王力平,羅曉蘭,高 強,段夢蘭,徐 健,脫浩虎
(1.中國石油大學(xué)(北京),北京 102249;2.復(fù)旦大學(xué),上海 200433)
?
非剛性底質(zhì)上海軍錨對光電復(fù)合纜撞擊損傷分析
王力平1,羅曉蘭1,高強2,段夢蘭1,徐健1,脫浩虎1
(1.中國石油大學(xué)(北京),北京 102249;2.復(fù)旦大學(xué),上海 200433)
摘要:船錨撞擊容易使海底電纜斷裂、破損,為此,開展海底電纜結(jié)構(gòu)的撞擊損傷研究,對保障海底通訊通電生產(chǎn)安全具有非常重要的意義。針對非剛性底及質(zhì)海軍錨,建立落錨沖擊光電復(fù)合纜的有限元計算模型,通過對落錨沖擊時光電復(fù)合纜結(jié)構(gòu)的等效塑性應(yīng)變和截面變形量的計算分析,發(fā)現(xiàn)光電纜各層結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和變形趨勢基本一致,從而可以從外層鎧裝的損傷來判斷內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷情況。計算結(jié)果對比試驗結(jié)果表明,光單元比電單元更容易遭受擠壓變形,當光電纜的截面變形量達到9%,電纜中光單元受損。
關(guān)鍵詞:非剛性底質(zhì);撞擊;海軍錨;光電復(fù)合纜;結(jié)構(gòu)損傷
[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]溫正,石良辰,任毅如.FLUENT流體計算應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009:45.
[13]陳鵬,劉繪新,王春生,等.鉆油管鉆完井條件下采氣井口裝置沖蝕及優(yōu)化[J].石油礦場機械,2014,43(2):55-60.
[14]祝效華,劉少胡,童華.氣體鉆井鉆桿沖蝕規(guī)律研究[J].石油學(xué)報,2010(6):1013-1017.
[15]趙云婷,褚會娟,杜秋影,等.水力噴砂器流態(tài)分析及沖蝕磨損研究[J].石油礦場機械,2014,43(2):97-100.
[16]田家林,楊志,付傳紅,等.考慮流固耦合鉆井液沖蝕引起的鉆柱失效分析[J].中國海上油氣,2015(2):73-77.
[17]毛靖儒,柳成文,相曉偉.彎管內(nèi)二次流對固粒磨損壁面的影響[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,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.
海底光電復(fù)合纜(以下簡稱光電纜,如圖1)顧名思義[1],光電纜就是敷設(shè)于海底,集輸送電能和傳輸信號于一身的纜。它充分利用光纖傳輸信號不受制于電磁場干擾的特點,將若干光單元放置于光電纜電力線芯之間的空隙中,傳輸信息,實現(xiàn)通信和遠端控制。使本來需要在相同路由上敷設(shè)的兩條纜變?yōu)榉笤O(shè)一條纜,既節(jié)約了建設(shè)成本,又壓縮了路由占據(jù)的海床空間。
1—銅導(dǎo)體+阻水帶;2—導(dǎo)體半導(dǎo)電屏蔽;3—XLPE絕緣;4—絕緣半導(dǎo)電屏蔽;5—半導(dǎo)電阻水帶;6—合金鉛套;7—防腐層+PE護套;8—PP繩填充條成纜外徑;9—成纜包帶;10—PP繩+瀝青內(nèi)襯層;11—鋼絲鎧裝;12—PP繩+瀝青外被層+包帶;13—不銹鋼管海光纜單元。
本文選用更加類似海底電纜鋪設(shè)環(huán)境的非剛性底質(zhì)和最常用的錨—海軍錨(如圖2所示),將船錨提升至預(yù)定高度,調(diào)整船錨的空中位置,使得船錨底部正對光電纜的中心軸線。船錨自由落下撞擊光電纜,完成船錨撞擊電纜,并對海底光電復(fù)合纜進行撞擊損傷計算分析,分析電纜鋼絲鎧裝層、鉛護套、不銹鋼管的變形特點,揭示電纜的損傷規(guī)律。
國內(nèi)海底電纜的敷設(shè)水域基本上在100 m的深度以內(nèi),如舟山海域通常為20 ~ 70 m,福建海域通常為30 ~ 50 m。在海底電纜破壞的歷史中,錨害占到人為因素對海底電纜破壞總量的1/3。船錨對海底電纜的破壞大多數(shù)發(fā)生在水深小于200 m的海域,尤其在近岸區(qū),錨害更為嚴重,70 %發(fā)生在水深小于50 m海域,20 % 發(fā)生在小于10 m 的海域[2]。
圖2 500 kg海軍錨
目前,落錨沖擊造成光電纜局部損傷,涉及復(fù)雜的非線性分析,因此難以求得解析公式。海軍工程大學(xué)林開泉等人基于有限元法( Finite Element Method )對單外鎧、雙外鎧和單內(nèi)鎧加單外鎧3種不同鎧裝結(jié)構(gòu)的海底光纜進行了錨害研究[3],但未有對三芯復(fù)合纜進行有限元模擬。在海底電纜撞擊損傷試驗研究方面,公開的文獻里未見到船舶落錨撞擊海底電力電纜或者光電復(fù)合纜的試驗研究。國際大電網(wǎng)組織CIGRE提出的試驗方法《recommendations for mechanical tests on submarine cables》[4-5],是目前國際上海底電纜機械試驗依據(jù)的唯一標準,也沒有對此作出規(guī)定。
1落錨理論分析
落錨的過程可以劃分為入水階段和入土階段。在水中下落時,錨在重力的作用下開始加速,然而隨著速度的增加,錨受到的拖曳阻力也增大,如果下落距離夠遠,錨速最終會達到一個平衡速度。當錨與土體接觸后,土體阻力會隨著錨嵌入深度的增大而增大,錨速會逐漸減小并最終靜止。為此,可將落錨過程通過能量平衡進行理論分析。
1.1落錨受力分析
當不考慮風(fēng)載荷和波浪流的作用時,落錨過程主要受重力、浮力和水的拖曳力,如下圖3所示。
圖3 落錨在水中的受力分析
如果錨由靜止釋放,錨距水面H為0,初速度為0。當質(zhì)量為m的錨在海水中自由下落時,如果不考慮錨機減少出鏈速度的情況,其下落過程力學(xué)方程可表示為:
(1)
式中:v為錨的速度,m/s;m為錨的質(zhì)量,kg;g為重力加速度,取9.81 m/s2;AF為錨的前端面擋水面積,m2;V為錨的排水體積,m3;ρw為海水的密度,kg/m3;Cd為拖曳系數(shù)。
1.2觸底能量
(2)
式中:ρs為錨的密度,kg/m3。
當水深足夠大時,對上式求極限可得落錨的極限平衡速度,即收尾速度:
(3)
對于錨來說,其觸底能量主要是其動能,因此觸底能量可表示為:
(4)
1.3土體對落錨的能量吸收
錨在入土階段主要受到重力和土的承載阻力。因此,由牛頓第二定律得到錨的平衡方程為:
(5)
根據(jù)DNV-RP-F107,對于砂土有
Qz=0.5Nγγ′BAF+Nqp0AF
(6)
其中p0=ρgz,為上覆土壓。
對于粘土有
Qz=(Nc(Cu0+kz)+p0)AF
(7)
土體對于撞擊能量的吸收可以通過對力的位移積分得到。由錨在土中的受力分析可知,土體吸收的能量可以通過對土的承載阻力積分得到,即
(8)
因此,如果砂土承載力系數(shù)Nγ和Nq取常數(shù),則其對于錨觸底能量的吸收量為:
Ea=0.5Nγγ′BAFz+0.5Nqγ′AFz2
(9)
如果粘土承載力系數(shù)Nc取常數(shù),則粘土對于錨觸底能量的吸收量為:
Ea=NcCu0AFz+0.5(γ′+Nck)AFz2
(10)
式中:Cu0和k分別是泥面不排水抗剪強度和沿深度的變化率;γ′為單位質(zhì)量的填充物質(zhì)的有效容重,kN/m3;B為錨冠寬度;z為穿透深度;Nq、Nr、Nc為填充物質(zhì)承載力系數(shù)。
1.4撞擊能量
當錨經(jīng)過水體和土體后,其接觸海纜的撞擊能量就是錨觸底動能減去土體吸收能量后的剩余能量,即
Ec=Ek-Ea
(11)
式中:Ec為撞擊能量;Ek為觸底能量;Ea為土地吸收能量。
如果海纜埋深很大,則有可能Ea大于Ek,那么錨的撞擊能量即為零,則電纜不會受到損傷。因此,本文為了計算方便,在數(shù)值計算時,將電纜直接裸露在底質(zhì)上,就不需考慮電纜掩埋深度的影響,土壤部分吸收的力量就無需考慮。觸底動能即是撞擊能量,可以直接通過撞擊能量的變化分析得到電纜的結(jié)構(gòu)損傷程度。
2數(shù)值模擬
2.1落錨撞擊有限元建模
本文數(shù)值模擬研究采用美國HKS公司通用有限元分析軟件ABAQUS完成。ABAQUS具有強大的非線性分析能力,并提供了多種可用于土體模擬的塑性本構(gòu)和多種隱式/顯式求解器。光電纜與土相互作用是一個復(fù)雜的問題,涉及到土體的塑性破壞過程[6]。在進行數(shù)值模擬時需要解決大變形模擬問題。在纜土相互作用過程中,土體必然會產(chǎn)生大變形,這給數(shù)值模擬造成了較大的困難。
1)模型簡化。本文選用100 kg的海軍錨和型號為HYJQF41-F 12/20kV 3×50mm2的海底光電復(fù)合纜進行有限元建模。落錨沖擊模型主要由落錨、電纜和土體3部分組成,如圖4所示。其中,落錨用1個具有相同底面形狀的物體代替,通過施加慣性質(zhì)量的方法來模擬真實錨體。光電纜采用實體單元模擬,在建立有限元模型時,由于主要進行力學(xué)性能的仿真,不涉及光纖和電纜芯的光學(xué)性能和電學(xué)性能以及滲水性能,因此可以將機械強度很低的光纖、套繩、填充條及阻水帶忽略,既簡化了模型,又不影響光電纜的力學(xué)性能(如圖5所示)。光電纜沿z軸正向開始建模,光纜芯從內(nèi)到外為不銹鋼管和聚乙烯護套;電纜芯從內(nèi)到外為銅導(dǎo)體,XLPE絕緣,合金鉛套,PE護套;外層為光電纜鋼絲鎧裝層和外被層,各層之間接觸類型為通用接觸。
a 軸向示意
b 截面示意
a 截面示意
b 軸向示意
2)邊界條件。光電纜分別與土體和錨建立接觸關(guān)系。錨視為剛體,不考慮錨的受力與變形。電纜在此次建模施加的約束為全約束,即兩端的6個自由度完全限制。在建模時,將錨體移動到指定高度,重力加速度取10 m/s2,初始速度為0,將除垂向平動外的所有自由度約束;土體上表面為自由面,下表面完全約束,其余側(cè)面為對稱約束。
2.2非剛性底面落錨沖擊過程分析
當光電纜置于非剛性底面上時,光電纜的變形過程可以概括為3個階段:沖擊段、轉(zhuǎn)折區(qū)和回彈段,但是各個階段的特征有所不同。如圖6所示,首先,落錨接觸光電纜后,造成光電纜變形,并帶動光電纜下陷,如圖6a所示;然后,光電纜下陷至最大深度,錨停止下落并開始回彈,如圖6b~6c所示;最后,光電纜回彈一定距離,錨被彈開,如圖6d所示。
a 沖擊段
b 轉(zhuǎn)折區(qū)Ⅰ
c 轉(zhuǎn)折區(qū)Ⅱ
d 回彈段
從圖7光電纜鎧裝層應(yīng)力-時間曲線(100 kg海軍錨在3 m下落高度情況下,對于安放在粘土上的光電纜進行落錨試驗),可以發(fā)現(xiàn)3個階段的應(yīng)力變化。
圖7 光電纜鎧裝層應(yīng)力-時間曲線
由圖7可以看出,鎧裝層的應(yīng)力曲線經(jīng)歷了3個階段.
1)在開始撞擊的短時間內(nèi),材料發(fā)生彈性變形。
2)當達到材料屈服極限后,應(yīng)力減小、增加,處于屈服狀態(tài)。
3)由于船錨被彈開,鎧裝層的變形得到一定的恢復(fù),但由于發(fā)生了塑性變形,所以殘留有一定的殘余應(yīng)變,對應(yīng)也有著一定的殘余應(yīng)力,這是影響鎧裝層性能的主要因素。
2.3光電纜沖擊時應(yīng)力計算及損傷分析
2.3.1應(yīng)力計算
對安放在粘土上的光電纜鎧裝層從左到右等間距的提取5點,用100 kg的海軍錨,以3 m的下落高度撞擊光電纜,得到光電纜同一軸上均布點的應(yīng)力曲線如圖8所示,可以看出光電纜各點的應(yīng)力曲線趨勢基本一致,應(yīng)力大小及曲線幅值不同,最大應(yīng)力在250~350 MPa。
圖8 鎧裝層不同位置應(yīng)力曲線
2.3.2損傷分析
鎧裝層截面變形量曲線,鉛護套截面變形量曲線,不銹鋼截面變形量曲線,如圖9所示。
圖9 截面變形量曲線
由圖9可以看出,雖然鉛護套和不銹鋼結(jié)構(gòu)在電纜中位置不同,但由于在粘土底質(zhì)上,二者塑性變形都很小,所以電纜不同層截面的變形量變化趨勢基本一致,在撞擊開始是呈近似線性增加,之后有著一定的波動,而后隨著彈性恢復(fù)緩慢下降。
鎧裝層等效塑性應(yīng)變曲線,鉛護套等效塑性應(yīng)變曲線,不銹鋼等效塑性應(yīng)變曲線如圖10所示。
由圖10看出,電纜各層的塑性應(yīng)變先線性上升,而后隨時間保持一定值,之后再次增加至一定值后,保持穩(wěn)定,最終殘留有一定的塑性變形。
因此,從應(yīng)力、應(yīng)變、變形量的趨勢可以得出,光電纜的鉛套和不銹鋼管的變形情況可以通過外部鎧裝層的損傷變形推斷。另外,在不同位置,其應(yīng)力的大小及曲線的幅值是不同的,這說明在船錨撞擊海底電纜這一短暫的過程中,光電纜鎧裝層的不同位置,其所受到的力是不同的。在撞擊過程中,通過調(diào)整落錨高度來獲得不同的沖擊能量,而不同大小的錨撞擊面積不同,從而可以通過沖擊能量密度來表示電纜結(jié)構(gòu)損傷程度,落錨沖擊能量密度與鎧裝層截面變形的關(guān)系如表1所示。
表1 落錨沖擊能量密度與電纜鎧裝層損傷關(guān)系
2.3.3分析結(jié)論
1)殘余應(yīng)力對材料的性能有著至關(guān)重要的影響。
2)材料在作用過程中,特別是反復(fù)作用的情況下,其塑性應(yīng)變對材料性能影響較大。
3)對于復(fù)合纜,在船錨作用下其各個結(jié)構(gòu)層的截面都會發(fā)生一定的變形,通過分析變形量的大小,可以直觀感受其作用的劇烈性。
此次研究中主要通過判斷塑性應(yīng)變來評價損傷情況,塑性應(yīng)變是變形過程中產(chǎn)生的永久應(yīng)變,不會隨著載荷的卸載而消失,能夠反應(yīng)海底電纜的損傷情況。
3海軍錨撞擊光電復(fù)合纜的試驗研究
試驗選用100 kg和500 kg的海軍錨,海底光電復(fù)合纜型號為HYJQF41-F 12/20kV 3×50 mm2(銅芯交聯(lián)聚乙烯絕緣分相鉛護套粗鋼絲鎧裝防腐纖維外護層海底光電復(fù)合纜)。在室外空曠的非剛性地面,電纜自由鋪放在地面,啟動吊機將船錨提升至預(yù)定高度,調(diào)整船錨的空中位置,使得船錨底部正對光電纜的中心軸線。試驗人員通過遠程操作電動脫扣,使得船錨自由落下撞擊光電纜,完成船錨撞擊電纜的試驗(如圖11所示)。
圖11 撞擊試驗
試驗最開始在室外較松軟的粘土地面進行,船錨撞擊光電纜后,解剖發(fā)現(xiàn)100 kg海軍錨對電纜芯和光單元仍未造成足夠的損傷,500 kg海軍錨使得光纜被嚴重壓扁,但是電纜芯變形輕微。因此,需要增大底質(zhì)硬度。
選擇室外自然沉降的粘土為試驗地面,船錨由吊車吊起,分別從2、3、4 m的高度釋放,脫扣裝置使錨自由下落。100 kg海軍錨和500 kg海軍錨的撞擊數(shù)據(jù)如表2所示。試驗結(jié)束后,對試驗電纜進行交流耐壓試驗和局部放電試驗,并對電纜絕緣電阻進行測量,發(fā)現(xiàn)當電纜截面變形量超過9%時,試驗靈敏度超過電力電纜標準要求。
表2 室外粘土落錨撞擊數(shù)據(jù)
100 kg海軍錨撞擊后的電纜和解剖后的纜芯如圖12所示。電纜和光纜有一定撓度,表面完好,沒有壓扁。
a 電纜外部
b 解剖后纜芯
500 kg海軍錨從2 m落下,電纜和光纜產(chǎn)生一定撓度,光纜被壓扁,撞擊點處鎧裝凹陷明顯,如圖13所示。
a 電纜外部
b 解剖后纜芯
電纜底部是普通的室外自然沉降粘土地面,500 kg海軍錨下落3 m,電纜被明顯砸扁,鎧裝鋼絲變形嚴重,撕裂,隆起。電纜和光纜產(chǎn)生一定撓度,電纜被壓扁,最扁處外徑22.64 mm,而原來的直徑是31.9 mm,如圖14所示。
a 電纜外部
b 解剖后纜芯
電纜底部是普通的室外自然沉降粘土地面,500 kg海軍錨下落4 m,鋼絲變形明顯,電纜產(chǎn)生一定撓度。光纜偏心壓扁,呈尖銳的棱線,電纜也被擠出明顯的棱,如圖15所示。
a 電纜外部
b 解剖后纜芯
4結(jié)論
1)無論增加錨重,還是增加錨的下落高度,只要錨的沖擊能量增加,電纜結(jié)構(gòu)的變形就越嚴重。
2)在非剛性底質(zhì)上,不僅會有局部變形,還會在撞擊點附近產(chǎn)生整體變形。光芯撞擊后變形很大。同樣條件下,光單元比電單元更容易受撞擊影響。如果光電纜的截面變形超過9%,其光電性能將會受到影響。
3)試驗和數(shù)值分析表明,海底電纜受到船錨撞擊時,首先是鎧裝鋼絲層抵抗外力破壞,隨后撞擊作用力傳到鉛套和光單元的不銹鋼管,光電纜各層結(jié)構(gòu)變形趨勢一致。因此,可以從鎧裝的撞擊損傷判定內(nèi)部纜芯各層結(jié)構(gòu)損傷程度,便于工程人員直觀判斷電纜損傷情況。
4)在鋪設(shè)海底電纜時,若底質(zhì)較軟,可以自然鋪設(shè),若底質(zhì)較硬,應(yīng)在電纜上面采取適當?shù)谋Wo措施(例如拋石保護)。
5)本文只研究分析了非剛性底質(zhì)上海軍錨對海底光電復(fù)合纜結(jié)構(gòu)損傷的影響。在未來,還應(yīng)對不同底質(zhì),不同類型的錨和電纜進行試驗研究分析,以便更好地保護海底電纜,避免海底電纜受到破壞,影響海上油氣的運輸和生產(chǎn)。
參考文獻:
[1]陶新華.從海底光電復(fù)合纜的機械性能試驗看光單元內(nèi)鎧裝的必然性[C]// 第四屆中國通信光電線纜企業(yè)家高峰論壇.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]林開泉,王紅霞,劉紅亮,等.海底光纜錨害的有限元分析[J].電線電纜,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]司海寶,蔡正銀.基于ABAQUS建立土體本構(gòu)模型庫的研究[J].巖土力學(xué),2011,32(2):599-603.
[7]DNV-RP-F107[S].2010.
[8]任艷榮.ABAQUS軟件在管土相互作用中的應(yīng)用[J].中國海洋平臺,2007,22(4):48-51.
[9]費康.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社,2013.
[10]呂安強,李永倩,李靜,等.利用光纖應(yīng)變判斷光電復(fù)合光電纜錨害程度的有限元分析法[J].電工技術(shù)學(xué)報,2014(11):261-268.
[11]張旭.海底高壓光電復(fù)合纜故障仿真方法研究[D].保定:華北電力大學(xué),2013.
[12]張永澤,梁政,蔣發(fā)光,等.復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元分析強度判定方法[J].石油礦場機械,2009,38(5):5-8.
文章編號:1001-3482(2016)07-0019-08
收稿日期:①2015-11-30
基金項目:國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(51509258)①
作者簡介:王力平(1991-),男,重慶涪陵人,碩士研究生,主要研究方向為海洋油氣裝備技術(shù),E-mail:leeping425@163.com。
中圖分類號:TE952
文獻標識碼: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
專利項目:國家發(fā)明專利(201510358254.5)