海纜鎧裝結(jié)構(gòu)錨固性能有限元分析

潘盼　蔡炳余　譚愛(ài)林　耿敏敏　朱曉光

摘要：

基于有限元顯式算法，通過(guò)預(yù)緊、加載載荷作用次序，研究海纜鎧裝層的錨固結(jié)構(gòu)在工作載荷和破斷力下的承載能力，并對(duì)影響錨固性能的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析.數(shù)值仿真結(jié)果顯示：在破斷力作用下，法蘭內(nèi)壁與鋼絲接觸位置產(chǎn)生明顯壓痕，鋼絲斷裂位置發(fā)生在鋼絲在錨固出口位置.增加錐形錨固的內(nèi)錐角可降低鋼絲軸向拉伸量，減緩法蘭的不利應(yīng)力.同時(shí).在較低摩擦因數(shù)下具有較大內(nèi)錐角的接頭盒依舊具有良好的機(jī)械性能.所設(shè)計(jì)的內(nèi)錐形錨固維修接頭盒能滿(mǎn)足施工過(guò)程中的最大拉伸載荷要求.

關(guān)鍵詞：

動(dòng)態(tài)海纜； 錨固性能； 鎧裝鋼絲； 接頭盒； 屈服應(yīng)力； 回歸周期； J管； 顯式算法

中圖分類(lèi)號(hào)： TB115.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract：

Based on the finite element explicit algorithm， the bearing capability of armor layers of submarine cable under both normal working and breaking loads are studied using pretightening and loadapplying sequentially， and the sensitivity of the parameters affecting the anchorage performance is analyzed. The numerical simulation results show that the obvious grooves occur on the contact location between flange inner wall and armor wires under the breaking loads and the wires is broken just at the exit position of anchorage. By increasing the inner cone angle of the flanges， the axial pulling stretch of the wires can be reduced， as well as the relaxing of the harmful stress. Meanwhile， with lower friction factor， the repair joint box with larger inner cone angle performs good mechanical properties. The inner cone anchorage repair joint boxes are capable to withstand the maximum pulling loads during the working process.

Key words：

dynamic submarine cable； anchorage performance； armor wire； repair joint box； yield stress； return period； Jtube； explicit algorithm

0引言

海纜是島嶼電力輸送和通信的最有效方式.隨著人類(lèi)在近海的活動(dòng)日益頻繁，海纜安全運(yùn)行受到嚴(yán)重的威脅.在1 000 m以下的深海海域，海纜的破壞主要為自然原因，包括海底地震、滑坡和洋流磨損等.在200 m以上的淺海域，海纜主要受到人為破壞，包括船只拋錨和漁網(wǎng)拖拽等.[1]另外，在海纜鋪設(shè)時(shí)若偶遇惡劣天氣，海纜被迫砍斷使施工船迅速駛離危險(xiǎn)海域，也會(huì)造成斷纜事故.[2]在海纜搶修時(shí)，需要采用維修接頭盒設(shè)備對(duì)鎧裝層進(jìn)行錨固，以傳遞海纜軸向拉力、保護(hù)纜芯.

在淺海區(qū)域，鉆井平臺(tái)通常為固定式，海纜由J形鋼管從海床上牽引至平臺(tái)頂部，并將鎧裝層進(jìn)行錨固，海纜芯再與平臺(tái)上的電器設(shè)備進(jìn)行接續(xù).這種該海纜通常為靜態(tài)纜，錨固承受較小的靜態(tài)拉伸載荷；當(dāng)應(yīng)用至深水和超深水時(shí)，平臺(tái)結(jié)構(gòu)為半潛式或張力腿式，作業(yè)用海纜采用動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，與平臺(tái)連接位置需要增加彎曲加強(qiáng)件、保護(hù)管等動(dòng)態(tài)防護(hù)設(shè)備并且錨固，其受到船體、波浪和洋流作用承受極為劇烈的疲勞載荷.[3]

鎧裝與錨固之間載荷的傳遞通常采用擠壓摩擦夾持方式，結(jié)構(gòu)分為錐形錨固和平板扣壓式.為驗(yàn)證有效性，出廠(chǎng)試驗(yàn)不可避免.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和模擬接觸行為有限元法的提出，數(shù)值仿真技術(shù)可充分模擬金屬結(jié)構(gòu)之間的接觸力學(xué)行為，為優(yōu)化錨固設(shè)計(jì)提供依據(jù).檢索資料發(fā)現(xiàn)，PATIL等[4]利用有限元軟件ANSYS模擬傳動(dòng)齒輪間的摩擦效應(yīng)，指出摩擦因數(shù)由0增到0.3，會(huì)導(dǎo)致接觸應(yīng)力增加10%.VIJAYWARGIYA等[5]采用有限元法模擬二維彈塑性圓柱接觸面相對(duì)滑移的能量損失，計(jì)算結(jié)果顯示摩擦因數(shù)的增加會(huì)加速接觸面的屈服破壞.MUIZ[6]采用非線(xiàn)性有限元法，基于彈塑性PrandtlReuss模型模擬矩形鋼板冷軋成型過(guò)程，得到控制冷軋接觸控制過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，降低冷軋調(diào)試時(shí)間，節(jié)約制作成本.KOMPERD[7]基于試驗(yàn)方法，驗(yàn)證動(dòng)態(tài)海纜中瀝青涂覆鋼絲鎧裝在較高溫度下，整根海纜具有更佳的拉彎承載能力.

本文依據(jù)某出口海纜維修項(xiàng)目，提取帶維修接頭盒海纜在正常施工和破斷試驗(yàn)階段的軸向拉伸載荷，研究海纜鎧裝層在錐形和平板扣壓2種錨固方式下的機(jī)械性能.

1計(jì)算模型

由中天科技海纜有限公司生產(chǎn)的維修接頭盒模型見(jiàn)圖1，包括不銹鋼材質(zhì)的接頭盒腔體、錨固及密封結(jié)構(gòu)、橡膠材質(zhì)彎曲加強(qiáng)件和穿插其中的雙層鎧裝海纜.其中：彎曲加強(qiáng)件可緩解剛性接頭盒兩端海纜過(guò)渡彎曲；錨固結(jié)構(gòu)通常采用錐形法蘭夾緊鋼絲，利用摩擦效應(yīng)阻止鋼絲滑脫，并將鋼絲各向載荷傳遞至不銹鋼接頭盒筒體上.該維修接頭盒密封性能可靠、安裝簡(jiǎn)便，已有大量工程應(yīng)用.

1.1錨固有限元模型

針對(duì)本項(xiàng)目維修接頭盒中采用的錐形錨固結(jié)構(gòu)，本文在成功利用有限元法分析相關(guān)機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，研究海上平臺(tái)上常用的另一種平板扣壓錨固結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行對(duì)比.2種錨固結(jié)構(gòu)的有限元模型見(jiàn)圖2.

1.2理論基礎(chǔ)

維修接頭盒錨固在拉伸載荷作用下的機(jī)械性能模擬過(guò)程基于顯式動(dòng)力計(jì)算程序LSDYNA，采用準(zhǔn)靜態(tài)方法，在計(jì)算過(guò)程中，可將載荷描述成與時(shí)間相關(guān)的量.

計(jì)算單元類(lèi)型采用8節(jié)點(diǎn)三維結(jié)構(gòu)單元SOLID164，錐形錨固結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)為198 896個(gè)，平板扣壓錨固結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)為265312個(gè).鎧裝鋼絲與法蘭之間接觸算法采用*AUTOMATIC_SURFACE_TO _SURFACE.[89]計(jì)算控制方程為

2施工過(guò)程載荷

采用專(zhuān)業(yè)海工計(jì)算軟件OrcaFlex對(duì)帶維修接頭盒海纜在鋪設(shè)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值仿真研究.OrcaFlex采用三維非線(xiàn)性時(shí)域有限元分析方法，可勝任柔性體由初始狀態(tài)向大變形轉(zhuǎn)化過(guò)程的模擬.其中：線(xiàn)、桿性體以集中質(zhì)量單元替代，可極大降低受力單元的數(shù)學(xué)方程，并能快速有效地將環(huán)境載荷和約束條件施加到纜線(xiàn)上.

本項(xiàng)目中海纜故障海域水深為80 m，選擇1 a回歸周期下的海洋環(huán)境，海面有義波高1.87 m，波峰周期為4.1 s，距海床1 m有效高度處洋流速度為0.38 m/s.施工船前行速度和布纜速度都為0.4 m/s，設(shè)定波浪和洋流方向與船行一致，動(dòng)態(tài)計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖3（展示施工船在10，90和180 s這3個(gè)時(shí)刻船行位置和維修接頭盒下降深度）.

3計(jì)算結(jié)果與分析

錨固校核過(guò)程分為2個(gè)階段：（1） 采用液壓油缸將錐形錨固中錐形法蘭頂緊，壓住鎧裝鋼絲，產(chǎn)生足夠壓力（或使用預(yù)警螺栓擰緊圖2b中的4層法蘭，產(chǎn)生足夠預(yù)緊力，夾緊各層鎧裝鋼絲）；（2） 將自由端鎧裝鋼絲終點(diǎn)所有節(jié)點(diǎn)自由度耦合，施加海纜工作拉力.整個(gè)過(guò)程中對(duì)最外層法蘭環(huán)進(jìn)行固定.

3.1工作載荷校核

將帶維修接頭盒的海纜在布放過(guò)程中錨固承受的最大拉力F=10.51 kN施加至內(nèi)外層鎧裝鋼絲上.2種錨固最大部件位移分別發(fā)生在最內(nèi)層和最頂部法蘭上.該位移主要是由夾緊過(guò)程中的液壓油缸和螺栓施加的預(yù)緊力（為緊固海纜鎧裝鋼絲）導(dǎo)致的.

錐形錨固中夾具和鋼絲在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力分布見(jiàn)圖5.其中夾具的最大應(yīng)力發(fā)生在法蘭邊緣和與鋼絲接觸的位置，應(yīng)力最大值為308.92 MPa，大于夾具材料的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明該處由于與鋼絲接觸，會(huì)發(fā)生凹槽.鋼絲的最大應(yīng)力同樣發(fā)生在與夾具接觸位置，應(yīng)力最大值為847.02 MPa，鋼絲會(huì)發(fā)生壓縮變形.

扣板的最大應(yīng)力為192.04 MPa，未屈服，發(fā)生在與鋼絲接觸位置.鋼絲的最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)層鋼絲的彎折處，約為660.34 MPa，局部發(fā)生屈服變形而不可恢復(fù)；而外層鋼絲彎折處的應(yīng)力僅為210.30 MPa，說(shuō)明2層鋼絲在工作過(guò)程中受力分布不均勻.

3.2破斷力校核

本項(xiàng)目中海纜設(shè)計(jì)破斷力為270 kN，本節(jié)采用相同的錨固內(nèi)錐預(yù)緊方式，將300 kN軸向拉力施加至2層鎧裝鋼絲上.對(duì)自由端所有鋼絲的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，提取鋼絲拉伸變形與載荷增量關(guān)系，見(jiàn)圖7.隨著拉伸載荷趨近破斷力，鋼絲進(jìn)入屈服狀態(tài)，錐形錨固結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的拉伸變形.而平板扣壓錨固拉伸變形較為平緩.

在

破斷力作用下，2種錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布見(jiàn)圖8和9.錐形錨固最外層法蘭受到最大的拉應(yīng)力，約為312.84 MPa，進(jìn)入屈服狀態(tài)，2層鎧裝鋼絲在錨固出口位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)層鋼絲，約為1 200 MPa.平板扣壓錨固中，扣板最大應(yīng)力發(fā)生

在與外層鋼絲接觸位置，最大值為242.69 MPa.2層

鋼絲都在折彎下邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，但是最大應(yīng)力發(fā)生外層鋼絲上，約為1 230 MPa.2種結(jié)構(gòu)失效位置都發(fā)生在鎧裝鋼絲應(yīng)力集中處，即鋼絲斷裂.

3.3敏感性分析

增大維修接頭盒內(nèi)錐形法蘭內(nèi)錐角，結(jié)合常規(guī)內(nèi)錐角設(shè)計(jì)，對(duì)比研究?jī)烧叩臋C(jī)械性能.同時(shí)分析錨固中鋼絲與夾具之間接觸的摩擦因數(shù)對(duì)拉伸性能的影響.

2種不同錐角錨固在破斷力270 kN拉伸載荷作用下組成單元的位移變化見(jiàn)圖10.較大內(nèi)錐角

中，最內(nèi)層錐形法蘭在相同工況下位移較大，然而該

隨著摩擦因數(shù)降低，較大錐角的錨固表現(xiàn)較好的承載能力，而常規(guī)錐角的錨固出

現(xiàn)過(guò)早滑脫現(xiàn)象，因此承載力較小.平板扣壓結(jié)構(gòu)錨固同樣具有較好的承載能力，當(dāng)摩擦因數(shù)降至0.15時(shí)，其承載力出現(xiàn)快速下降現(xiàn)象.

4結(jié)論

基于某海纜維修項(xiàng)目，采用有限元方法研究錨固結(jié)構(gòu)在工作載荷和破斷力作用下的承載能力以及影響錨固機(jī)械性能的因素，得到以下結(jié)論.

（1） 錐形和平板扣壓錨固設(shè)計(jì)都能滿(mǎn)足最大工作載荷，由于錐形錨固在安裝時(shí)被液壓油缸預(yù)緊，鋼絲和法蘭接觸表面產(chǎn)生較大應(yīng)力，生成壓痕.

（2） 在270 kN的破斷力作用下，錐形和平板扣壓錨固設(shè)計(jì)中鋼絲屈服斷裂都發(fā)生在錨固出口位置，且平板扣壓結(jié)構(gòu)中鋼絲拉伸變形量較小，扣壓平板法蘭變形較小.

（3） 具有較大內(nèi)錐角的錐形法蘭具有較好的承載能力，且在較低的摩擦因數(shù)下依然表現(xiàn)出較高的承載力.

（4） 錐形錨固滿(mǎn)足海纜快速搶修需求，平板扣壓錨固適合平臺(tái)軸向拉伸量較小的使用要求.無(wú)論哪種錨固設(shè)計(jì)，都應(yīng)增加法蘭與鋼絲接觸面的粗糙度，實(shí)現(xiàn)整體性能最優(yōu).

參考文獻(xiàn)：

[1]

WORZYK T. Submarine power cables： design， installation， repair， environmental aspects[M]. Berlin： SpringerVerlag， 2009.

[2]MATIS M S. The protection of undersea cables： a global security threat[D]. Carlisle： United States Army War College， 2012.

[3]GRYT S T G. Fatigue of flexible riser in bend stiffener area[D]. Trondheim： Norwegian University of Science and Technology， 2011.

[4]PATIL S， KARUPPANAN S， ATANASOVSKA I， et al. Frictional tooth contact analysis along line of action of a spur gear using finite element method[J]. Procedia Materials Science， 2014， 5： 18011809.

[5]VIJAYWARGIYA R， GREEN I. A finite element study of the deformations， forces， stress formations， and energy losses in sliding cylindrical contacts[J]. International Journal of NonLinear Mechanics， 2007， 42（7）： 914927. DOI： 10.1016/j.ijnonlinmec.2007.03.017.

[6]MUIZ A R. Nonlinear finite element method simulation and modeling of the cold and hot rolling processes[D]. Blacksburg： Virginia Polytechnic Institute and State University， 2007.

[7]KOMPERD M. On fiber optic riser cables sensitivity to the ambient temperature[C]// Proceedings of the 65th International Wire & Cable Symposium Conference. New Jersey， 2016.

[8]YU Y J， CHEN Z H， LIU H B， et al. Finite element study of behavior and interface force conditions of sevenwire strand under axial and lateral loading[J]. Construction and Building Materials， 2014， 66：1018. DOI： 10.1016/j.conbuildmat.2014.05.009.

[9]盧青針， 肖能， 閻軍. 鋼管臍帶纜彎曲剛度有限元分析[J]. 計(jì)算機(jī)輔助工程， 2011， 20（2）： 1619.

LU Q Z， XIAO N， YAN J. Finite element analysis on bending stiffness of steel tube umbilical cable[J]. Computer Aided Engineering， 2011， 20（2）： 1619.

[10]Lifting operations： VMO StandardPart25： DNVOSH205[S].

[11]Environmental conditions and environmental loads： DNVRPC205[S].

（編輯武曉英）