胜利海上油田海底电缆悬空损伤分析及保护装置设计

郑炳文，刘效国，李 媛

(中国石化胜利油田分公司海洋采油厂，山东 东营257237)

0 引言

胜利海上埕岛油田位于渤海湾南部，是我国最大的滩海油田，于1993年投入开发。经过胜利海洋人的不断探索与实践，创出了一条以卫星平台海底电缆卫星平台海底电缆中心平台海底电缆陆地为主的开发建设模式。使用的电能绝大部分由陆地变电站供给，经海底电缆输送至海上中心平台，平台间由海底电缆组成“手拉手式”的环网供电模式，将电能供给各卫星平台。

目前，海上已建成平台发电站一座、35 kV变电站4座、6 kV变电站84座，海底电缆铺设总长293.4 km。作为海上电力输送的大通道，海底电缆一旦发生故障会造成大面积的停电，影响油井正常生产，其直接及间接经济损失可达到上亿元。根据统计，海底电缆在胜利海上油田最大的损伤原因，是海底电缆悬空没有得到有效的治理和防护。研究分析后发现海底电缆悬空损伤的主要是由涌浪载荷作用和涡致振动造成的。为此我们设计海底电缆出海沟后的保护装置，以避免悬空损伤。

1 悬空海底电缆的受力分析

在胜利海上油田海底电缆敷设施工中，特别是登陆采油平台时，海底电缆需提前从海缆沟出沟，才能确保海底电缆在合理的弯曲半径内，以一定角度上行至海上石油平台导管架上的护管内。因设计、工艺和施工难度等致使此段海缆完全裸露悬空在海水中，且无有效的固定和防护，加上平台建设后平台桩腿(导管架)使水动力条件发生改变，掏空加剧海底电缆的悬空。这样在洋流、涌浪、潮汐的影响下长期处于涡致振动状态，对海底电缆造成致命损伤。

1.1 悬空海底电缆涌浪载荷分析

在海底电缆出海沟后，沿采油平台桩腿(导管架)上行并固定在护管内，涌浪载荷作用下悬空海底电缆的运行方程可以表示为:

式中，M为海底电缆的总质量，包括海底电缆自重和附着微生物的质量(kg);C为阻尼系数;EI为弯曲刚度(M·m2);y为海底电缆的水平位移(m);u为波浪水质点速度(m/s);D为海底电缆外径(m);CD为波浪阻力系数;CM为波浪惯性力系数;ρ为海水密度(kg/m3);t为时间(s)。

式中，σu为洋流水质点速度方差(m2/s2)。

为研究约束对海底电缆疲劳损伤和影响，采用海底电缆分析模型的两种极限状况，即简支梁模型和固支梁模型，海底电缆实际模型介于两者之间。式(3)和式(4)分别为简支梁和固支梁模型的振型函数:

式中，n为振型阶数;an为振型参数;βn为与各阶振型相关的系数;l为海底电缆悬空长度(m);随着应力不断地影响悬空着的海底电缆，悬空长度慢慢加大。

1.2 悬空海底电缆的涡致振动分析

当涡流冲击海缆时，悬空的海底电缆受到振动。水流产生了Karmán漩涡，交替地离开海缆的上部和下部的“边缘”。每次涡流离开海缆，一个力就施加在海缆上。如果海缆处于水平状态，且水流也是水平的，但流向与海缆垂直，涡脱落点产生的力的方向会在垂直方向上下变化。涡脱落的频率可表示为:

式中，fs为涡脱落频率(Hz);u为涡流的速度(m/s);D为海缆的直径(m);St为Strouhal数。对于海底电力电缆和相关的流速，St可假定为0.2。

悬空海缆有很多固有频率，固有频率fn是固有基频的倍数，即:

式中，n为模数;Ta为海缆的张力(N);m'为单位长度海缆的质量(kg);L为悬空长度(m)。

悬空海缆受到Karmán漩涡离开时的力的激发，产生频率为fs的振动。当激发频率fs接近或等于某一个固有频率fn时，海缆会因共振而产生振动。

当海缆开始振动，其固有频率就会改变，这在一定程度上是由于运动的海缆推动引起的水的惯性力。海缆的弯曲刚度会使其固有频率变大。弯曲刚度的影响可从数值φ中值算:

式中，EI为海缆的动态弯曲刚度(M·m2)。如果φ 1，则弯曲刚度的影响可忽略。对于悬空距离长的情况，较高次的固有频率相互更接近。一定的涡脱落频率fs及其相关的带宽能同时激发许多固有频率或模式。

2 悬空海底电缆故障原因分析

海底电缆的悬空损伤，除了机械施工、人为破坏以外，主要由自然因素造成。悬空海底电缆受涌浪载荷等冲刷应力影响，中部的运动幅度最大，疲劳损伤最重。因为海底电缆为柔性体，受外力影响下发生涡致振动，疲劳损伤的范围扩大。海缆在海流和涡致振动的作用下，海缆沟上的泥沙慢慢变松，最后跃出海缆沟，以至于从海缆沟中提出一段海缆，造成海缆悬空距离变大。图1为海底电缆长期使用后的实际海调资料图。

图1 海底电力电缆悬空海调资料图

在海缆受外力慢慢被提出海缆沟，悬空长度增加过程中，海缆经受最大、最直接的损伤不是海缆的疲劳损伤，而是涡致振动和海流冲刷造成海缆在护管口处的硬磨损。海缆沟端的海缆在慢慢被提出的过程中，作用在海缆上的受力点随着海缆提出的过程不断变化，与受力点摩擦的海泥等非硬质物不会造成海缆硬磨损。海缆与钢制护管的摩擦是不间断的，且摩擦点也是固定的，造成摩擦点处的海底电缆完全损坏。根据近10年的资料统计，胜利海上埕岛油田海底电缆64.1%的故障与上述摩擦原因有关。

3 海底电缆的保护设计

目前，海底电缆防护问题的解决方案如图2所示:海缆出沟后与护管之间，海底电缆始终以一定的角度裸露悬空在海水中，因此该方案仅起到了缩短悬空距离，缓解海底电缆磨损，而并无根本解决问题。针对这一现状，我们设计了一种新型海底电缆出海缆沟后固定保护装置(见图3)，它能解决海缆提前沟出后悬空无防护的问题。

图2 现海底电缆防护方案示意图

图3 新型海底电缆保护装置结构示意图

3.1 新型海底电缆保护装置方案设计

为达到保护海底电缆的目的，设计具有下面一些作用和积极效果:海底电缆出海缆沟后固定保护装置可以实现，出沟后与护管之间的裸露悬空海缆的全密封保护，避免此悬空海缆受涌浪冲刷以及涡致振动的破坏，彻底解决了该段海底电缆悬空无防护的问题，同时还解决了出沟处海底电缆自然沉降不固定、护管磨损海底电缆等问题，延长了海底电缆的使用寿命。

3.2 海底电缆保护装置的载荷计算

为了验证该保护装置设计的合理性、规范性，将做以下的分析计算。

3.2.1 环境载荷

按设计要求，平潮水深15 m，平台所在海域:

(1)波浪。按50年一遇设计波高Hs=4.5m，D/L=0.0114，因此，该保护装置属于小尺度圆形构件。

根据规范，对于小尺度圆形构件，当D/L＜0.2时，垂直于其轴线方向的波浪力FL可按莫尔森公式计算:

式中，ρ为海水密度(kg/m3);CD为垂直于构件轴线的拖拽力系数，当实验资料不足时，对于圆形构件，可取CD=0.6～1.0;CM为惯性力系数，有实验确定，当实验资料不足时，对于圆形构件，可取CM=2.0;D为圆形构件直径(m);L为设计长度(m);u为垂直于构件轴线的水质点相对于构件的速度分量(m/s);为其绝对值，当海流和波浪联合作用于装置时，u为波浪水质点的速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于构件方向上的分矢量(m/s);u·为垂直于构件轴线的水质点相对于构件的加速度分量。

(2)海流。按100年一遇设计海平面海流速度为2.86 m/s。

式中，ρ为流体密度(kg/m3);CD拖拽力系数;A为桩腿在垂直于流向上的投影面积(m2);υ为设计海缆速度(m/s)。

3.2.2 保护装置的受力分析

要分析保护装置受力，需要对海底电缆整体保护装置进行静力分析。按规范要求取水下10m，其保护装置的计算简图，以及在洋流涌浪作用下的受力见图4。

从图4看，利用有限元方法，把管线离散成n个单元，于是有n+1个节点，从中任取一个单元，设单元长度为L，χi(i=1，2，3，4)分别表示节点1，2，3，4的位移和转角。

取Hermire插值函数:

图4 固定保护装置在洋流作用下的受力

则管线上任一点的位移为:

利用势能驻值原理，可以得到单元刚度矩阵[Ke]为:

3.2.3 强度分析与设定

按式(3)、式(4)、式(8)、渤海的洋流资料(最大洋流4.8kN)及式(7)，海底电缆的动态弯曲刚度如果φ 1，则弯曲刚度的影响可忽略;海缆的悬空长度缩短和质量增加，海缆的涡致振动将减小。其保护装置的结构将做以下设定，保护装置的防锚式构件重量增加，使其固定力大于5 kN;防腐金属软管穿入海缆后在平台导管架上固定的间距减小，避免弯曲刚度的影响;防腐金属软管两端的连接法兰、导管架上的海缆护管连接法兰，以及防锚式构件连接法兰材料为20Mn2;屈服强度σs=590 MPa。设计和施工安装时加上以上的环节因素，其强度安全系数满足强度要求，应用到生产中能避免海底电力电缆悬空损伤的破坏，避免引起停电事故。

4 结束语

综上所述，造成海底电缆的悬空损伤是一个比较复杂的问题，受到诸多因素的影响。在涌浪载荷与涡致振动分析的基础上，通过实例讨论了造成海底电缆悬空损伤原因，是因为海底电缆的裸露悬空没有有效的治理和防护。根据海底电缆的结构形式、尺寸及材料、水深和海洋环境参数的条件设计了一种海底电缆出海缆沟后的固定保护装置，通过对保护装置结构整体进行受力强度和环境影响分析，在50年一遇的海洋环境条件下，所设计的保护装置可以有效地避免海底电缆的裸露悬空损伤。

［1］黄小光，韩忠英.海底管道疲劳损伤与疲劳寿命的可靠性计算［J］.油气储运，2010，29(11):827-830.

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