脐带缆测试技术及其在文昌气田的应用*

郭 宏 谢 鹏 宋春娜

(1.中海油研究总院有限责任公司 北京 100028；2.深圳海油工程水下技术有限公司 深圳 518067)

脐带缆是由电缆、光缆、液压或化学药剂管组合而成的复杂电缆，在海洋油气开发中起到传输电力、信号、化学药剂及控制液的作用，是连接海洋平台上部设施和水下生产系统之间的“神经和生命线”。自20世纪60年代以来，脐带缆已广泛应用于各类浅水和深水海洋工程开发项目，目前我国应用的海洋脐带缆主要依赖进口，如流花11-1、陆丰22-1、惠州35-2、流花19-5和流花4-1等油田，这在一定程度上制约了我国海洋工程的发展。近年来，随着海洋工业的发展及在国家863计划等科研项目的推进下，我国开展了脐带缆的设计、制造等研究，逐步具备了水下脐带缆的设计制造能力[1-2]，但目前脐带缆的测试技术还不完善，对于脐带缆测试方面的研究主要集中在脐带缆的弯曲刚度、抗拉强度、拉弯组合荷载等部分力学性能的测试[3]，而对于脐带缆的其他性能，如摩擦系数、抗冲击试性、自由溢流测试等研究则不完善，且尚未建立系统的脐带缆测试体系。本文结合ISO 13628-5的规定，基于文昌9-2/9-3/10-3气田开发项目，开展了脐带缆测试技术体系的研究与应用，其成果可为未来我国脐带缆的测试和评价作为参考。

1 脐带缆测试技术

脐带缆测试是为了证明制造厂商设计的脐带缆是否能够经受住设计环境与设计载荷，并具备应有的特性。除另有协定外，所有的测试试验应在脐带缆制造之前进行，即在正式生产之前的样缆上完成测试。基于文昌9-2/9-3/10-3气田开发项目，通过开展脐带缆测试技术体系的研究与应用工作，形成了以下13项脐带缆测试技术。

1．1 试成缆测试

脐带缆试成缆测试用于评估脐带缆横截面方案制造的可行性，并对脐带缆成缆后的一些参数，如脐带缆直径、质量等参数进行确认，并与设计参数进行对比。脐带缆的试成缆测试应在进行主缆生产的成缆机上完成，如图1所示。试验时，需要将待成缆的脐带缆单元放置在成缆机上，按照设计方案调节成缆参数后启动成缆机，完成成缆作业。

图1 脐带缆成缆示意图Fig .1 Schematic diagram of umbilical lay-up trail

1.2 拉扭平衡测试

脐带缆在安装及服役过程中受到拉伸载荷作用，拉伸刚度、允许拉伸强度以及单位长度的拉伸扭转角度是衡量脐带缆拉伸性能的重要参数。Hruska提出了使用HR模型对脐带缆的拉伸行为进行分析，但该模型只考虑了脐带缆铠装钢丝的轴向拉力作用[4-6]；Knapp在HR模型的基础上进一步扩展提出了可以考虑铠装钢丝对缆芯进行径向挤压的KNA模型[7]；Costello考虑了螺旋缠绕结构各单元的几何大变形、铠装钢丝半径和螺旋角随轴向伸长的几何非线性变化，提出了COS模型[8]。然而，这些模型虽然在一定程度上都能用于预测脐带缆的拉伸行为，但由于界面等效、摩擦模型的简化等假设，计算结果与脐带缆的真实结果仍有一定的偏差，因此需要进行脐带缆的拉扭平衡试验来验证脐带缆的设计结果。

脐带缆拉扭平衡试验基于拉扭平衡试验机完成，如图2所示。测试时，将脐带缆的两端固定在拉扭平衡试验机上，保证脐带缆的一端固定，另一端释放旋转自由度。试验开始时，施加固定拉力，在脐带缆上安装传感器，测量脐带缆的旋转角度，并与设计时允许的扭转角度进行对比，以验证设计的准确性。

图2 脐带缆拉扭平衡测试试验Fig .2 Umbilical combined torque balance and tension test

1.3 弯曲刚度测试

弯曲刚度是脐带缆进行安装分析和在位分析的重要参数，但由于脐带缆结构复杂，现有的计算模型无法准确评估脐带缆的弯曲刚度。Costello等人基于LOVE螺旋杆理论，忽略单元之间的接触作用和线性假设，对脐带缆中的单元进行直接叠加，提出了脐带缆的总体弯曲刚度计算公式[8]。Witz认为脐带缆的弯曲行为可分为无滑动阶段和全滑动阶段，弯曲曲率较小时脐带缆内的所有单元无法全部克服摩擦力作用同时发生运动，而弯曲曲率较大时各单元之间发生相对滑动。基于这一假设，Witz推导了脐带缆无滑动和全滑动的弯曲刚度计算公式。

为了验证脐带缆的弯曲刚度，本文基于梁的理论设计了脐带缆的弯曲刚度测试装置，如图3所示。该装置可对钢管脐带缆的弯曲刚度进行测试，测试范围为直径101.6～406.4 mm脐带缆。试验时，将脐带缆放置在试验机上进行加载，使脐带缆逐步弯曲，记录脐带缆的弯曲变化，计算脐带缆的弯曲刚度，并与设计值进行比较。

图3 脐带缆弯曲刚度测试试验Fig .3 Umbilical bend stiffness test

1.4 终端连接强度测试

为验证脐带缆与终端设施的连接强度，模拟脐带缆在安装和服役工况下的真实连接形式和规范要求，按照实际应用工况进行脐带缆终端强度试验，如图4所示。脐带缆与终端的连接形式与真实工况保持一致，测试时固定脐带缆终端，在脐带缆的首端施加拉力直至设计值，观察脐带缆与终端的连接情况。

图4 脐带缆终端连接强度测试试验Fig .4 Umbilical end-stregnth termination test

1.5 拉弯组合测试

在安装过程中，脐带缆通过张紧器从下水桥入水，在下水桥上会受到拉伸和弯曲载荷的共同作用。为了测试脐带缆是否能够满足安装工况的要求，需要模拟脐带缆在拉力和弯矩载荷作用下的工作情况，开展拉弯组合试验。

拉弯组合测试需要在拉弯组合试验机上进行，如图5 所示。首先将脐带缆放置在提前预制的圆形弧板上，该弧板的曲率需要与脐带缆的安装作业工况一致;然后在脐带缆的两端施加拉力，拉力的大小需要满足安装工况的要求。在测试过程中，保持脐带缆钢管充满液体并保持一定压力。测试完成后，需要检查脐带缆电缆的各类电力参数、测量脐带缆钢管单元的椭圆度和记录管道内压力的变化。并与设计文件及脐带缆设计规范要求进行对比。

图5 脐带缆拉弯组合测试试验Fig .5 Umbilical combined tension and bending test

1.6 抗侧压测试

脐带缆通过张紧器时会受到张紧器夹持，脐带缆内部单元在径向挤压载荷的作用下可能发生相互挤压，因此需要测试脐带缆的抗侧压能力，评估脐带缆能够承受的最大侧向挤压力。

脐带缆抗侧压测试试验如图6所示。测试前，需要确认进行脐带缆安装时使用的张紧器垫板形式，并根据实际情况预制测试垫板。试验中，通过试验机向脐带缆施加侧向挤压力至指定值，卸载后切开脐带缆，测量脐带缆钢管单元的椭圆度，并与设计值进行比较。

图6 脐带缆抗侧压测试试验Fig .6 Umbilical bundle squeeze/crush test

1.7 摩擦系数测试

张紧器通过对脐带缆的径向挤压以及摩擦产生的摩擦力提供安装过程中所需要的轴向拉力。脐带缆外护套与张紧器垫板之间的摩擦系数是进行安装分析的重要参数,该系数与脐带缆的外护套、垫板材料属性及几何形状有关。

生产建设项目水土保持监督管理。本区石油、海盐等资源比较丰富，又有天津滨海新区，生产建设项目较多，而且保定市作为首都功能疏解的集中承载地和京津产业转移的重要承载地，生产建设项目必将增加。应加强生产建设项目水土保持监督管理工作，有效控制人为水土流失。

脐带缆摩擦系数测试试验如图7所示。试验时，首先在脐带缆的一端施加侧向挤压力夹持脐带缆，同时在脐带缆的另一端安装锚固接头，施加拉力直至脐带缆与垫板发生相对滑动，记录发生滑动时作用在张紧器上的轴向拉力及侧向挤压力，计算出脐带缆的摩擦系数，并与设计值进行比较。

图7 脐带缆摩擦系数测试试验Fig .7 Umbilical friction factor test

1.8 冲击测试

脐带缆在使用过程中可能会遭受平台或船舶落物冲击载荷作用而发生失效。根据规范要求，需要开展脐带缆冲击测试试验，确定脐带缆冲击载荷和能量的相互作用关系，并评估脐带缆在出现如下3种损伤时的冲击能量，作为脐带缆在役期间的允许冲击载荷。

1) 造成初始表面损伤的冲击能量；

2) 造成部分单元结构变形的冲击能量；

3) 在安装或操作条件下造成脐带缆部件失效的冲击能量。

脐带缆冲击测试试验如图8所示。首先将脐带缆放置在测试场地地板上，然后在不同高度释放质量块冲击脐带缆。由于脐带缆内部单元是螺旋结构，应在截面上不同位置冲击脐带缆。试验完成后，切开脐带缆，检查脐带缆表面损伤，测量钢管的椭圆度，并与设计值进行比较。

图8 脐带缆冲击测试试验Fig .8 Umbilical impact test

1.9 疲劳测试

脐带缆在周期性动力载荷的作用下易引起钢管单元产生交变应力和累计损伤，并引起脐带缆发生疲劳破坏。通常，首先是基于脐带缆的使用工况及环境载荷计算脐带缆内产生的应力历史，然后根据S-N曲线及Miner公式计算脐带缆的使用寿命。

由于脐带缆本身复杂的结构特点，在疲劳计算中难以完全模拟脐带缆单元之间的非线性接触和层间摩擦力，因此基于试验方法验证脐带缆的疲劳性能是目前疲劳分析最为可靠的手段。Alan Dobson等人开展了足尺度的脐带缆动态疲劳试验[9]，如图9a所示。在动态疲劳测试中，通过疲劳试验装置按照一定的载荷工况向脐带缆施加动力载荷，并测试脐带缆单元的交变应力，然后进行后处理以确定脐带缆的疲劳损伤和疲劳寿命。

在铺设过程中，脐带缆在下水桥上受到循环载荷作用，尤其是在进行脐带缆终端安装或进行J型护管抽拉施工时，脐带缆在下水桥上滞留时间久，疲劳损伤的风险高。为模拟脐带缆的安装疲劳，基于文昌项目设计了安装疲劳测试设备,如图9b所示。测试时，将脐带缆按照下水桥半径放置在测试装置上，在A端施加垂直于测试弧面的循环位移，模拟脐带缆在下水桥上脱离点处的循环荷载作用，并按照设计要求完成指定次数的循环后测试脐带缆单元的功能及完整性。

1.10 自由溢流测试

自由溢流测试用于评估水流沿脐带缆轴向单元间隙流动时的流速，以测试水流通过脐带缆内部的能力，如图10所示。测试时，首先截取一定长度的脐带缆样缆放置在试验机上，然后在样缆一端注入一定压力的水流，在另一端测试水流的流量，进行计算后确定水流在脐带缆单元间轴向流动过程中的流速，并与设计值进行比较，为脐带缆安装时的下放速度提供参考。

图9 脐带缆动态疲劳测试试验及安装疲劳试验Fig .9 Umbilical dynamic fatigue and installation fatigue test

图10 脐带缆自由溢流测试试验Fig .10 Umbilical free flooding rate test

1.11 静水压力测试

在服役工况下，脐带缆在海床上受到外部静水压力的作用，脐带缆缆体与内部单元之间受到挤压。为验证脐带缆抵抗静水压力的能力，需要开展脐带缆静水压力测试试验。该试验在静水压力舱中进行，如图11所示。测试时，在压力舱内放置两段封口的脐带缆，增大压力舱内的水压以施加静水压力，并保压一定时间。试验结束后，测试脐带缆的外径变化并与设计值进行比较。

图11 脐带缆静水压力测试试验Fig .11 Umbilical hydrostatic pressure test

1.12 依托设施拉管测试

脐带缆与上部依托设施的回接一般从J型或I型护管中抽拉上平台。在抽拉作业中，为顺利穿过J型或I型护管，脐带缆的拖拉头应保证在一定尺寸内，且抽拉绞车应提供足够的拉力。为验证脐带缆及拖拉头在护管中的通过性并校核设计参数，应进行脐带缆依托设施拉管测试试验，如图12所示。试验时，使用拖拉头或模拟的拖拉头及脐带缆进行J型或I型护管的抽拉作业，着重验证拖拉头及脐带缆是否能够满足护管的弯曲半径，并记录脐带缆抽拉使用的绞车拉力，为实际的抽拉作业提供参考。

图12 脐带缆依托设施拉管测试试验Fig .12 Umbilical topside termination interface test

1.13 维修接头测试

为保证脐带缆的完整性并验证制造厂商的脐带缆维修能力，应进行脐带缆维修接头测试试验，如图13所示。测试时，应保证所模拟的维修工况与海上维修的情形类似，并评估进行海上维修作业所需要的时间以及所需使用的工机具性能，为未来进行海上维修作业提供参考。

图13 脐带缆维修接头测试试验Fig .13 Umbilical repair splice qualification test

2 在文昌气田的应用

文昌9-2/9-3/10-3气田位于南海西部海域，该气田需使用一条脐带缆连接文昌9-2/9-3 CEP中央平台至文昌10-3的水下生产系统。该脐带缆为复合电液脐带缆，包括11个功能单元、9根金属管及2根四芯电缆。液压管线为超双相不锈钢管，总长度为23 km，设计水深150 m。基于规范ISO13628-5的规定，应用本文测试技术对自行设计生产的文昌气田脐带缆样缆进行了测试，测试结果(表1)均满足设计要求。

表1 文昌气田脐带缆样缆测试结果Table 1 Test results of umbilical sample in WC gas field

3 结束语

脐带缆评定测试是验证脐带缆的设计和制造质量的重要手段，也是进一步促进我国脐带缆国产化进程的必要手段。本文基于规范ISO 13628-5的规定，系统研究了脐带缆的测试技术，形成了脐带缆测试技术体系，并针对文昌9-2/9-3/10-3气田脐带缆样缆开展了13项测试试验，为脐带缆的各项性能参数测试、设计和制造质量评价提供了测试方法及测试装置。本文研究成果为脐带缆的国产化及其评价提供了技术支撑及质量保证手段。

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