线模(见图2)。

图2 脐带缆成缆示意图

2 钢管单元加工过程中的形变控制

脐带缆各单元在制造过程中会受到反复弯曲，拉伸、扭转和组合荷载。其中钢管是空心单元，其本身刚度较大，不易变形，是脐带缆各单元的薄弱点，易出现压溃和因塑性变形而造成椭圆度过大等应变失效情况。同时，在制造过程中的塑性应变累积也会大大降低钢管的疲劳寿命，造成脐带缆在服役期间提前失效。一般要求钢管单元在制作过程中的累积塑性应变不大于2%［3］。因此脐带缆生产过程中钢管单元的形变控制已经成为脐带缆制造的技术难点。

2.1 制造前的形变分析

对钢管的形变进行控制，首先需要明确加工过程中钢管可能遇到的各种荷载工况。通过理论计算以及数值模拟分析，对在各个工况下的钢管进行力学分析，得到各加工环节钢管的受力和变形情况。最后依据规范和准则对钢管最大变形量进行校核，看其是否满足规范要求。同时根据分析结果对各加工参数进行优化，如牵引机牵引力和成缆放线角度等［1］。下面对理论计算方法和数值模拟方法进行简单介绍。

(1)用理论公式对简单工况下的钢管进行初步计算

如果钢管所受为单一荷载形式或其中一荷载在这个工况中起到主导作用，可用理论公式近似计算钢管的最大允许荷载。

钢管单元在纯弯曲作用下的允许载荷［3］:

式中，M为钢管的理论最大允许扭矩(N·m);D为钢管的外径(mm);t为钢管的厚度(mm);SMYS为钢管的最小屈服应力(N/m2)。

钢管单元在纯拉伸荷载作用下的允许载荷:

式中，F为钢管单元的最大拉伸力(N);SMTS为拉伸最小屈服应力(N/m2);A为钢管的横截面积(mm2)。

(2)利用有限元仿真软件对复杂工况下钢管应力进行数值计算

在大部分情况下，钢管单元在加工过程中受到的往往是组合荷载，这会增加理论计算的难度，以至于其变得不可行。并且加工荷载往往很难得到精确荷载值。比如在成缆过程中，各单元间的表面挤压力大小的确定十分困难。而采用有限元等仿真软件对加工过程进行数值模拟分析，可以较好地解决这一问题。

具体步骤如下:①根据真实的单元结构和荷载情况选择有限元单元，如管单元、壳单元等;②建立有限元模型，定义边界条件，如确定固定位置和荷载;③进行计算，得到应力分布和热点应力，并检验是否满足设计要求。

例如，钢管在成缆时会同时受到纵向拉伸、径向压缩、环向扭转以及挤压摩擦等荷载的同时作用。这时利用理论公式对其进行计算将存在较大困难，可使用有限元分析解决这一问题。

图3 为利用ANSYS模拟钢管成缆缠绕过程的有限元分析。从应力分布云图中可知，应力热点出现在缠绕钢管外侧最大弯曲变形处和内侧挤压变形处。通过分析可得到应力的分布主要同缠绕角度、成缆牵引力、分线盘进线角度有关，并可通过控制相关参数优化钢管的应力分布。

图3 应用有限元软件对脐带缆成缆过程进行分析

2.2 制造过程中形变控制

通过理论计算和有限元分析可以对脐带缆在制造过程中的主要控制参数进行优化。

(1)成缆牵引力大小以及成缆放线角度的控制。成缆时先设定成缆张力，并对成缆张力进行实时监控，并自动调整，使张力始终保证在设定范围内。对于不同外径和壁厚的钢管，可根据其自身刚度不同而设置相应的张力，在张力设置时应考虑钢管自重的影响。同时成缆放线架应具备主动放线和放线角度实时调整功能，保证基座在转动时，成缆角度保持稳定。

(2)各转向轮牵引力、最小弯曲半径的控制。脐带缆各单元以及制造的各个阶段都对最小弯曲半径有严格的要求。在脐带缆过转向轮和卷盘时都要对弯曲半径进行严格控制。特别要注意的是在有较大牵引力和侧压力的弯曲时，由于存在组合应力叠加，对最小弯曲半径的要求将可能随之增大。

除上述问题外，脐带缆生产过程中还有铠装钢丝张力控制等需要在生产前进行分析设定。

3 结束语

本文根据脐带缆初样缆的试制中所遇到的问题和得到的经验，对脐带缆多层次多单元成缆以及制作过程中形变控制的方法等生产关键工艺进行了介绍。由于国内脐带缆设计、制作尚处于起步阶段，依然有很多技术难点需突破，如在保证截面结构稳定的同时使其满足透水性要求。希望通过“863”科研课题研究，尽快突破海洋深水水下生产系统用脐带缆国产化关键技术，建立具有自主知识产权的水下生产系统用脐带缆的设计、制造及测试能力，为我国南海油气资源勘探和开发提供技术储备与支持。

［1］ISO 13628-5:2002 Subsea umbilicals［S］.

［2］Knapp R H，Cruickehank M J.Design Methodology for Undersea［C］，OCEANS＇91.

［3］Bai Yong，Bai Qiang.Subsea pipelines and risers 2002 ［M］.Elsevier Science.