J形保护管距海底泥面高度对海底电缆强度的影响

郝 林, 胡 军, 陶海成, 张少洋, 曹宏远

(中海油安全技术服务有限公司, 天津 300457)

0 引 言

根据国际电缆保护委员会(International Cable Protection Committee，ICPC )的相关统计数据，海底电缆的危害因素分为3个类别：外部人类活动、自然灾害和自身组件失效。虽然外部人类活动，如渔业活动、拖锚等造成的破坏所占比例最高，但海底侵蚀、地震、波浪海流等自然环境因素也造成了相当数量海底电缆的失效。目前，随着全球经济一体化的快速发展和新技术应用实践的不断推进，我国海底电缆敷设规模持续扩大，但仍存在海底电缆管道保护法律法规制度不健全、安全隐患问题突出、信息共享机制不畅等问题，进而造成海底电缆失效事故[1-2]。

从海底电缆结构本体失效角度分析，影响其结构强度的关键指标为最小弯曲半径和最大工作张力，在波浪海流作用下，一旦超过其许用值将发生破坏。为防止海底电缆在波浪海流载荷作用下产生移动变形，在海洋平台设计阶段，依据平台结构和海底电缆尺寸设计J形保护管。目前，在海底电缆的强度计算方面，主要侧重于敷设时的受力分析[3-6]和弯曲保护分析[7]。对于J形保护管底部的喇叭口距海底泥面距离无具体的高度要求。若喇叭口距泥面高度过高，海底电缆出泥后至喇叭口的长度较大，波流载荷增大；若喇叭口距泥面高度过低则影响施工安装。同时，为进一步保障海底电缆的稳定，通常通过抛砂袋的方式为海底电缆提供支撑保护，避免发生悬空。但在平台投产后，仍存在底部局部冲刷风险，局部冲刷会导致喇叭口与泥面距离增大，同时又改变海底电缆出泥点位置，对海底电缆的结构强度造成影响。由于与原设计条件发生较大偏差，对正常安全生产产生较大影响，因此需要基于水下探摸结果，结合J形保护管距海底泥面高度，分析不同冲刷程度，即不同海底泥面高度的J形保护管对海底电缆结构强度的影响。该评估方法可供平台设计阶段优化J形保护管距海底泥面高度及明确冲刷深度标准提供依据。

1 海底电缆系统概述

1.1 整体构型

J形保护管通过管卡固定于海洋平台，渤海某平台J形保护管的结构形式如图1所示。喇叭口使套管接口向外翻，防止穿线时金属套管划破海底电缆的绝缘层。弯管部分使海底电缆由水平方向过渡到垂直方向，同时满足海底电缆曲率半径的要求。设计阶段喇叭口中心至海底泥面高度为0.678 m，经计算，喇叭口最下端至海底泥面高度为0.315 m。

单位：m图1 J形保护管结构尺寸形式

某年度在进行外部勘察时，按规范要求对平台桩腿位置的电缆护管进行探摸调查，此时水深为5.3 m。卡子外观良好，未见变形，未见机械损伤，弯头底部悬空约110 cm，沿管线向前到达喇叭口，此处底部悬空约1.0 m，向前1.0 m海底电缆悬空约0.8 m，电缆距喇叭口5.0 m的位置入泥，如图2所示。由此可知，在生产运行阶段，局部冲刷导致海底电缆发生悬空，其在位状态与设计阶段发生较大偏差，局部冲刷深度达0.685 m。

图2 海底电缆悬空情况

海底电缆一端为入泥点，另一端悬挂在电缆保护管上端，不同构型在波流载荷作用下导致不同的弯曲半径和张力。根据图2，喇叭口距海底泥面高度及喇叭口至入泥点的长度决定海底电缆的构型，J形保护管内海底电缆的长度计算结果如表1所示。

表1 J形保护管内海底电缆长度

1.2 海底电缆参数

海底电缆用于强度分析的相关参数如表2所示。

表2 电缆参数

1.3 环境参数

该海域环境参数如表3所示。

表3 波浪海流参数

2 计算模型

采用Orcina公司三维非线性时域有限元软件OrcaFlex进行建模计算分析。在OrcaFlex中先开展静态分析，静态分析有2个目标：(1)确定系统在重力、浮力、水动力、阻力等作用下的平衡构型。(2)为动态模拟提供启动配置。动态分析从静态分析得出的位置开始，对模型在指定时间段内的运动进行时间模拟。在第一步进行静态分析时，建模过程中海底电缆的构型应与实际一致。

根据图1和图2建立有限元模型[8-10]，如图3所示。结合本模型特点，应确定海底电缆承受波流载荷作用的部分、海底电缆重力与浮力、水动力与附加质量、海底电缆与J形保护管的接触力。因此，在模型建立时重点关注如下几方面：(1)海底电缆各段长度，包括入泥点至喇叭口的长度以及在电缆保护管内的长度，不同电缆构型将对计算结果产生影响。为提高计算精度，在划分海底电缆单元时，在出泥点至喇叭口区域应减小单元尺寸，本模型选取单元长度为0.5 m进行计算分析。海底电缆的重量根据表2中的数据输入模型。(2)J形保护管建模为具有预弯曲的线。弯曲方向相对于节点x和y方向给出。J形保护管的B端连接至一个6D浮体，其属性可忽略不计，目的是使喇叭口形状与J形保护管相互连接。(3)定义线接触模型，由于J形保护管被建模为一条线，当海底电缆在波流载荷作用下运动时与J形保护管会发生碰撞接触。(4)定义J形保护管受波流载荷作用，即无论内部电缆位于何处，都将通过外部管线(J形保护管)保护内部管线免受环境流体力的影响。J形保护管的内部流体设置为“自由溢流”，因此作用在内部海底电缆上的载荷为海水的外部压力和浮力。此时仅入泥点至喇叭口区域的海底电缆承受波流载荷作用。

图3 有限元三维模型

3 计算结果

3.1 动态响应计算分析

在动态分析中，OrcaFlex求解的运动方程为

M(p，a)+C(p，v)+K(p)=F(p，v，t)

(1)

式中：M(p，a)为系统惯性载荷；C(p，v)为系统阻尼载荷；K(p)为系统刚度载荷；F(p，v，t)为外部载荷；p、v和a分别为位置、速度和加速度矢量；t为时间。

求解方程的显式算法与隐式算法在每个时间步长重新计算系统几何结构，因此模拟充分考虑了所有几何非线性，包括波浪载荷和接触载荷的空间变化。

在时间模拟开始时，模型中所有对象(包括所有线中的所有节点)的初始位置和方向都可从静态分析中获取。接着计算作用在每个自由体和节点上的力和力矩。考虑的力和力矩包括：重量、浮力、水动力和气动阻力、水动力附加质量(使用具有用户定义系数的Morison方程计算)、拉伸和剪切、弯曲和扭矩、海底反作用力和摩擦力、与其他物体的接触力、连杆和绞车施加的力等。

为比较设计值与局部冲刷后海底电缆的结构强度，针对2种情形分别展开计算，同时考虑不同环境参数下不同冲刷深度的计算结果，最终确定4种计算工况。计算中将波流方向设定为垂直于海底电缆，不同工况输入的环境参数如表3所示。

经计算，沿海底电缆长度其弯曲半径与张力计算结果不同，选取各工况最严重的计算结果汇总如表4所示。针对实际冲刷情况和更恶劣的百年一遇环境条件，即工况4，分析各海底电缆节点有效张力和弯曲半径，表5为工况4海底电缆各节点计算结果。图4为工况4最小弯曲半径和最大张力动态响应曲线。

表4 各工况计算结果

表5 工况4海底电缆各节点计算结果

图4 工况4动态响应计算结果

由计算结果可知：(1)0 s时的结果为静态分析结果，在重力、浮力、波流载荷、海底电缆与J形保护管的接触力、海底反作用力和摩擦力的作用下，最终确定电缆静态时的弯曲半径和张力，此时弯曲半径最小。在0 s后为波浪周期性作用下的动态分析。(2)最大轴向力出现在电缆顶部悬挂位置(节点26)，最小弯曲半径出现在喇叭口位置(节点6)。(3)在波浪周期性载荷作用下，电缆的最小弯曲半径和最大有效张力成周期性波动。以工况4为例，如图4所示的时域曲线，最小弯曲半径在2.957～3.185 m波动，最大有效张力在11.819～8.286 kN波动。(4)随着喇叭口距海底泥面高度的增大，电缆的在位状况变得恶劣，载荷水平提升。根据表4，在1 a重现期环境条件下，最小弯曲半径由3.526 m减小至3.173 m，降低10%，最大有效张力由5.124 kN增大至8.380 kN，提高63.5%。(5)电缆最大许用有效张力为140 kN，最小弯曲半径为2.75 m，最大有效张力远小于许用有效张力，最小弯曲半径虽满足要求，但裕量不大。因此，电缆的弯曲半径是控制指标，后期在外勘调查中应重点关注喇叭口位置电缆的弯曲半径。

3.2 敏感性分析

根据表4计算结果，当J形保护管距海底泥面高度不同，即局部冲刷深度不同时，海底电缆的最小弯曲半径和最大有效张力发生变化。鉴于局部冲刷程度会发生变化，因此需要确定不同冲刷程度下电缆强度是否满足要求。海底电缆发生悬空后，其最小弯曲半径为限值工况，因此计算不同冲刷深度对最小弯曲半径的影响。以0.1 m为间隔，计算J形保护管喇叭口下端距泥面距离由原设计状态至1.5 m范围时海底电缆最小弯曲半径。另一方面，由于不同冲刷深度时入泥点位置略有不同，为便于计算，本模型选取入泥点的水平坐标位置不变，仅在垂向根据冲刷深度发生变化。最终计算结果如图5所示。

图5 局部冲刷深度对海底电缆最小弯曲半径的影响

通过敏感性分析，由图5可知：(1)在1 a重现期波浪海流作用下，J形保护管喇叭口下端距海底泥面高度为1.300 m时为极值点，海底电缆最小弯曲半径为3.106 m。(2)在100 a重现期波浪海流作用下，J形保护管喇叭口下端距海底泥面高度为0.315 m时为极值点，海底电缆最小弯曲半径为2.835 m。由此可见，不同冲刷深度和不同重现期下的波流参数对海底电缆的最小弯曲半径仍有较大影响，在设计阶段应综合考虑，确定合理的J形保护管至海底泥面的距离。

4 结 论

针对J形保护管距海底泥面高度对海底电缆强度影响进行计算分析，考虑不同距离和不同环境参数对海底电缆的综合影响，通过计算得出如下结论：

(1)海底电缆的最小弯曲半径是限值工况，出现在J形保护管喇叭口区域。不同重现期环境参数对计算结果有较大影响，基于本模型，J形保护管距海底泥面高度按照设计阶段的值计算，100 a重现期最小弯曲半径为2.835 m，1 a重现期最小弯曲半径为3.526 m。

(2)不同冲刷深度对海底电缆的最小弯曲半径有较大影响，在不同重现期的环境参数下，最小弯曲半径极值点对应的冲刷深度有所不同。基于本模型，在1 a重现期，当J形保护管喇叭口下端距海底泥面距离为1.300 m时弯曲半径最小，在100 a重现期，当J形保护管喇叭口下端距海底泥面距离为0.315 m时弯曲半径最小。

(3)基于本模型，在不同局部冲刷深度下，1 a重现期的最小弯曲半径分布在3.106～3.526 m，波动范围为13.5%，100 a重现期的最小弯曲半径分布在2.835～3.123 m，波动范围为10.2%，但百年一遇工况下更危险。

不同冲刷深度和不同环境条件对海底电缆的结构强度均产生较大影响，因此在设计阶段，应综合考虑后期局部冲刷影响，合理设计J形保护管距海底泥面高度，在适宜条件下可采用柔性护垫或土工膜袋等技术防护手段防止冲刷，保障海底电缆在位稳定。