海底脐带缆系统软件的设计与分析

王劭文　隋国荣

摘  要：海底脐带缆为海底设备提供必要的能源动力、传输状态控制信号以及注入相关化学药剂。在深海作用下，构件之间的非线性效应使脐带缆的设计和分析非常重要。在脐带缆的结构和力学分析等理论基础上，根据不同用途的脐带缆特性，通过基于软件编程，实现海底脐带缆分析和设计软件，可以实时显示截面图，并输出相关结构尺寸和电气参数特性，具有截面力学分析等功能。与国外同类软件设计结果相比，平均相差在5%以内，可以很好地满足国内生产实践和实际铺设的需求。

关键词：海底脐带缆;非线性效应;结构设计;力学分析;WPF编程

中图分类号：TP319     文献标识码：A

Design and Analysis of Submarine Umbilical Cable System Software

WANG Shaowen， SUI Guorong

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

wangsw28@163.com; suigr@163.com

Abstract： Submarine umbilical cable provides necessary energy and power， transmits the status control signals and injects the relevant chemicals for submarine equipment. Under the deep sea， the nonlinear effect between components makes the design and analysis of umbilical cable very important. Based on the theory of structural and mechanical analysis of umbilical cable， and the characteristics of umbilical cable for different purposes， the software for analysis and design is realized through software programming. The software can display the cross-section in real time， and output the relevant structural size and electrical parameter features. It has the function of cross-section mechanical analysis， etc. Compared with the same kinds of foreign software， the average difference is less than 5%， which can meet the needs of domestic production and the actual laying.

Keywords： submarine umbilical cable; nonlinear effect; structural design; mechanical analysis; WPF （Windows

Presentation Foundation） programming

1   引言（Introduction）

目前，深海油气资源开发采用水下生产系统技术，将海洋油气生产设备及辅助设施部分或者全部置于海底，完成自動采油、集油、输油生产等工作。其中，脐带缆被称作“水下生产系统的神经血脉”，是水上设备和水下系统子模块之间进行电力、信号、水压和化学物质等的传输媒介[1]。脐带缆是将电缆、光缆、钢管或软管中不同传输介质按一定方式组合的结构。为了保证抗拉伸能力和顺应性的要求，需要进行内部功能构件和加强构件的设计。近年来，Vaz[2-8]等国内外学者研究了相关的各种理论模型，开发了CableCAD、UmbiliCAD等建模分析软件，Flexcom、Orcaflex等整体分析软件和国内的“光电复合脐带缆”“水下生产系统脐带缆设计分析”等软件。因此脐带缆的专业设计分析软件，对我国脐带缆的自主设计与应用有重要的意义。

2  脐带缆设计理论分析（Theoretical analysis of umbilical cable design）

脐带缆的设计要求在正常使用年限内，可在标准温度区间有效储存和传输信号，服役期间可实现自身所有功能，如电缆可正常传送动力与信号，液压管道正常传递化学介质等。因此选择材料时，应当充分考虑海洋环境复杂性，尽可能提高抗腐蚀及防渗透能力。在此基础上，还要保证力学性能相关要求，可抵抗功能、环境、意外三种荷载。考虑到各种荷载工况要求，必须合理设计结构参数。水下生产系统从浅海进入深海时，脐带缆设计标准非常严格，特别是在抵抗自重影响方面，拉伸、弯曲、疲劳性能设计和失效分析。

2.1   失效分析

（1）拉伸失效：安装和在位使用过程中，因为脐带缆自重原因，导致顶部面临极高拉力荷载。特别是深水环境下，容易使脐带缆出现失效问题，必须侧重其拉伸性能的设计，给正常使用提供最大保障。计算过程中，须结合铺设与在位工况求出拉伸荷载。可利用式（1）与式（2）分别估算出拉伸荷载。

（1）

（2）

其中，m、H、G、分别为脐带缆湿重、水深、安装时接头端子重量和安全系数。

图1给出了拉力T（N）与应变关系示意图，可通过拉伸刚度K（N）来描述，当K（N）不断增大时，相同拉力时，总体变形并不明显，抗拉性能比较理想。所以评价结构拉伸性能设计时，须将K（N）作为一项关键性指标。处于深水环境下，拉伸荷载非常大，若K（N）较小，结构变形十分明显，容易带来变形失效问题。

（2）弯曲失效：对于脐带缆而言，储存、安装过程中应当置于卷盘处，故而要考虑柔性问题。通常来讲，其最小弯曲半径既要符合卷盘半径标准，又要维护安全系数合理性。另外，弯曲刚度应当处于正常区间以内，如果超过该区间，必定会给脐带缆储存、安装带来阻碍。而在位工况下，顶部和底部均需要承载弯曲荷载，所以，降低两处曲率荷载时，能够有效防止弯曲失效。动态脐带缆进行总体荷载分析时，必须利用弯曲刚度才能完成动态分析，这项参数与其曲线荷载响应、疲劳寿命两方面分析直接相关。对其总体荷载进行分析时，弯曲刚度是必不可少的输入参数，也是基础指标，用于评价结构弯曲性能设计质量与效果。

（3）疲劳失效：动态脐带缆弯曲性能非常理想，可以和浮式平台活动完美协调。另外，还能以不同线型形式布置于海洋环境下，充分展现其实用性与良好的应用效果。对比动态钢管立管不难发现，它更易弯曲，处于海洋环境中或浮体活动时，容易出现大幅变化，所以疲劳失效同样受到重视。对于动态脐带缆而言，浮体和缆体相连顶点、缆体和海底触地点、Wave或S型浮筒等处容易出现疲劳破坏。而浮体和缆体相连顶部处，既要考虑周期性波浪荷载和上部浮体活动，又要考虑拉伸和循环弯曲两种荷载作用，造成内部单元在交变应力影响下出现累积损伤，从而带来疲劳破坏问题。

根据脐带缆所有可能出现的失效模式与后果进行分析，按照深水动态应用基本特征，明确其控制失效模式，重点是拉伸、弯曲、疲劳失效。以此为前提完成截面结构设计，既能维护结构安全，又能更快满足设计规范。所以，在深水脐带缆截面设计过程中，应当按照首先是拉伸性能分析和设计，其次是弯曲性能分析和设计，然后是疲劳性能分析和设计，最后是布局分析和设计。设计阶段应当结合拉伸、弯曲刚度、疲劳寿命搭建最合理预测模型，制定脐带缆截面布局设计方案，通过科学分析更快完成设计，既要遵从经济性原则，又要达到安全标准，同时给后期优化创造前提条件。

2.2   截面布局设计

当水深增大时，动态脐带缆受到自重、海洋环境、上部平台活动影响，导致所受拉力、循环弯曲交变荷载不断升高。因为铠装钢丝结构呈螺旋缠绕形式，截面受到拉力荷载作用时，会对内部缆芯（由不同功能单元构成）施加径向压力P，见图2。

不仅如此，缆芯径向收缩量决定铠装钢丝拉伸性能，换言之，面对拉力时，随着径向变形不断增大，轴向伸长量也会随之增加，结构的抗拉伸能力下降。面对拉伸荷载时，铠装钢丝径向压力可通过式（3）计算，拉伸力可通过式（4）和式（5）计算，如下所示。

（3）

（4）

（5）

式中，、、与依次表示铠装钢丝的杨氏弹性模量、横截面积、直径与缠绕角;、依次表示缆体的轴向长度与伸长量;、依次表示钢丝的螺旋半径与径向变化量;、依次表示内核泊松比、弹性模量。

受到径向压力影响，脐带缆不同构件之间会出现挤压力，见图3，假设某层排布有各类构件：A为液压管道，B为电缆，C为光缆，D为填充。结合图例进行说明，第二层某液压管道不仅要承载一层、三层挤压力Fc-0、Fc-3，而且要承载层间构件挤压力Fc-1、Fc-2。而在缆体面临拉伸弯曲组合荷载后，滑动过程中，可通过式（6）求出摩擦应力、接触压力的关系，由此不难发现，如果构件之间挤压力达到一定程度，摩擦应力不断提高，脐带缆疲劳应力随之上升，最终缩短使用年限。

（6）

式中，μ0、μ1、μ2与μ3代表摩擦系数，At代表管道的截面积。

从相关规范来看，单元布局必须遵照最大化对称原则，但没有提供量化指标与方法，缺乏可执行性，在实践方面难以产生作用。具体设计期间，常常按照经验来处理，随意性非常明显。所以，应当基于定量分析设计单元布局，借此達到优化、改进目的。以对称原则为前提，必须保证截面变形及内部单元间挤压力得到有效控制。

3   系统设计与实验（System design and experiment）

3.1   设计流程

脐带缆的设计较为复杂，一般要经过反复地设计和修改。首先可根据项目功能需求，结合各构件的材料性能及工艺可行性先进行初步截面设计，然后对存储、安装、在位等工况进行力学计算，从而判断各单元结构尺寸和位置是否满足要求，并将力学计算中得出的最小弯曲半径、弯曲刚度等结果对初步截面设计结果进行校正，之后再进行力学计算，一直重复此过程，直到得到符合要求的结构设计。

脐带缆设计分析系统主要构建于WPF平台上，应用了WPF的绝大多数特性，如XAML语言、内容控件、布局、路由事件、依赖项属性、命令、资源等。其中XAML语言即可扩展应用程序标记语言，以.xaml扩展名。作为一种声明性标记语言，XAML结构清晰，调试方便。WPF中一般不使用基于坐标的布局，因为WPF使用的是矢量图形，窗口与分辨率无关，窗口中所有的元素均使用设备无关单位度量。这使得WPF的布局更加灵活，能够适应内容及各种窗口尺寸的改变。WPF中的内容控件非常灵活，嵌套功能较为方便。不仅布局包容器可以被嵌套，普通元素内部也可直接放置元素进行嵌套，包括布局容器、图片、矢量图形等。在WPF中，资源一般指对象资源和程序集资源。对象资源可实现WPF对象的重复使用，是重用WPF样式的基础。在重用资源或样式之前，需要先将资源字典添加到应用程序的资源集合中。WPF所提供控件都被设计成无外观的（Lookless），它们的外观是在控件模板（ControlTemplate）下单独定义的。使用新的控件模板代替默认模板，可以创建新的基本控件。在实际使用过程中，控件模板通常定义在样式中。通过WPF提供的样式、内容控件、触发器等特性，能够很大程度地减少手动创建新控件的情况。

3.2   功能模块设计

脐带缆设计分析系统按功能划分主要有三大功能模块，如图4所示分别是：几何结构设计模块、基本性能参数计算模块、力学计算模块。其中几何结构设计模块是软件的基础，几何结构设计模块的输出作为基本性能参数计算和力学计算的输入。几何结构设计模块进而细分为三个功能模块：交互性逐层设计功能模块，实时2D截面视图，实时3D实体视图。其中交互性逐层设计功能模块是整个软件的核心基础。该功能所依托的基础数据有基础单元库，组合单元模型库，材料库。基本性能参数计算模块包括计算脐带缆外径、脐带缆重量、脐带缆重量外径比、导体直流电阻、绝缘电阻、绝缘介电强度。力学计算模块包括钢（软）管分析模块和静态分析模块，其中静态分析模块主要负责计算静态力学参数。

3.3   实验设计与结果对比

用户界面的设计是对软件的操作逻辑、人机交互的整体设计，主要确定软件界面的逻辑结构、分类和层级关系等。脐带缆设计系统用XAML语言实现界面外观与交互，用C#编程语言实现了内部计算与逻辑控制，实现了界面显示和内部逻辑的分离。脐带缆设计系统的主界面窗口主要由菜单栏、功能区、2D绘图区、设计树、属性区、单元区和方案区组成，如图5所示。

利用构建的脐带缆设计分析系统结果与国外设计对比，如表1所示。

从上述结果可以看到，本文构建的脐带缆设计分析系统功能运行正常，能正确得到脐带缆结构设计的2D图和3D图，输出几何尺寸机构、重量表和电气参数表，得到的分析结果与国外设计各项参数基本吻合，结果最大相差10.5%，最小相差0.05%，实验综合平均相差5%，能达到对脐带缆进行初步设计的要求。

4   结论（Conclusion）

通过对国内外脐带缆的设计与分析，根据不同用途脐带缆的特点和产品现状，明确分析系统的功能需求，结合软件开发技术，对脐带缆基本组件建模，设计实现了同时具有结构模型丰富、分析功能完备、人机界面友好、自动化程度高等特点的脐带缆专业设计分析软件。系统基于WPF软件框架开发，可对脐带缆截面进行几何结构设计，实时显示二维截面示意图和三维实体，输出几何结构尺寸和电气参数等特性，并具有截面力学分析、重量成本分析等辅助分析功能，能够实现对脐带缆的初步设计。采用上述脐带缆设计分析系统对脐带缆进行了设计分析实验，并与国外设计各项参数进行了实例设计对比，结果最大相差10.5%，最小相差0.05%，平均相差在5%以内。结果表明，本文设计的脐带缆设计分析系统与国外设计结果基本吻合。

参考文献（References）

[1] 肖能.水下生产系统脐带缆截面设计与分析[D].辽宁：大连理工大学，2011.

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作者简介：

王劭文（1999-），男，本科生.研究领域：测试计量仪器与工程.

隋国荣（1974-），男，博士，副教授.研究领域：测试计量仪器与工程.