非刚性底质上海军锚对光电复合缆撞击损伤分析

王力平，罗晓兰，高　强，段梦兰，徐　健，脱浩虎

(1.中国石油大学(北京)，北京 102249；2.复旦大学，上海 200433)



非刚性底质上海军锚对光电复合缆撞击损伤分析

王力平1，罗晓兰1，高强2，段梦兰1，徐健1，脱浩虎1

(1.中国石油大学(北京)，北京 102249；2.复旦大学，上海 200433)

摘要：船锚撞击容易使海底电缆断裂、破损，为此，开展海底电缆结构的撞击损伤研究，对保障海底通讯通电生产安全具有非常重要的意义。针对非刚性底及质海军锚，建立落锚冲击光电复合缆的有限元计算模型，通过对落锚冲击时光电复合缆结构的等效塑性应变和截面变形量的计算分析，发现光电缆各层结构的应变和变形趋势基本一致，从而可以从外层铠装的损伤来判断内部结构的损伤情况。计算结果对比试验结果表明，光单元比电单元更容易遭受挤压变形，当光电缆的截面变形量达到9%，电缆中光单元受损。

关键词：非刚性底质；撞击；海军锚；光电复合缆；结构损伤

[11]Taylar A，Whitelaw J H，Yianneskis M.Cured ducts with strong secondary motion velocity measurements of developing laminar and turbulent flow[J].TransASME：J.Fluid Mechanics，1982(104)：350-359.

[12]温正，石良辰，任毅如.FLUENT流体计算应用教程[M].北京：清华大学出版社，2009：45.

[13]陈鹏，刘绘新，王春生，等.钻油管钻完井条件下采气井口装置冲蚀及优化[J].石油矿场机械，2014，43(2)：55-60.

[14]祝效华，刘少胡，童华.气体钻井钻杆冲蚀规律研究[J].石油学报，2010(6)：1013-1017.

[15]赵云婷，褚会娟，杜秋影，等.水力喷砂器流态分析及冲蚀磨损研究[J].石油矿场机械，2014，43(2)：97-100.

[16]田家林，杨志，付传红，等.考虑流固耦合钻井液冲蚀引起的钻柱失效分析[J].中国海上油气，2015(2)：73-77.

[17]毛靖儒，柳成文，相晓伟.弯管内二次流对固粒磨损壁面的影响[J].西安交通大学学报，2004(7)：746-749.

composite cable are analyzed and calculated when admiral anchor dropped the cable. To find the strain and deformation trend of photoelectric composite cable structure of each layer are basic consistency，so the damage the internal structure from outer injury can be determined.Meanwhile，the comparative calculation and test results show that the light unit is more likely to suffer extrusion deformation than the electric unit.When the cross-sectional deformation of the photoelectric composite cable reaches 9%，the light unit of cable is damaged.

海底光电复合缆(以下简称光电缆，如图1)顾名思义[1]，光电缆就是敷设于海底，集输送电能和传输信号于一身的缆。它充分利用光纤传输信号不受制于电磁场干扰的特点，将若干光单元放置于光电缆电力线芯之间的空隙中，传输信息，实现通信和远端控制。使本来需要在相同路由上敷设的两条缆变为敷设一条缆，既节约了建设成本，又压缩了路由占据的海床空间。

1—铜导体+阻水带；2—导体半导电屏蔽；3—XLPE绝缘；4—绝缘半导电屏蔽；5—半导电阻水带；6—合金铅套；7—防腐层+PE护套；8—PP绳填充条成缆外径；9—成缆包带；10—PP绳+沥青内衬层；11—钢丝铠装；12—PP绳+沥青外被层+包带；13—不锈钢管海光缆单元。

本文选用更加类似海底电缆铺设环境的非刚性底质和最常用的锚—海军锚(如图2所示)，将船锚提升至预定高度，调整船锚的空中位置，使得船锚底部正对光电缆的中心轴线。船锚自由落下撞击光电缆，完成船锚撞击电缆，并对海底光电复合缆进行撞击损伤计算分析，分析电缆钢丝铠装层、铅护套、不锈钢管的变形特点，揭示电缆的损伤规律。

国内海底电缆的敷设水域基本上在100 m的深度以内，如舟山海域通常为20 ～ 70 m，福建海域通常为30 ～ 50 m。在海底电缆破坏的历史中，锚害占到人为因素对海底电缆破坏总量的1/3。船锚对海底电缆的破坏大多数发生在水深小于200 m的海域，尤其在近岸区，锚害更为严重，70 %发生在水深小于50 m海域，20 % 发生在小于10 m 的海域[2]。

图2　500 kg海军锚

目前，落锚冲击造成光电缆局部损伤，涉及复杂的非线性分析，因此难以求得解析公式。海军工程大学林开泉等人基于有限元法( Finite Element Method )对单外铠、双外铠和单内铠加单外铠3种不同铠装结构的海底光缆进行了锚害研究[3]，但未有对三芯复合缆进行有限元模拟。在海底电缆撞击损伤试验研究方面，公开的文献里未见到船舶落锚撞击海底电力电缆或者光电复合缆的试验研究。国际大电网组织CIGRE提出的试验方法《recommendations for mechanical tests on submarine cables》[4-5]，是目前国际上海底电缆机械试验依据的唯一标准，也没有对此作出规定。

1落锚理论分析

落锚的过程可以划分为入水阶段和入土阶段。在水中下落时，锚在重力的作用下开始加速，然而随着速度的增加，锚受到的拖曳阻力也增大，如果下落距离够远，锚速最终会达到一个平衡速度。当锚与土体接触后，土体阻力会随着锚嵌入深度的增大而增大，锚速会逐渐减小并最终静止。为此，可将落锚过程通过能量平衡进行理论分析。

1.1落锚受力分析

当不考虑风载荷和波浪流的作用时，落锚过程主要受重力、浮力和水的拖曳力，如下图3所示。

图3　落锚在水中的受力分析

如果锚由静止释放，锚距水面H为0，初速度为0。当质量为m的锚在海水中自由下落时，如果不考虑锚机减少出链速度的情况，其下落过程力学方程可表示为：

(1)

式中：v为锚的速度，m/s；m为锚的质量，kg；g为重力加速度，取9.81 m/s2；AF为锚的前端面挡水面积，m2；V为锚的排水体积，m3；ρw为海水的密度，kg/m3；Cd为拖曳系数。

1.2触底能量

(2)

式中：ρs为锚的密度，kg/m3。

当水深足够大时，对上式求极限可得落锚的极限平衡速度，即收尾速度：

(3)

对于锚来说，其触底能量主要是其动能，因此触底能量可表示为：

(4)

1.3土体对落锚的能量吸收

锚在入土阶段主要受到重力和土的承载阻力。因此，由牛顿第二定律得到锚的平衡方程为：

(5)

根据DNV-RP-F107，对于砂土有

Qz=0.5Nγγ′BAF+Nqp0AF

(6)

其中p0=ρgz，为上覆土压。

对于粘土有

Qz=(Nc(Cu0+kz)+p0)AF

(7)

土体对于撞击能量的吸收可以通过对力的位移积分得到。由锚在土中的受力分析可知，土体吸收的能量可以通过对土的承载阻力积分得到，即

(8)

因此，如果砂土承载力系数Nγ和Nq取常数，则其对于锚触底能量的吸收量为：

Ea=0.5Nγγ′BAFz+0.5Nqγ′AFz2

(9)

如果粘土承载力系数Nc取常数，则粘土对于锚触底能量的吸收量为：

Ea=NcCu0AFz+0.5(γ′+Nck)AFz2

(10)

式中：Cu0和k分别是泥面不排水抗剪强度和沿深度的变化率；γ′为单位质量的填充物质的有效容重，kN/m3；B为锚冠宽度；z为穿透深度；Nq、Nr、Nc为填充物质承载力系数。

1.4撞击能量

当锚经过水体和土体后，其接触海缆的撞击能量就是锚触底动能减去土体吸收能量后的剩余能量，即

Ec=Ek-Ea

(11)

式中：Ec为撞击能量；Ek为触底能量；Ea为土地吸收能量。

如果海缆埋深很大，则有可能Ea大于Ek，那么锚的撞击能量即为零，则电缆不会受到损伤。因此，本文为了计算方便，在数值计算时，将电缆直接裸露在底质上，就不需考虑电缆掩埋深度的影响，土壤部分吸收的力量就无需考虑。触底动能即是撞击能量，可以直接通过撞击能量的变化分析得到电缆的结构损伤程度。

2数值模拟

2.1落锚撞击有限元建模

本文数值模拟研究采用美国HKS公司通用有限元分析软件ABAQUS完成。ABAQUS具有强大的非线性分析能力，并提供了多种可用于土体模拟的塑性本构和多种隐式/显式求解器。光电缆与土相互作用是一个复杂的问题，涉及到土体的塑性破坏过程[6]。在进行数值模拟时需要解决大变形模拟问题。在缆土相互作用过程中，土体必然会产生大变形，这给数值模拟造成了较大的困难。

1)模型简化。本文选用100 kg的海军锚和型号为HYJQF41-F 12/20kV 3×50mm2的海底光电复合缆进行有限元建模。落锚冲击模型主要由落锚、电缆和土体3部分组成，如图4所示。其中，落锚用1个具有相同底面形状的物体代替，通过施加惯性质量的方法来模拟真实锚体。光电缆采用实体单元模拟，在建立有限元模型时，由于主要进行力学性能的仿真，不涉及光纤和电缆芯的光学性能和电学性能以及渗水性能，因此可以将机械强度很低的光纤、套绳、填充条及阻水带忽略，既简化了模型，又不影响光电缆的力学性能(如图5所示)。光电缆沿z轴正向开始建模，光缆芯从内到外为不锈钢管和聚乙烯护套；电缆芯从内到外为铜导体，XLPE绝缘，合金铅套，PE护套；外层为光电缆钢丝铠装层和外被层，各层之间接触类型为通用接触。

a　轴向示意

b　截面示意

a　截面示意

b　轴向示意

2)边界条件。光电缆分别与土体和锚建立接触关系。锚视为刚体，不考虑锚的受力与变形。电缆在此次建模施加的约束为全约束，即两端的6个自由度完全限制。在建模时，将锚体移动到指定高度，重力加速度取10 m/s2，初始速度为0，将除垂向平动外的所有自由度约束；土体上表面为自由面，下表面完全约束，其余侧面为对称约束。

2.2非刚性底面落锚冲击过程分析

当光电缆置于非刚性底面上时，光电缆的变形过程可以概括为3个阶段：冲击段、转折区和回弹段，但是各个阶段的特征有所不同。如图6所示，首先，落锚接触光电缆后，造成光电缆变形，并带动光电缆下陷，如图6a所示；然后，光电缆下陷至最大深度，锚停止下落并开始回弹，如图6b～6c所示；最后，光电缆回弹一定距离，锚被弹开，如图6d所示。

a　冲击段

b　转折区Ⅰ

c　转折区Ⅱ

d　回弹段

从图7光电缆铠装层应力-时间曲线(100 kg海军锚在3 m下落高度情况下，对于安放在粘土上的光电缆进行落锚试验)，可以发现3个阶段的应力变化。

图7　光电缆铠装层应力-时间曲线

由图7可以看出，铠装层的应力曲线经历了3个阶段.

1)在开始撞击的短时间内，材料发生弹性变形。

2)当达到材料屈服极限后，应力减小、增加，处于屈服状态。

3)由于船锚被弹开，铠装层的变形得到一定的恢复，但由于发生了塑性变形，所以残留有一定的残余应变，对应也有着一定的残余应力，这是影响铠装层性能的主要因素。

2.3光电缆冲击时应力计算及损伤分析

2.3.1应力计算

对安放在粘土上的光电缆铠装层从左到右等间距的提取5点，用100 kg的海军锚，以3 m的下落高度撞击光电缆，得到光电缆同一轴上均布点的应力曲线如图8所示，可以看出光电缆各点的应力曲线趋势基本一致，应力大小及曲线幅值不同，最大应力在250～350 MPa。

图8　铠装层不同位置应力曲线

2.3.2损伤分析

铠装层截面变形量曲线，铅护套截面变形量曲线，不锈钢截面变形量曲线，如图9所示。

图9　截面变形量曲线

由图9可以看出，虽然铅护套和不锈钢结构在电缆中位置不同，但由于在粘土底质上，二者塑性变形都很小，所以电缆不同层截面的变形量变化趋势基本一致，在撞击开始是呈近似线性增加，之后有着一定的波动，而后随着弹性恢复缓慢下降。

铠装层等效塑性应变曲线，铅护套等效塑性应变曲线，不锈钢等效塑性应变曲线如图10所示。

由图10看出，电缆各层的塑性应变先线性上升，而后随时间保持一定值，之后再次增加至一定值后，保持稳定，最终残留有一定的塑性变形。

因此，从应力、应变、变形量的趋势可以得出，光电缆的铅套和不锈钢管的变形情况可以通过外部铠装层的损伤变形推断。另外，在不同位置，其应力的大小及曲线的幅值是不同的，这说明在船锚撞击海底电缆这一短暂的过程中，光电缆铠装层的不同位置，其所受到的力是不同的。在撞击过程中，通过调整落锚高度来获得不同的冲击能量，而不同大小的锚撞击面积不同，从而可以通过冲击能量密度来表示电缆结构损伤程度，落锚冲击能量密度与铠装层截面变形的关系如表1所示。

表1　落锚冲击能量密度与电缆铠装层损伤关系

2.3.3分析结论

1)残余应力对材料的性能有着至关重要的影响。

2)材料在作用过程中，特别是反复作用的情况下，其塑性应变对材料性能影响较大。

3)对于复合缆，在船锚作用下其各个结构层的截面都会发生一定的变形，通过分析变形量的大小，可以直观感受其作用的剧烈性。

此次研究中主要通过判断塑性应变来评价损伤情况，塑性应变是变形过程中产生的永久应变，不会随着载荷的卸载而消失，能够反应海底电缆的损伤情况。

3海军锚撞击光电复合缆的试验研究

试验选用100 kg和500 kg的海军锚，海底光电复合缆型号为HYJQF41-F 12/20kV 3×50 mm2(铜芯交联聚乙烯绝缘分相铅护套粗钢丝铠装防腐纤维外护层海底光电复合缆)。在室外空旷的非刚性地面，电缆自由铺放在地面，启动吊机将船锚提升至预定高度，调整船锚的空中位置，使得船锚底部正对光电缆的中心轴线。试验人员通过远程操作电动脱扣，使得船锚自由落下撞击光电缆，完成船锚撞击电缆的试验(如图11所示)。

图11　撞击试验

试验最开始在室外较松软的粘土地面进行，船锚撞击光电缆后，解剖发现100 kg海军锚对电缆芯和光单元仍未造成足够的损伤，500 kg海军锚使得光缆被严重压扁，但是电缆芯变形轻微。因此，需要增大底质硬度。

选择室外自然沉降的粘土为试验地面，船锚由吊车吊起，分别从2、3、4 m的高度释放，脱扣装置使锚自由下落。100 kg海军锚和500 kg海军锚的撞击数据如表2所示。试验结束后，对试验电缆进行交流耐压试验和局部放电试验，并对电缆绝缘电阻进行测量，发现当电缆截面变形量超过9%时，试验灵敏度超过电力电缆标准要求。

表2　室外粘土落锚撞击数据

100 kg海军锚撞击后的电缆和解剖后的缆芯如图12所示。电缆和光缆有一定挠度，表面完好，没有压扁。

a　电缆外部

b　解剖后缆芯

500 kg海军锚从2 m落下，电缆和光缆产生一定挠度，光缆被压扁，撞击点处铠装凹陷明显，如图13所示。

a　电缆外部

b　解剖后缆芯

电缆底部是普通的室外自然沉降粘土地面，500 kg海军锚下落3 m，电缆被明显砸扁，铠装钢丝变形严重，撕裂，隆起。电缆和光缆产生一定挠度，电缆被压扁，最扁处外径22.64 mm，而原来的直径是31.9 mm，如图14所示。

a　电缆外部

b　解剖后缆芯

电缆底部是普通的室外自然沉降粘土地面，500 kg海军锚下落4 m，钢丝变形明显，电缆产生一定挠度。光缆偏心压扁，呈尖锐的棱线，电缆也被挤出明显的棱，如图15所示。

a　电缆外部

b　解剖后缆芯

4结论

1)无论增加锚重，还是增加锚的下落高度，只要锚的冲击能量增加，电缆结构的变形就越严重。

2)在非刚性底质上，不仅会有局部变形，还会在撞击点附近产生整体变形。光芯撞击后变形很大。同样条件下，光单元比电单元更容易受撞击影响。如果光电缆的截面变形超过9%，其光电性能将会受到影响。

3)试验和数值分析表明，海底电缆受到船锚撞击时，首先是铠装钢丝层抵抗外力破坏，随后撞击作用力传到铅套和光单元的不锈钢管，光电缆各层结构变形趋势一致。因此，可以从铠装的撞击损伤判定内部缆芯各层结构损伤程度，便于工程人员直观判断电缆损伤情况。

4)在铺设海底电缆时，若底质较软，可以自然铺设，若底质较硬，应在电缆上面采取适当的保护措施(例如抛石保护)。

5)本文只研究分析了非刚性底质上海军锚对海底光电复合缆结构损伤的影响。在未来，还应对不同底质，不同类型的锚和电缆进行试验研究分析，以便更好地保护海底电缆，避免海底电缆受到破坏，影响海上油气的运输和生产。

参考文献：

[1]陶新华.从海底光电复合缆的机械性能试验看光单元内铠装的必然性[C]// 第四届中国通信光电线缆企业家高峰论坛.2009.

[2]Allan P G ，Comrie R J .The selecting of appropriate burial tools and burial depths[C]//Suboptic 2001 Kyoto：Submarine Cable Improvement Group，2001：1-8.

[3]林开泉，王红霞，刘红亮，等.海底光缆锚害的有限元分析[J].电线电缆，2010 (6)：31-33.

[4]CIGRE ELECTRA-171-1997，recommendations for mechanical tests on submarine cables[S].

[5]CIGRE Electra 189 ，recommendations for testing of submarine cables[S].

[6]司海宝，蔡正银.基于ABAQUS建立土体本构模型库的研究[J].岩土力学，2011，32(2)：599-603.

[7]DNV-RP-F107[S].2010.

[8]任艳荣.ABAQUS软件在管土相互作用中的应用[J].中国海洋平台，2007，22(4)：48-51.

[9]费康.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[10]吕安强，李永倩，李静，等.利用光纤应变判断光电复合光电缆锚害程度的有限元分析法[J].电工技术学报，2014(11)：261-268.

[11]张旭.海底高压光电复合缆故障仿真方法研究[D].保定：华北电力大学，2013.

[12]张永泽，梁政，蒋发光，等.复杂结构有限元分析强度判定方法[J].石油矿场机械，2009，38(5)：5-8.

文章编号：1001-3482(2016)07-0019-08

收稿日期：①2015-11-30

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(51509258)①

作者简介：王力平(1991-)，男，重庆涪陵人，硕士研究生，主要研究方向为海洋油气装备技术，E-mail：leeping425@163.com。

中图分类号：TE952

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.07.004

Structure Damage Analysis of Photoelectric Composite Cable under Impaction by Admiral Anchors on Non-Rigid Bottom

WANG Liping1，LUO Xiaolan1，GAO Qiang2，DUAN Menglan1，XU Jian1，TUO Haohu1

(1.ChinaUniversityofPetroleum-Beijing，Beijing102249，China；2.FudanUniversity，Shanghai200433，China)

Abstract：The ship’s anchor impact is easy to make submarine cable breakage and damage.It is very meaningful to carry out the research on the impact damage of submarine cable structure，which is very important for ensuring the safety of communication，power and production.Aiming at admiral anchor on the non-rigid bottom，a finite element model of drop anchor impacting photoelectric composite cable is created，and the plastic strain and sectional deformation of photoelectric

Keywords：non-rigid bottom；impact；admiral anchor；photoelectric composite cable；structure damage

专利项目：国家发明专利(201510358254.5)