深水脐带缆浮力块配置优化设计

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(1.中国船级社，北京100007；2.海洋水下设备试验与检测技术国家工程实验室，北京100007；3.北京石油化工学院 机械工程学院，北京102617；4.深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室，北京 102617；5.海洋石油工程股份有限公司 设计公司，天津300451)

脐带缆是水下生产控制系统的重要组成部分，用于连接水上系统和水下系统。为水下生产系统输送电力和液压动力、提供化学药剂注入通道以及传输控制信号和反馈水下生产系统运行状态数据[1]。脐带缆在国外海洋工程应用已经有50 a历史，应用范围从浅水已经发展到超深水领域。我国在脐带缆的设计制造方面与国外先进技术还存在较大差距，开展脐带缆关键技术研究对我国深水油气田开发具有重要意义[2]。线型设计是脐带缆整体分析的关键问题，典型线型有悬链线型、缓波型、陡波型、缓S型、陡S型[3]。悬链线型布局简单，施工方便，是一种经济的方式。随着水深的增加，悬链线型悬挂点的张力增加，通过在脐带缆局部安装浮力装置，可以减小顶端张力以及减小浮体运动及环境载荷对触地区附近结构强度的影响[4]。由于脐带缆和钢悬链线立管在深水中的形态相似，脐带缆的线型计算分析可以借鉴钢悬链线立管[5-7]。本文以缓波型为例，采用有限元法对比分析悬链线型与缓波型的顶部张力和曲率，以单位长度浮力、浮力块位置、浮力块长度为因子，研究深水脐带缆浮力块配置方案。

1 深水缓波型脐带缆有限元分析

1.1 深水缓波型脐带缆有限元模型

本文采用有限元软件ABAQUS建立深水脐带缆的二维有限元模型，脐带缆采用梁单元B21来模拟，假设海床为刚性面，定义为解析刚体。脐带缆初始状态平铺在海床之上，定义脐带缆与海床为有限滑动接触，忽略二者之间的摩擦力。脐带缆一端固定，另一端施加水平位移和垂直位移边界条件，将脐带缆提升至在位状态(水深1 000 m)，满足初始顶端悬挂角20°，此刻脐带缆呈现悬链线形态。为保证计算的收敛性，整个提升过程共分为5步。最后施加浮力块提供的浮力。

脐带缆是由多个功能构件螺旋缠绕中心钢管形成，其横截面如图1所示[8]，在计算过程中需要进行刚度的等效。本文采用文献[9]的脐带缆参数，湿重22 kg·m-1，弯曲刚度14.4 kN·m2，轴向刚度509 MN。浮力块单位长度提供的浮力为脐带缆单位长度湿重的2倍，长度为250 m，距顶端距离为700 m。

图1 脐带缆横截面

1.2 深水缓波型脐带缆有限元结果分析

图2～3分别为2种不同线型(悬链线型和缓波型)的曲率和张力对比图，脐带缆长度0点为悬挂点。从图2可以看出，悬链线型脐带缆曲率最大的地方发生在触地点附近，缓波型脐带缆出现相对两个曲率较大的地方，最大值出现在触地点附近，另一峰值则出现在浮力块的上端，并且缓波型脐带缆的曲率整体大于悬链线型脐带缆的曲率。从图3可以看出，悬链线型脐带缆的张力随着长度的增加逐渐减小，缓波型脐带缆的张力从悬挂点开始逐渐减小，当经过浮力块时导致张力局部增加，但比悬挂点处张力小。并且发现增加浮力块可以明显减小脐带缆的整体张力水平。

图2 悬链线型与缓波型曲率对比

图3 悬链线型与缓波型张力对比

2 深水缓波型脐带缆浮力块配置方案设计

2.1 深水缓波型脐带缆浮力块配置参数设置

本文以浮力块单位长度提供的浮力(因子A，单位为脐带缆单位长度湿重的倍数)、浮力块长度(因子B，单位为m)、浮力块距顶端距离(因子C，单位为m)为基本参数，设计不同的深水缓波型脐带缆浮力块配置方案。3种因子各对应4个水平，因子与水平分布如表1所示。

表1 因子与水平

对于表1列出的3因子4水平数据，需要进行计算的次数43=64，计算量相对较大，可通过正交试验设计减小计算次数，只需要计算16组，正交试验表见表2[10]。对表2中的每组数据建立有限元模型，进行计算分析。

2.2 深水缓波型脐带缆浮力块配置结果分析

将表2列出的每个试验方案对应的最大张力和最大曲率列于表3中，并绘制如图4所示的曲线。

表3 浮力块配置结果分析

表3(续)

图4 不同试验方案对应的脐带缆最大张力和最大曲率

从表3和图4可以看出，12号方案对应的脐带缆张力最小，16号方案对应的脐带缆曲率最大。从图4可以看出，当脐带缆张力较大时，其曲率相对较小；而张力较小时，曲率较大。因此，在进行深水脐带缆线型设计时应同时考虑到张力和曲率的变化，选择最优方案。

3 结论

1) 建立了悬链线型与缓波型脐带缆的有限元模型，主要研究线型变化对脐带缆受力的影响。

2) 悬链线型脐带缆曲率最大出现在触底点附近，缓波型脐带缆曲率有2个峰值，分别是触地点附近和浮力块上端，且均大于悬链线型脐带缆曲率。缓波型脐带缆整体张力水平均小于悬链线型脐带缆，但浮力块会增大脐带缆的局部张力。

3) 以单位长度浮力、浮力块位置、浮力块长度为因子，通过正交试验对配置方案进行合理设计，求得了深水脐带缆不同最大张力和最大曲率的浮力块配置方案，为深水脐带缆浮力块配置设计提供参考。

4) 在浮力块配置设计时，除综合考虑不同配置方案对脐带缆张力和曲率的影响外，还要对内部结构进行详细的分析。

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