不同覆盖物清理状态下海底电缆打捞受力仿真

黄小卫 吴聪 陈航伟 但京民 岳浩 李翔 简名才

基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目（CGYKJXM-20210306）

第一作者简介：黄小卫（1985-），男，高级工程师。研究方向为海底电缆智能监测及检测。

*通信作者：简名才（1998-），男，硕士研究生。研究方向为工程力学。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.014

摘  要：该文通过对海缆深浅水打捞过程机理的分析，确定覆盖物对打捞过程存在一定影响。通过OrcaFlex考虑水动力建立打捞过程模型，研究覆盖物厚度与覆盖物位置对海缆打捞过程中张力及曲率的影响。研究发现，覆盖段被打捞时，海缆张力会出现明显的波动；打捞过程覆盖段海缆曲率极值明显增大。随着覆盖物厚度的增加，覆盖段海缆曲率极值逐渐增大，海缆的张力波动也更加明显。覆盖物只对覆盖段曲率极值有明显影响；当吊点处覆盖物未完全清理时海缆易发生弯曲失效，远离吊点处的覆盖物对打捞过程海缆沿缆曲率极值影响不大。在实际工况下可进行针对性工作和保护，降低工作量并提高打捞效率，防止电缆在打捞过程中受到二次破坏。

关键词：海底电缆；覆盖物；打捞；曲率；仿真

中图分类号：P756.1      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）13-0056-04

Abstract： In this paper， through the analysis of the mechanism of deep and shallow water salvage process of submarine cable， it is determined that the cover has a certain influence on the salvage process. The salvage process model is established by OrcaFlex considering hydrodynamics， and the effects of cover thickness and position on tension and curvature in the process of submarine cable salvage are studied. It is found that when the covering section is salvaged， the cable tension will fluctuate obviously， and the extreme curvature of the cable will increase obviously in the salvage process. With the increase of the thickness of the cover， the extreme curvature of the cable increases gradually， and the tension fluctuation of the cable becomes more obvious. The covering only has an obvious influence on the extreme curvature of the covering section; when the cover at the lifting point is not completely cleaned， the submarine cable is prone to bending failure， and the covering far from the lifting point has little effect on the extreme curvature of the cable along the cable in the salvage process. In actual working conditions， targeted work and protection can be carried out to reduce the workload and improve the salvage efficiency， so as to prevent the cable from secondary damage in the salvage process.

Keywords： submarine cable; covering; salvage; curvature; simulation

海底電缆是铺设于海底，由绝缘材料包裹用于电力信号传输的关键装备。海底电缆工程主要包括设计、制造、存储、安装、在位运行和抢修等多个环节[1]。随着我国海底电缆应用的逐渐增多，海底电缆发生故障的概率也随之增加。其中海南联网工程海底电缆是国内第一条超高压、大截面、大长度充油海底电缆[2]。琼州海峡海洋气候多变，海底地质条件复杂，海面通行船舶众多， 渔业捕捞和海上施工等人类活动频繁。海南联网工程在南方电网系统网架中地位重要，海南联网工程海底电缆一旦发生损伤，极易造成海南电网大面积停电。因此，必须建立应急抢修机制预案，在海底电缆发生故障后，能在最短时间内实施抢修施工和送电。深水区大截面海底电缆的抢修通常包括覆盖物清理、水下切割、电缆打捞和电缆回放等水下施工过程，其中电缆打捞是必不可少的环节。在电缆打捞过程中，除了需要保证抢修效率，还需要确保电缆的安全性，避免打捞过程中引发电缆的二次破坏，其中对打捞回放部分，由于深水区打捞作业条件限制，打捞操作须在覆盖物清理完成后进行，深水的覆盖物清理主要通过水下机器人完成，这一过程中覆盖物可能出现未完全清理的情况。因此，本文考虑覆盖物未完全清理的情况，研究这一过程中海底电缆本体受力情况。

尹松等[3]利用双对数模型建立了最大动剪切模量随上覆压力的递增关系。利用马丁-达维登科夫（MartinDavidenkov）模型及阻尼比与剪应变的经验关系建立了剪切模量比和阻尼比随剪应变的变化规律，并由此提出了适用于海洋沉积土的5×10-6～10-3应变范围内剪切模量比及阻尼比的推荐值。王猛等[4]对海底管道问题中的2种土壤刚度的计算方法Autopipe和ASCE进行比对，给出了2种方法的适用环境。郭强等[5]研究了抛石坝的去保护过程，提出了2种仿真计算模型，并得到抛石坝所能承载的最大冲击力。曾昭磊等[6]建立了切割打捞缆理论模型，以悬链线对光缆打捞进行了理论分析。全志辉[7]提出深海打撈应先剪切后打捞的想法。蒲定等[8]基于专业水动力分析软件OrcaFlex对中国南海某浅水浮式风机动态电缆进行线型设计与动态仿真分析，得出适用于该环境的动态电缆线型。2008年朱爱钧[9]以崇明到长兴的2根埋深在河床面以下2.5 m的110 kV海缆为背景，提出2种打捞方案：打捞后将电缆盘储于施工船上、打捞后电缆沉放在海床上。但该文重点在打捞后的处理，对打捞的分析和流程并未详细阐述。

为防止海缆在海底受到破坏，通常采用抛石进行保护。抛石的方式主要采用尺寸和形状不一的石块形成抛石坝，其与海底泥沙沉积组成的黏土保护层覆盖在海底电缆上方，避免海底电缆损坏。抛石段水深主要在20～110 m区域，抛石坝在海床中横断面呈龟背型，底宽约6～10 m，高度约1～1.5 m。抛石坝分内外2层，内层初步保护层（相对于电缆顶部净高）层高不小于0.5 m，采用粒径为5 cm以下碎石，外层为粒径为5～20 cm块石。碎石块组成的抛石坝不具有粘连性，与海底泥沙沉积形成的饱和性黏土相比其剪切力与刚度趋于0，因此本文覆盖物的参数选取为海底饱和黏土。

1  打捞过程数值分析

海缆打捞方法主要分为2类：直接打捞和切割打捞。直接打捞用于浅水30 m以下的情况，此时海缆铺设余长足够将海缆直接提升到海面上，可先通过潜水员或冲刷机械设备对海缆表面覆盖物进行清理，因水深较浅且可通过潜水员观察，可实现覆盖物完全清理，可避免出现覆盖物清理不完全的问题。切割打捞用于深水30 m以上的打捞过程，此时若将海缆直接打捞到海面上需有2倍于水深的余长且海缆极易出现张力过大的问题，因此，需通过切割打捞的过程来实现。首先通过大功率的挖沟机或水下机器人清理海缆表面覆盖物，而后确定维修点将海缆切断密封并连接打捞装置，之后打捞船沿缆方向运动同时缆绳进行提升运动实现海缆的打捞过程。对于深水环境，将海缆表面覆盖物完全清理干净是很难做到的，因此切割打捞过程需考虑海缆表面覆盖物未完全清理的情况，这一过程中主要考虑未完全清理的覆盖物厚度及其位置对海缆打捞过程造成的影响。

本文数值模拟中海底电缆的基本参数以某海域的充油型海底电缆为准，该型海底电缆主要应用于穿越河流、海峡的大容量输电，海底电缆的结构如图1所示，主要性能参数见表1。

图1  充油型海底电缆基本结构

表1  海底电缆基本参数

仿真模型通过OrcaFlex建立，打捞模型中，X、Y方向满足右手定则，Z轴方向垂直向上，整体坐标的原点设在海平面上。缆体布设在XY平面。海底电缆打捞模型描述：切割打捞过程。将切断点作为连接打捞点。为提高模型精度，将打捞点附近单元长度设置为0.1 m，其他段离散为0.5 m的单元减小计算压力，单元设置理论为集中质量法。覆盖物设置为块状弹性固体。

集中质量法是分析管缆等细长结构常用的方法，将动态电缆划分为一系列线段组成的LINE模型，质量、重量浮力等其他性能全部集中到节点上，每个线段只能模拟电缆的轴向和扭转性能。需要特别指出的是OrcaFlex软件中LINE模型，利用弹簧和阻尼器的组合方式模拟动态缆，考虑了构件的阻尼特性，使得响应模拟的结果更真实。对于动态缆的动态响应，求解结构的响应方法有显式解法和隐式解法。本文采用的计算方法是隐式积分中Chung和Hulbert所描述的广义-？琢积分格式。

力、力矩、阻尼和质量等的计算方法与显式格式相同。然后在时间步长结束时求解系统的运动方程。因为位置、速度和加速度在时间步长结束时是未知的，所以需要迭代解法。因此，每个隐式时间步比显式时间步消耗更多的计算时间。然而，对于更长的时间步，隐式格式通常比显式格式更稳定，这通常意味着隐式格式更快。有限元模型可能包含杂散高频响应，这是有限元方法固有的特征。广义-α积分格式具有可控制的数值阻尼，这是可取的，因为它消除了这种杂散的、非物理的高频响应。这种数值阻尼也导致更稳定的收敛，因此允许更长的时间步长和更快的模拟。建立的海缆模型如图2所示。

（a）  打捞前

（b）  打捞后

图2  覆盖物未完全清理海缆打捞模型

2  仿真分析

根据抛石坝的结构，设置一长度为20 m，宽度6 m的覆盖物覆盖在海缆表面，根据清理程度的不同可研究覆盖物厚度与覆盖物位置对海缆打捞过程的影响。

2.1  覆盖物厚度的影响

将覆盖物放置在距吊点20 m的位置处，改变覆盖物厚度为0～1.5 m，每次增量0.3 m。输出打捞过程中海缆沿缆最大曲率以及距吊点1 m处张力随计算时间的变化情况。如图3和图4所示。

图3  不同覆盖物厚度下打捞过程海缆张力变化曲线图

图4  不同覆盖物厚度下打捞过程沿缆曲率极值变化曲线图

结果表明，在无覆盖物时，海缆的张力呈线性增长，当有覆盖物存在时，海缆的张力在有覆盖物段表现出十分明显的波动，随着覆盖物厚度的增大，其波动更加明显，但对海缆整体的张力影响并不大。在没有覆盖物时，海缆打捞过程中沿缆最大曲率在吊点附近达到极值，而后逐渐减小并趋于0。当有覆盖物存在，海缆打捞覆盖段时其曲率相比于无覆盖物时会有明显的增大，且随着覆盖物厚度的增加，这一现象更加明显，在海缆完全脱离覆盖物后，覆盖物的影响会快速消失。

2.2  覆盖物位置的影响

从上述研究中可以看出覆盖物对打捞过程中海缆曲率影响较大。当覆盖物位置较为靠后时，海缆整体的张力极值不会超过其安全裕度。因此，需研究当覆盖物位置靠前时海缆曲率是否会因覆盖物影响而出现弯曲失效的问题。将覆盖物厚度设为0.9 m，覆盖物位置分别位于距离吊点2、20、40、80 m处，研究不同覆盖物位置对海缆打捞过程中曲率的影响如图5所示。

图5  不同覆盖物位置下打捞过程沿缆曲率极值变化曲线图

结果表明，覆盖物只对覆盖段曲率极值有明显影响，对其他部分无影响。当靠近吊点处的覆盖物未清理完全时，在打捞过程中海缆曲率超过安全裕度，海缆发生弯曲失效。远离吊点位置曲率较小，覆盖物未完全清理同样增大该位置处的曲率极值，但对海缆打捞过程整体曲率极值影响不大。

3  结论

本文对打捞过程不同覆盖物清理状态下海缆本体的受力进行了仿真分析，研究了覆盖物不同厚度与不同位置对海缆张力与曲率的影响情况，得出了以下结论。

1）打捞过程中，覆盖未完全清理时，覆盖段海缆张力明显波动，海缆曲率极值增大。

2）随着覆盖物厚度的增加，覆盖段海缆曲率极值逐渐增大，海缆的张力波动更加显著。

3）覆盖物只对覆盖段曲率极值有明显影响；当吊点处覆盖物未完全清理时海缆易发生弯曲失效，远离吊点处的覆盖物对打捞过程海缆沿缆曲率极值影响不大。

参考文献：

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