水下生产系统脐带缆初步结构设计

高 欢， 郭 宏， 孙科沸， 屈 衍， 郭 毅， 李 博

(1.上海电缆研究所，上海200093;2.中海石油研究中心，北京100027)

0 引言

脐带缆在海洋工程中已经应用了近50年。上世纪60年代采用直接液压控制形式，脐带缆全部由管道组成，横截面较大;到70年代，水下生产系统开始使用电液复合式，这时的脐带缆已经不再仅由管道组成，还包括了电缆和光纤等。根据工况的不同，脐带缆可以选用非金属管和不锈钢管作为工作液体的输送管道。目前，脐带缆已被成功地应用到浅水、深水和超深水领域，可以同时实现传输通信信号、电信号以及液体注入等，为水下开发和生产提供技术支持。

水下生产系统脐带缆的主要作用是连接上部模块与水下生产设施。脐带缆主要由电缆(动力缆或信号缆)、光缆(单模或多模)、液压或化学药剂管(钢管或软管)、聚合物护套、碳纤维棒或铠装钢丝以及填充物等组成。其中的聚合物护套可以起到绝缘和保护的作用;碳纤维棒或铠装钢丝可以增加轴向刚度和强度;填充物可以填充空隙和固定其它管线。

脐带缆的结构设计不只是简单地将各个单元罗列和排布，而应根据工程应用要求，同时考虑材料选择、结构分析、工艺设计、腐蚀性分析、热场分析和力学分析，是多学科的集合。其中力学分析尤为重要，力学分析包括强度分析、极端水动分析和疲劳分析等，需要运用专门的软件，如UFLEX、Aker Kvaerner等。力学分析和腐蚀性分析都比较复杂，本文不一一赘述。

1 国外脐带缆分析

经过近半个世纪的发展，国外脐带缆在设计、制造等方面都已经比较成熟，并且已有较为系统的研究成果和应用经验。以下通过对国外脐带缆的结构和材料的分析和总结，给水下生产系统脐带缆的设计提供一定的依据。图1为国外典型脐带缆结构。

从图1可以看出，国外脐带缆的结构纷繁多样，不同的使用环境和用途具有不同的结构，几乎没有统一的标准和式样。但一般而言，脐带缆由以下构件组成:电单元、光单元、管单元、填充物和包带、铠装层、护套等。下面分别介绍各构件的功能以及材料的选择。

2 初步结构设计原则

在工程应用中，脐带缆首先要考虑其功能要求，如输送能源，传输信号或输送液体;在此基础上保证满足力学性能和环境条件要求。脐带缆的受力状况包括敷设和在位过程中受到环境荷载和功能荷载的作用，甚至一些意外荷载的作用等;环境条件包括温度、日光和介质等。

图1 国外典型脐带缆结构

在对脐带缆的相关标准规范、应用实例等充分调研的基础上，借鉴国外水下生产系统脐带缆研究成果和应用经验，以典型海洋环境条件为基础数据，考虑水位、风、浪、流、温度等环境因素对脐带缆的影响，进行脐带缆的结构设计。脐带缆初步结构设计后还要进行整体分析和足尺试验，最终确定脐带缆结构。

3 脐带缆结构初步设计

脐带缆初步结构设计包括电单元、光单元、管单元和外护层设计。

3.1 电缆单元

电缆单元由导体、绝缘、填充和护套等组成。外护套宜采用挤压式挤出，以使结构稳定。图2为电缆单元结构示意图。

图2 电缆单元结构示意图

为使导体柔软且不易断裂，导体采用多股铜丝绞合而成。根据ISO 13628-5规定，如果采用绞合线，每根导线至少应由7股构成。

电缆通电以后，导体要发热，因此，比较理想的绝缘材料应有良好的绝缘性能和导热性能。目前常用的绝缘材料有聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)和交联聚乙烯(XLPE)。PVC是热塑性材料，机械性能在很大程度上取决于聚合物的结晶体。在电和热的作用下，尤其是电缆在过电流或短路故障时，温度升高可能使内部产生软化变形，导致绝缘性能降低。PE是一种热塑性塑料，耐水性、耐老化性能优良，但是随温度升高PE的击穿场强逐渐降低，当温度超过60℃后，其击穿场强急剧下降，并且温度的升高会降低PE的力学性能。XLPE是利用化学或物理方法，使PE分子由线性分子结构转变为主体网状分子结构，即热塑性的PE转变为热固性的XLPE，从而大大提高它的耐热性和机械性能，减少收缩性，使其受热后不再熔化，并保持优良的电气性能。与等截面的PVC绝缘电缆相比，XLPE绝缘电缆的截流量可提高约25%。

由于XLPE绝缘综合性能比PVC绝缘强，按照IEC 60502-2(ISO 13628-5引用了IEC 60502-2标准的条款)标准规定，允许XLPE绝缘的厚度比PVC绝缘的厚度薄，因此，XLPE绝缘电缆比PVC绝缘电缆重量轻，直径小，耐热好，负载能力强，不熔化，耐化学腐蚀，且机械强度高，安装敷设方便，附件接头简单，是比较理想的绝缘材料。

3.2 光缆单元

光缆单元一般由光纤、油膏、松套管、衬层、铠装和护套组成。图3为光缆单元结构示意图。

图3 光缆单元结构示意图

3.2.1 光纤、油膏及金属松套管

由于静态缆的长度常常在10 km以上，因而光纤采用非色散位移单模光纤(G.652D)。

油膏有以下几个作用:可以有效地阻止水份的进入，以防止光纤暴露于空气中受到损害;有较好的隔热作用，可以防止瞬间温度变化给光纤带来的损害;使光纤悬浮于钢管中，防止光纤受到钢管的损伤，且使光纤在任何时候保持稳定的位置和状态。但是油膏不能完全避免氢气的损害。光缆内的氢气可能来源于:从光缆构件中释放出来的氢，包括与材料长期老化作用有关的氢;填充油膏时泵入光缆中的压缩空气内含的氢;钢管在有潮气时的腐蚀作用产生的氢气;细菌引起的生物腐蚀等。因此，金属松套管内宜用吸氢油膏来有效降低氢损。

金属松套管多在要求高耐侧压、耐火或具有较强的耐腐蚀性的条件下应用，如光纤复合架空地线(OPGW)、耐火光缆和海缆等。金属松套管一般为不锈钢材带氩弧焊纵向焊接而成，管内含有阻水油膏和光纤，单管内光纤数量可达48芯，管内光纤余长不小于7‰。

3.2.2 光缆单元铠装及护套

ISO 13628-5:2000规定，光缆设计应提供防止光纤拉伸和断裂的机械防护，拉伸和断裂防护可采用外部铠装的方法。选用镀锌钢丝作为光缆单元铠装材料较为合适。在实际使用过程中为了光缆单元使用时不会退扭，采用双层镀锌钢丝反向绞合。

光缆护套是光缆单元的主要组成部分，其质量的好坏，选用的适当与否，直接影响光缆的使用寿命。在深水下工作的脐带缆的护套需有优异的防腐性能以及耐海水能力。由于高密度聚乙烯(HDPE)具有优良的耐臭氧性、耐热老化性与热变形性、耐寒性、耐酸性与耐碱性，且吸水量 ＜0.01%，因此HDPE适合作为光单元的护套材料。

3.3 管单元

3.3.1 钢管简介

管单元的作用是为水流体和化学注入流体(防腐剂、水合物抑制剂、甲醇等)提供通道，同时也被用于排泄井口产出的液体。

面对深水海水侵蚀、低温和外压的挑战，金属钢管由于其优良的抗压溃能力、抗海水侵蚀能力、优良的高低温力学性能、易加工性和易连接性，成为中等或更深的海水中应用的脐带缆管单元材料的理想选择。

在进行脐带缆内部钢管构件材料的设计时，应充分考虑到力学强度、海水腐蚀、焊接操作与价格等因素的影响，并基于这些要求进行材料设计。

目前，适合作为海底脐带缆金属管单元材料的不锈钢主要有316L、904L奥氏体不锈钢，SAF2205等双相不锈钢及超级双相不锈钢等。碳钢和低合金钢管需要大量的除锈剂冲洗，同时进行化学钝化处理，且钢管弯曲可能引起流体外溢。基于上述原因，碳钢和低合金钢用于水下生产系统脐带缆的管单元具有较高的风险，在不能提供良好的外防腐层和阴极保护的条件下，深水用脐带缆目前仍以不锈钢管为主，较少采用碳钢。

316L不锈钢的最大碳含量为0.03，其耐晶间腐蚀性能优良，但由于316L不锈钢在海水中有一定的使用限制，且耐缝隙腐蚀能力弱于成本接近的双相不锈钢，液压液和海水混合后也能够对316L不锈钢造成侵蚀，因此限制了316L在海底脐带缆中的大规模应用。

双相不锈钢是微观组织由铁素体和奥氏体两相组成的材料，两相各占约50%，因此，双相不锈钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。

双相不锈钢一般可分为三类:第一类低合金型，代表牌号UNSS 32304，钢中不含钼，点蚀系数PREN 24～25，耐应力腐蚀方面可代替AISI 304或是316使用;第二类中合金型，代表牌号UNSS 31803(即SAF2205)，点蚀系数PREN 32～33，耐蚀性能介于AISI 316L和6%Mo+N奥氏体不锈钢之间;第三类高合金型，一般含25%Cr(即SAF 2507)，可使用于苛刻的介质条件，具有良好的耐蚀与力学综合性能，可与超级奥氏体不锈钢相媲美。

基于上述分析，深水的脐带缆，其金属管单元应选用双相不锈钢为宜，既足以抵抗内部液压介质混入海水后的腐蚀，也足以抵抗外部海水侵蚀。在设计寿命20年、外部有 PE防腐层的情况下，选用25Cr超级双相不锈钢是可行的方案。

3.3.2 钢管壁厚设计

ISO 13628-5:2000规定，壁厚计算包括内外腐蚀余量，最小壁厚，最大内径，内、外最大允许管偏差，材料最小屈服强度。应力计算应同时考虑以下三向应力的组合:环向应力、轴向应力以及径向应力。由于管道内输送液体的距离较长，因此需要对液体施加很大的压力，一般在30 MPa以上，深海脐带缆常在数百甚至数千米水深中应用，管道在承受内部液体压力的同时也承受很大的外部压力，还要考虑功能和环境载荷对管道的作用，因此需进行管道内压、外压以及拉力等荷载作用下的应力计算。

(1)环向应力

式中，σh为环向应力;p为最大试验压力(为工作最大压力的1.25倍);D为钢管外径;t为钢管厚度。

(2)径向应力

内压、外压所分布的径向应力。考虑最大压力，见式(2)。

式中，σr为径向应力(MPa)。

(3)轴向应力

直接拉伸荷载产生的轴向应力，见式(3)

式中，σl为轴向应力;F为轴向拉力;A为钢管面积。

伸力主要由铠装钢丝承担，钢管也会承担一部分，但承担的比例随铠装钢丝绞合角度的变化而变化。

(4)等效应力-壁厚关系

管最小壁厚应考虑全部荷载下的等效应力，防止钢管的屈服。根据Von.Mises屈服准则，对正应力和剪应力进行组合，见式(4)。

式中，σe为等效应力。

将 σr、σl、σh的具体表达式代入式(4)，不难发现，最后σe的表达式中只有厚度t一个变量，两者的关系曲线见图4。

图4 等效应力-壁厚关系图

而等效应力须满足材料的要求，即:σe≤γσy。按照ISO 13628-5规定，等效应力设计系数γ取值如表1所示。

表1 γ取值表

不同材料的屈服强度σy值如表2所示。

表2 各种材料屈服强度取值表

根据表1(取保守系数0.67)与表2，用σe≤γσy可以得到等效应力的上限，再通过等效应力-壁厚关系图，便可得到钢管厚度应满足的范围。

3.4 脐带缆外护层

脐带缆外护层主要包括铠装和护套，铠装主要起加强作用，给脐带缆提供抗拉、抗扭和抗压保护。护套的作用是提供机械缓冲、减小摩擦，使缆圆整、结构稳定等。在深海下工作的脐带缆的护套需有很好的防腐性能以及耐海水能力等，可采用HDPE、改性的聚氨酯或尼龙等材料作为护套材料。

基于其他海缆和国外经验，可选用镀锌钢丝作为铠装材料。因为在被保护的钢丝表面，镀一层比基体钢丝电极电位更低的金属锌，不仅可使钢丝与电解质隔离，防止钢丝表面受化学腐蚀作用，同时起到电化学保护作用，保护基体。在海水中，高纯锌的稳定电位在－1.06 V(SHE)。锌的腐蚀与介质的pH值有关，当pH值小于6时，锌有较大的溶解速度。pH值在6～12之间时，锌的自溶性不大。当镀锌钢丝浸在pH值为7～9的海水中，热力学上唯一可能的过程是锌溶解成为氢氧化锌，它是不溶性的，集聚在锌的表面上，阻止了锌本身的溶解。在锌的表面上形成碳酸盐或硫化物，这些物质都会促成锌的钝化。

ISO 13628-5:2000规定，各铠装金属线所受拉力应均匀，当缆的拉力从零变到最大轴向工作载荷时，应限制其旋转，为了缆的设计寿命，铠装需提供必要的抗拉强度、轴向延伸率、弯曲韧性和重量。钢丝的具体力学性能见表3。

利用力学方法进行电缆的拉力计算较为复杂，式(5)给出了最小拉断力的简便计算式。允许的最大拉力的取值一般为最小拉断力的50%。

式中，F为抗拉力;A为所有抗拉元件的面积之和;E为抗拉强度;δ为系数，指光纤不受力时脐带缆的张力值达到拉断力的程度。

4 成缆及铠装绞合应注意的问题

成缆和铠装绞合都应在笼绞机上进行。笼绞也叫行星式绞合。钢管的最小弯曲半径要求比较大，因而放线盘直径一般在3 m以上。由于放线盘直径较大，成缆一般在立式成缆机上完成。铠装钢丝绞合除了要退扭，还要预成型(也称预扭)。预成型即钢丝在绞合之前先通过预成型装置而形成与缆芯外径相配的螺旋状。预成型后的钢丝再绞合到缆芯上便能与缆芯贴合得非常好，甚至锯开脐带缆端面都不会散开或轻微散开后能轻松复原。这一环节可有效避免脐带缆因反复弯曲和反复收放而产生的问题。对于双层铠装结构，铠装钢丝应一次性正反向同时绞合成型，以避免外层钢丝绞合时内层钢丝松散。

表3 钢丝力学及工艺性能

成缆或钢丝铠装绞合节距的选择比较重要，应同时考虑脐带缆的各功能元件的有效性、力学性能和工艺加工性能。节距的大小会直接影响脐带缆的整体拉伸刚度和弯曲刚度，从而也影响了抗拉强度和最小弯曲半径这两个重要的力学性能。另外，铠装钢丝可根据功能要求、设备能力(如盘数、盘径等)、钢丝强度以及绞合节距等来选择。两层铠装的根数和角度应使得缆尽可能保持扭转平衡，其中角度和根数应满足扭转平衡方程式(6)。

式中，1为内层;d为外层;n为根数;A为面积;R为绞合半径;S为屈服应力。

5 设计结果

脐带缆截面布局设计是一个循环往复的过程，需要反复设计和修改。首先根据所掌握的各构件的材料性能和功能要求以及各构件的工艺可行性进行初步的截面设计，然后根据实际工况要求进行力学计算，通过力学计算来初步判断各单元位置和结构尺寸是否符合力学要求，并利用力学计算中得出的外径重量比等参数，对初步截面设计进行修正，之后再进行力学计算，循环数次，初步得到符合要求的脐带缆的结构设计。脐带缆结构设计程序见图5。

图5 脐带缆结构设计程序简图

6 结束语

水下生产系统脐带缆的设计不是简单的功能单元的罗列，在符合性能要求和应用工况的前提下，应综合考虑材料选择、结构尺寸、生产工艺和力学性能等的相互关系，结合试验设计和试验验证，同时研究电、磁、热场以及腐蚀对脐带缆性能的影响，进而修改初步结构设计。当数据积累到足够多时，再进行结构、制造、敷设、运行和维护等仿真模拟技术的研究，最终形成整套解决方案。