海上風(fēng)電工程彎曲限制器受力特性數(shù)值模擬研究

徐海超，阮 建，趙 琳，張 雷，庫(kù) 猛，沈佳軼

(1.華能遼寧清潔能源有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110167;2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122;3.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；4.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

海底電纜是連接海上風(fēng)力發(fā)電平臺(tái)、海上升壓站以及陸上集控中心的重要媒介，是海上風(fēng)電工程重要組成部分。海底電纜從海床引入單樁或海上升壓站時(shí)，會(huì)產(chǎn)生懸跨段，在波浪流的作用下可能造成電纜發(fā)生過(guò)度彎曲，引起應(yīng)力集中導(dǎo)致纜線破壞[1]。目前，海上風(fēng)電工程常采用樁身開(kāi)孔的方式引入海纜進(jìn)入塔筒內(nèi)，為了防止海纜在樁身開(kāi)孔處發(fā)生過(guò)度彎曲，工程上普遍采用彎曲限制器對(duì)海纜進(jìn)行保護(hù)[2]。彎曲限制器由多個(gè)連鎖元件組成，當(dāng)海纜受彎時(shí)，荷載傳遞到彎曲限制器上，限制器各元件相互連接、鎖在一起，形成一個(gè)平滑的彎曲半徑，即鎖緊半徑，防止其過(guò)度彎曲[3]。

樁身開(kāi)孔位置會(huì)影響海纜懸跨分布，進(jìn)而影響彎曲限制器的受力情況[4]。目前，彎曲限制器的研究大多集中在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化以及在自重條件下彎曲限制器的受力特性。安世居等[5]對(duì)彎曲限制器的材料特點(diǎn)及選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造加工工藝及測(cè)試方法進(jìn)行了研究；張崎等[6]通過(guò)進(jìn)化策略的優(yōu)化方法對(duì)防彎器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；孫元鵬等[7]研究了重力荷載條件下聚氨酯材料的幾何非線性大變形及彎曲限制器互鎖元件之間的接觸非線性對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。而彎曲限制器在實(shí)際工況下的應(yīng)力特征，以及樁身開(kāi)孔位置對(duì)彎曲限制器應(yīng)力的影響還未系統(tǒng)研究。

本文以大連市某海上風(fēng)電場(chǎng)海纜鋪設(shè)工程為研究背景，建立海底電纜-樁基-彎曲限制器的ABAQUS數(shù)值模型，分析彎曲限制器在實(shí)際工況下的應(yīng)力特征，開(kāi)展樁身開(kāi)孔位置對(duì)彎曲限制器受力特性的研究，以期為海上風(fēng)電場(chǎng)樁身開(kāi)孔設(shè)計(jì)及彎曲限制器對(duì)海纜的保護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 彎曲限制器

大連市某海上風(fēng)電場(chǎng)35 kV海纜鋪設(shè)工程采用美國(guó)石油學(xué)會(huì)API RP 17L2規(guī)范[8]中提到的典型聚合物彎曲限制器，如圖1所示。彎曲限制器由多個(gè)相同構(gòu)造的互鎖元件組成，每個(gè)彎曲限制器原件由2個(gè)半瓦狀的彎曲限制器單元通過(guò)螺栓緊固在一起。在受到外力作用時(shí)，彎曲限制器會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角與位移，從而使部件之間相互鎖死，形成有固定半徑(≥海底電纜的最小彎曲半徑)的鎖死形態(tài)，防止海底電纜進(jìn)一步彎曲而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞[9]。典型聚合物彎曲限制器的幾何尺寸如圖2所示。

圖1 典型聚合物彎曲限制器

圖2 典型聚合物彎曲限制器幾何尺寸[8](單位：m)

2 彎曲限制器數(shù)值模型

2.1 模型介紹

海底電纜在水下的實(shí)際工況有2種，即安裝工況和在位運(yùn)行工況[10]。安裝工況為一端固定在海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)開(kāi)孔處，另一端由鋪纜船牽引鋪設(shè)(見(jiàn)圖3a)；在位運(yùn)行工況為一端固定在樁身開(kāi)孔處，其余電纜放置于海床之上(見(jiàn)圖3b)。

圖3 海底電纜在水下的實(shí)際工況

本文根據(jù)海底電纜在水下的2種實(shí)際工況建立數(shù)值模型，分析彎曲限制器在實(shí)際工況下的應(yīng)力特征以及樁身開(kāi)孔位置對(duì)彎曲限制器應(yīng)力分布的影響規(guī)律。

2.2 海底電纜-樁基-彎曲限制器數(shù)值模型

基于有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值模型，模型如圖4所示，為方便顯示，圖4中模型在y方向縮放系數(shù)為0.5。

圖4 彎曲限制器數(shù)值模型

圖4中建立了海床土體、海底電纜、樁身以及彎曲限制器的數(shù)值模型，彎曲限制器長(zhǎng)度為7.2 m，海底電纜長(zhǎng)度20 m。模型中給樁身賦予向上的位移，模擬在位運(yùn)行工況下海纜穿孔樁身時(shí)彎曲限制器的受力，隨后將放置于海床上的海纜自由端緩緩提起至15 m(項(xiàng)目所在場(chǎng)址水深13～17 m)，分析彎曲限制器在安裝工況下的應(yīng)力特性。模型中各個(gè)模塊的參數(shù)選取如表1所示。

表1 數(shù)值模型參數(shù)選取

3 彎曲限制器數(shù)值模擬結(jié)果與討論

3.1 安裝工況下彎曲限制器受力特征

圖5為安裝工況下，樁身開(kāi)孔高度4 m時(shí)，彎曲限制器的等效應(yīng)力分布云圖。選取圖5中彎曲限制器元件1進(jìn)行分析，此時(shí)彎曲限制器元件1上部受拉(A處)，下部受壓(B處)。

圖5 安裝工況下彎曲限制器應(yīng)力云圖

圖6為彎曲限制器局部的應(yīng)力分布曲線(圖5中元件1的A、B處)。由圖6可知，彎曲限制器所受拉力(A處)要大于所受壓力(B處)，這種現(xiàn)象在彎曲限制器其他部位也有顯示，例如圖5中元件2、3、4。此外，分析圖5應(yīng)力峰值出現(xiàn)的位置發(fā)現(xiàn)，對(duì)于A處，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在約為0.047 m的位置，該位置為彎曲限制器元件頭部拐角處(圖2中黑色圓圈標(biāo)識(shí))是容易出現(xiàn)拉裂破壞的位置；對(duì)于B處，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在約為0.086 m的位置，該位置受到前方彎曲限制器元件尾部的擠壓(圖5中元件1B處)。

圖6 彎曲限制器局部應(yīng)力分布曲線

由圖5和圖6可知，彎曲限制器元件在受到電纜傳遞過(guò)來(lái)的荷載時(shí)，元件所受拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力，拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在彎曲限制器元件頭部拐角處。因此，在彎曲限制器受荷時(shí)，元件頭部拐角處是最危險(xiǎn)的位置。選取每個(gè)彎曲限制器元件最大應(yīng)力位置作為研究對(duì)象，生成每個(gè)元件最危險(xiǎn)受力點(diǎn)的應(yīng)力分布曲線，如圖7所示。

圖7 彎曲限制器各元件最大拉應(yīng)力值分布

圖7中橫坐標(biāo)為彎曲限制器位置，表示該處與單樁的水平距離，可以看出靠近樁身開(kāi)孔位置的彎曲限制器元件受力更大，最大值為2.57 MPa。這是因?yàn)榭拷鼧渡黹_(kāi)孔位置的海纜發(fā)生更嚴(yán)重的剛性突變，產(chǎn)生的彎曲程度更大，傳遞到彎曲限制器的荷載就越大，造成了該處彎曲限制器受到更大的應(yīng)力。彎曲限制器元件所受應(yīng)力隨著距離的增大迅速減小，并維持在0.5 MPa左右。

3.2 在位運(yùn)行工況下彎曲限制器受力特征

圖8為樁身開(kāi)孔高度為4 m時(shí)，在位運(yùn)行工況下彎曲限制器的應(yīng)力分布云圖。由圖8可知，該部分彎曲限制器元件上部為受拉狀態(tài)，下部為受壓狀態(tài)，且可以在應(yīng)力云圖中得出元件受拉邊的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在元件頭部拐角處，這與安裝工況下彎曲限制器的受力特征一致。在位運(yùn)行工況下彎曲限制器所受最大應(yīng)力為3.79 MPa，高于安裝工況下的2.57 MPa。同時(shí)，觀察圖8彎曲限制器每個(gè)元件的應(yīng)力云圖，可得靠近樁身開(kāi)孔位置的元件受力更大，遠(yuǎn)離樁身開(kāi)孔位置的元件受力更小，這與安裝工況下彎曲限制器的受力特征也相應(yīng)一致。

圖8 在位工況下彎曲限制器應(yīng)力云圖

3.3 樁身開(kāi)孔位置對(duì)彎曲限制器應(yīng)力的影響

樁身開(kāi)孔高度一般在泥面以上2～4 m，分析樁身開(kāi)孔位置對(duì)彎曲限制器元件最大受力點(diǎn)(圖2中黑色圓圈標(biāo)識(shí))的影響規(guī)律。圖9為在位運(yùn)行工況和安裝工況下，彎曲限制器最大受力點(diǎn)的應(yīng)力隨樁身開(kāi)孔高度的變化曲線。

圖9 不同開(kāi)孔高度下的彎曲限制器最大拉應(yīng)力

由圖9可知，在位運(yùn)行工況下，彎曲限制器最大拉應(yīng)力總是大于安裝工況，隨著樁身開(kāi)孔高度的不斷增大，2種工況下元件最大拉應(yīng)力逐漸增大，但是安裝工況下拉應(yīng)力增大更為顯著。在位運(yùn)行工況下，樁身開(kāi)孔高度從2 m增大到4 m時(shí)，彎曲限制器應(yīng)力從1.54 MPa增大到3.79 MPa，增大了146.1%；安裝工況下，彎曲限制器應(yīng)力從0.44 MPa增大到2.57 MPa，增大了484.09%。因此，樁身開(kāi)孔高度對(duì)彎曲限制器應(yīng)力的影響非常明顯，尤其是安裝工況下。

4 結(jié) 論

本文基于ABAQUS有限元軟件建立了海底電纜-樁身-彎曲限制器的數(shù)值模型，研究了彎曲限制器在海纜安裝工況和在位運(yùn)行工況下的應(yīng)力特征，分析了樁身開(kāi)孔高度對(duì)彎曲限制器應(yīng)力的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)采用樁身開(kāi)孔引入海纜接入塔筒，彎曲限制器元件受到的拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力，元件頭部拐角處受到拉應(yīng)力最大，是最危險(xiǎn)的位置。

(2)海纜安裝工況和在位運(yùn)行工況下，靠近樁身開(kāi)孔位置的彎曲限制器受力更大，該處海纜產(chǎn)生更嚴(yán)重的彎曲，傳遞到彎曲限制器的荷載就越大。

(3)隨著樁身開(kāi)孔高度的增加，彎曲限制器的應(yīng)力相應(yīng)增大，在位運(yùn)行工況下彎曲限制器最大拉應(yīng)力總是大于安裝工況，但是安裝工況下彎曲限制器最大拉應(yīng)力受樁身開(kāi)孔高度的影響更為顯著。