集束動態(tài)海纜的極值分析和疲勞分析

江俊達， 李 陽， 郭 宏， 石 涵， 石 云， 李 博， 袁振欽， 李居躍

(1. 中海石油(中國)有限公司深圳分公司，深圳 518000；2. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；3. 江蘇亨通高壓海纜有限公司，南通 215000)

0 引 言

南海某油田的水深約為400 m，采用FPSO和水下系統(tǒng)結(jié)合開發(fā)的方式。為了給水下系統(tǒng)供電，需一根電壓等級為6/10 kV的集束動態(tài)海纜連接FPSO和水下設(shè)備。

懸掛在FPSO上的集束動態(tài)海纜會受到船體、波浪及海流的綜合作用，引起的動態(tài)張力和曲率將在整個生命壽命周期內(nèi)一直存在電纜中。因此，極限張力、曲率和疲勞損壞是動態(tài)纜的主要關(guān)注點。為了驗證臍帶纜的安全性，需要進行整體分析，主要目標(biāo)是獲得極端海況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和長期作業(yè)海況下的疲勞壽命。

研究人員已經(jīng)研究了整體分析方法。DNV OS F201[1]建議考慮極端載荷情況。Liu等[2]通過規(guī)則波方法分析了動態(tài)海纜的極限響應(yīng)，并根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)評估了結(jié)果。Andreassen[3]通過隨機波理論[4]進行了動態(tài)海底電纜的非線性時域分析，回歸周期中的極值由隨機理論預(yù)測[5]。傳統(tǒng)的波致疲勞分析方法主要依據(jù)名義應(yīng)力和線性損傷累積理論進行。但基于由長期監(jiān)測和統(tǒng)計獲得的波散圖并采用隨機波分析方法是非常低效的。針對該問題，后來開發(fā)了基于規(guī)則波疊加的疲勞分析方法。S?dahl等[6]研究了基于離散規(guī)則波的疲勞壽命評估方法，該方法提高了疲勞分析的效率。Asyikin等[7]研究了動態(tài)光纜的極限和疲勞狀態(tài)。Flexcom、 Riflex和Orcaflex等商業(yè)軟件已被開發(fā)為動態(tài)海底電纜總體分析的有效工具[8-10]。

本文采用Orcaflex和Uflex對集束動態(tài)海纜進行分析?？紤]極端工況和孤立工況，評估極限張力、曲率和疲勞損傷。結(jié)果表明，該動態(tài)纜滿足極限強度和疲勞壽命要求。

1 集束動態(tài)海纜截面

集束動態(tài)海纜截面如圖1所示。在截面中布置了兩層鎧裝鋼絲。

圖1 動態(tài)電纜橫截面示意圖

Uflex是由SINTENF開發(fā)的、用于復(fù)雜臍帶纜截面非線性應(yīng)力分析的軟件。集束動態(tài)海纜的截面機械性能計算結(jié)果如表1所示。

表1 集束動態(tài)海纜截面機械性能

(續(xù) 表)

從Uflex獲得的集束動態(tài)海纜的拉彎能力曲線如圖2所示。曲率拉力曲線的計算基于鎧裝鋼絲的屈服強度。鋼絲的屈服強度設(shè)為其極限強度(400 MPa)的90%，即360 MPa。對于正常操作工況，鋼絲利用率為0.67，即許用強度為241.2 MPa。對于極限操作工況，鋼絲利用率為0.85，即許用強度為306 MPa。

圖2 動態(tài)海纜的曲率拉力曲線

2 整體線形和附件

南海的惡劣環(huán)境條件對電纜的整體設(shè)計具有挑戰(zhàn)性?？紤]FPSO偏移較大，選用順應(yīng)波線形，如圖3所示，上浮段采用分布式浮塊，而在觸地點附近通過Tether(錨鏈)將海纜與重力錨固定。分布式浮塊尺寸如圖4所示。為了避免電纜在觸底點處大幅運動，電纜通過Tether固定在海床上，如圖5所示。

圖3 緩波線形

動態(tài)海纜總長度為940 m，懸掛點與海底終端之間的水平距離為680 m。各段線形參數(shù)如表2所示。

表2 動態(tài)海纜線形參數(shù)

防彎器安置于動態(tài)海纜頂部連接處，用于保護動態(tài)海纜，避免其過彎造成破壞。采用的防彎器尺寸參數(shù)如表3所示。

表3 彎曲加強器參數(shù)

浮塊如圖4所示，關(guān)鍵參數(shù)如表4所示。

圖4 浮塊

表4 浮塊關(guān)鍵參數(shù)

用于動態(tài)海纜的Tether如圖5所示，關(guān)鍵參數(shù)列于表5中。

表5 錨鏈關(guān)鍵參數(shù)

圖5 用于動態(tài)海纜的Tether

3 分析模型和載荷情況

FPSO采用完整系泊，工況如表6所示。

表6 設(shè)計工況

Orcaflex用于動態(tài)分析和靜態(tài)分析。靜態(tài)分析用于確定動態(tài)海纜的靜態(tài)線形配置，動態(tài)分析用于研究動態(tài)海纜的動態(tài)響應(yīng)。

采用壓載、滿載條件下的RAO結(jié)合VESSEL單元模擬FPSO。采用防彎器和分布式浮塊的LINE單元模擬動態(tài)海纜。Orcaflex模型如圖6所示。

圖6 動態(tài)海纜的Orcaflex模型

4 分析方法和接受準(zhǔn)則

動態(tài)分析考慮船體不同偏移和不同方向的環(huán)境載荷條件下的動態(tài)海纜的總體響應(yīng)。將遵循以下步驟對鎧裝鋼絲進行疲勞分析：

(1) 選擇海況，必須確保所選海況具有代表性。

(2) 根據(jù)設(shè)計基礎(chǔ)，將波浪散布圖劃分為若干典型塊。

(3) 使用適當(dāng)?shù)能浖?gòu)建有限元模型，并基于上述設(shè)計工況進行動態(tài)分析。

(4) 采用規(guī)則波進行疲勞分析，假定在海況持續(xù)時間內(nèi)，波浪均按最大波浪處理。

(5) 提取關(guān)鍵位置，如懸掛處、上浮段，確定觸底點的拉力時程和曲率時程。

(6) 建立局部有限元模型，計算上述拉力和曲率作用下鎧裝鋼絲和導(dǎo)體銅絲的應(yīng)力。

(7) 根據(jù)S-N曲線，采用Miner線性累積法計算疲勞壽命，如果有需要則采用平均應(yīng)力修正。

計算疲勞壽命時需進行平均應(yīng)力修正，采用Gerber算法進行修正，表達式如下：

所有海況下的加權(quán)疲勞損傷累積如下：

式中：DL為累計長期疲勞損傷，對應(yīng)的疲勞壽命為TL=1/DL;Di為第i個海況作用下的短期疲勞損傷；Pi為第i個海況的發(fā)生概率；NB為海況數(shù)。

根據(jù)ISO 13628-5，采用10倍的安全系數(shù)。海纜的設(shè)計壽命為20年，則其疲勞壽命為200年。所有工況下的主要計算結(jié)果均需經(jīng)過驗證，主要考察以下幾項參數(shù)：

(1) 最大頂部張力。

(2) 最小觸地點張力。

(3) 觸地點處的最小彎曲半徑。

(4) 錨鏈連接點處的最小彎曲半徑。

(5) 拉彎能力曲線。

(6) 錨鏈張力。

5 分析結(jié)果

考慮波浪、海流、FPSO運動對海纜的作用，進而對海纜與FPSO連接時的極端載荷進行評估。經(jīng)過不同組合，最后需對96種工況進行分析。典型的整體分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 動態(tài)臍帶纜的總體分析結(jié)果

5.1 最小彎曲半徑

較小的彎曲半徑將引起海纜組件上的塑性變形和屈曲。海纜的主要設(shè)計準(zhǔn)則之一就是最小彎曲半徑要求。動態(tài)海纜在各工況下的彎曲半徑應(yīng)該大于其最小彎曲半徑。關(guān)鍵的彎曲半徑計算結(jié)果總結(jié)在圖8中。

圖8 動態(tài)海纜彎曲半徑分析結(jié)果

5.2 最大頂部張力

動態(tài)海纜由于其自重而具有較高的頂部張力，而FPSO的位置偏移會使頂部張力進一步增加。為了避免張力超過最小破斷力，頂部張力是另一個主要設(shè)計準(zhǔn)則。整體分析得出的最大有效張力計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 動態(tài)海纜頂部張力分析結(jié)果

5.3 沿海纜最小張力

海纜抗軸向壓縮能力較差，一般來說要保持海纜在使用過程中所受軸向載荷為正值。沿著電纜的最小張力如圖10所示，沒有在結(jié)果中發(fā)現(xiàn)壓力。

圖10 動態(tài)海纜最小張力分析結(jié)果

5.4 拉彎組合分析

沿纜長0.4 m、 1 m、 620 m和觸地點處的拉彎分析結(jié)果匯總?cè)鐖D11和圖12所示。

圖11 操作工況下拉彎分析結(jié)果

圖12 極限工況下拉彎分析結(jié)果

5.5 疲勞分析結(jié)果

整體分析顯示，大拉力和大曲率發(fā)生在電纜的上部，因此在上部被彎曲限制器保護的纜上選擇七個點，同時選擇下部纜段的三個點來考察對應(yīng)的疲勞損傷。整體線形和疲勞分析的關(guān)鍵點如圖13所示。

圖13 疲勞分析關(guān)鍵點示意圖

使用Uflex進行詳細(xì)的局部結(jié)構(gòu)分析。拉伸和彎曲組合載荷下的典型應(yīng)力分布如圖14～圖17所示。

圖14 Uflex中海纜截面的有限元模型

圖15 所有疲勞工況下內(nèi)層鎧裝鋼絲的應(yīng)力幅結(jié)果

圖16 所有疲勞工況下外層鎧裝鋼絲的應(yīng)力幅結(jié)果

圖17 所有疲勞工況下銅導(dǎo)線的應(yīng)力幅結(jié)果

圖18和圖19顯示了動態(tài)海纜鎧裝鋼絲的疲勞壽命分析結(jié)果。圖中包含了所有的鎧裝鋼絲的疲勞分析結(jié)果。結(jié)果表明，所有鋼絲和銅絲都具有超過運行20年的疲勞壽命。

圖18 外層鋼絲疲勞壽命分析結(jié)果

圖19 內(nèi)層鋼絲疲勞壽命分析結(jié)果

圖20 導(dǎo)體銅絲疲勞壽命分析結(jié)果

6 結(jié) 語

根據(jù)分析結(jié)果，集束動態(tài)海纜滿足南海某油田項目的運行、極限和生存工況的接受準(zhǔn)則。對以下分析結(jié)果進行了驗證：

(1) 最小彎曲半徑。

(2) 最大頂部張力。

(3) 最小張力。

(4) 曲率、張力響應(yīng)。

(5) 疲勞損傷。

在極值分析中考慮了規(guī)則波和浮體運動激勵的影響。極值分析的接受準(zhǔn)則用集束動態(tài)海纜的拉彎能力曲線表示。在所有工況中，結(jié)果均以利用率表示，一切結(jié)果都滿足接受準(zhǔn)則。