郭 宏 謝 鵬 宋春娜

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028；2.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司 深圳 518067)

臍帶纜是由電纜、光纜、液壓或化學(xué)藥劑管組合而成的復(fù)雜電纜，在海洋油氣開發(fā)中起到傳輸電力、信號、化學(xué)藥劑及控制液的作用，是連接海洋平臺上部設(shè)施和水下生產(chǎn)系統(tǒng)之間的“神經(jīng)和生命線”。自20世紀(jì)60年代以來，臍帶纜已廣泛應(yīng)用于各類淺水和深水海洋工程開發(fā)項目，目前我國應(yīng)用的海洋臍帶纜主要依賴進口，如流花11-1、陸豐22-1、惠州35-2、流花19-5和流花4-1等油田，這在一定程度上制約了我國海洋工程的發(fā)展。近年來，隨著海洋工業(yè)的發(fā)展及在國家863計劃等科研項目的推進下，我國開展了臍帶纜的設(shè)計、制造等研究，逐步具備了水下臍帶纜的設(shè)計制造能力[1-2]，但目前臍帶纜的測試技術(shù)還不完善，對于臍帶纜測試方面的研究主要集中在臍帶纜的彎曲剛度、抗拉強度、拉彎組合荷載等部分力學(xué)性能的測試[3]，而對于臍帶纜的其他性能，如摩擦系數(shù)、抗沖擊試性、自由溢流測試等研究則不完善，且尚未建立系統(tǒng)的臍帶纜測試體系。本文結(jié)合ISO 13628-5的規(guī)定，基于文昌9-2/9-3/10-3氣田開發(fā)項目，開展了臍帶纜測試技術(shù)體系的研究與應(yīng)用，其成果可為未來我國臍帶纜的測試和評價作為參考。

1 臍帶纜測試技術(shù)

臍帶纜測試是為了證明制造廠商設(shè)計的臍帶纜是否能夠經(jīng)受住設(shè)計環(huán)境與設(shè)計載荷，并具備應(yīng)有的特性。除另有協(xié)定外，所有的測試試驗應(yīng)在臍帶纜制造之前進行，即在正式生產(chǎn)之前的樣纜上完成測試?；谖牟?-2/9-3/10-3氣田開發(fā)項目，通過開展臍帶纜測試技術(shù)體系的研究與應(yīng)用工作，形成了以下13項臍帶纜測試技術(shù)。

1．1 試成纜測試

臍帶纜試成纜測試用于評估臍帶纜橫截面方案制造的可行性，并對臍帶纜成纜后的一些參數(shù)，如臍帶纜直徑、質(zhì)量等參數(shù)進行確認(rèn)，并與設(shè)計參數(shù)進行對比。臍帶纜的試成纜測試應(yīng)在進行主纜生產(chǎn)的成纜機上完成，如圖1所示。試驗時，需要將待成纜的臍帶纜單元放置在成纜機上，按照設(shè)計方案調(diào)節(jié)成纜參數(shù)后啟動成纜機，完成成纜作業(yè)。

圖1 臍帶纜成纜示意圖Fig .1 Schematic diagram of umbilical lay-up trail

1.2 拉扭平衡測試

臍帶纜在安裝及服役過程中受到拉伸載荷作用，拉伸剛度、允許拉伸強度以及單位長度的拉伸扭轉(zhuǎn)角度是衡量臍帶纜拉伸性能的重要參數(shù)。Hruska提出了使用HR模型對臍帶纜的拉伸行為進行分析，但該模型只考慮了臍帶纜鎧裝鋼絲的軸向拉力作用[4-6]；Knapp在HR模型的基礎(chǔ)上進一步擴展提出了可以考慮鎧裝鋼絲對纜芯進行徑向擠壓的KNA模型[7]；Costello考慮了螺旋纏繞結(jié)構(gòu)各單元的幾何大變形、鎧裝鋼絲半徑和螺旋角隨軸向伸長的幾何非線性變化，提出了COS模型[8]。然而，這些模型雖然在一定程度上都能用于預(yù)測臍帶纜的拉伸行為，但由于界面等效、摩擦模型的簡化等假設(shè)，計算結(jié)果與臍帶纜的真實結(jié)果仍有一定的偏差，因此需要進行臍帶纜的拉扭平衡試驗來驗證臍帶纜的設(shè)計結(jié)果。

臍帶纜拉扭平衡試驗基于拉扭平衡試驗機完成，如圖2所示。測試時，將臍帶纜的兩端固定在拉扭平衡試驗機上，保證臍帶纜的一端固定，另一端釋放旋轉(zhuǎn)自由度。試驗開始時，施加固定拉力，在臍帶纜上安裝傳感器，測量臍帶纜的旋轉(zhuǎn)角度，并與設(shè)計時允許的扭轉(zhuǎn)角度進行對比，以驗證設(shè)計的準(zhǔn)確性。

圖2 臍帶纜拉扭平衡測試試驗Fig .2 Umbilical combined torque balance and tension test

1.3 彎曲剛度測試

彎曲剛度是臍帶纜進行安裝分析和在位分析的重要參數(shù)，但由于臍帶纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)有的計算模型無法準(zhǔn)確評估臍帶纜的彎曲剛度。Costello等人基于LOVE螺旋桿理論，忽略單元之間的接觸作用和線性假設(shè)，對臍帶纜中的單元進行直接疊加，提出了臍帶纜的總體彎曲剛度計算公式[8]。Witz認(rèn)為臍帶纜的彎曲行為可分為無滑動階段和全滑動階段，彎曲曲率較小時臍帶纜內(nèi)的所有單元無法全部克服摩擦力作用同時發(fā)生運動，而彎曲曲率較大時各單元之間發(fā)生相對滑動?；谶@一假設(shè)，Witz推導(dǎo)了臍帶纜無滑動和全滑動的彎曲剛度計算公式。

為了驗證臍帶纜的彎曲剛度，本文基于梁的理論設(shè)計了臍帶纜的彎曲剛度測試裝置，如圖3所示。該裝置可對鋼管臍帶纜的彎曲剛度進行測試，測試范圍為直徑101.6～406.4 mm臍帶纜。試驗時，將臍帶纜放置在試驗機上進行加載，使臍帶纜逐步彎曲，記錄臍帶纜的彎曲變化，計算臍帶纜的彎曲剛度，并與設(shè)計值進行比較。

圖3 臍帶纜彎曲剛度測試試驗Fig .3 Umbilical bend stiffness test

1.4 終端連接強度測試

為驗證臍帶纜與終端設(shè)施的連接強度，模擬臍帶纜在安裝和服役工況下的真實連接形式和規(guī)范要求，按照實際應(yīng)用工況進行臍帶纜終端強度試驗，如圖4所示。臍帶纜與終端的連接形式與真實工況保持一致，測試時固定臍帶纜終端，在臍帶纜的首端施加拉力直至設(shè)計值，觀察臍帶纜與終端的連接情況。

圖4 臍帶纜終端連接強度測試試驗Fig .4 Umbilical end-stregnth termination test

1.5 拉彎組合測試

在安裝過程中，臍帶纜通過張緊器從下水橋入水，在下水橋上會受到拉伸和彎曲載荷的共同作用。為了測試臍帶纜是否能夠滿足安裝工況的要求，需要模擬臍帶纜在拉力和彎矩載荷作用下的工作情況，開展拉彎組合試驗。

拉彎組合測試需要在拉彎組合試驗機上進行，如圖5 所示。首先將臍帶纜放置在提前預(yù)制的圓形弧板上，該弧板的曲率需要與臍帶纜的安裝作業(yè)工況一致;然后在臍帶纜的兩端施加拉力，拉力的大小需要滿足安裝工況的要求。在測試過程中，保持臍帶纜鋼管充滿液體并保持一定壓力。測試完成后，需要檢查臍帶纜電纜的各類電力參數(shù)、測量臍帶纜鋼管單元的橢圓度和記錄管道內(nèi)壓力的變化。并與設(shè)計文件及臍帶纜設(shè)計規(guī)范要求進行對比。

圖5 臍帶纜拉彎組合測試試驗Fig .5 Umbilical combined tension and bending test

1.6 抗側(cè)壓測試

臍帶纜通過張緊器時會受到張緊器夾持，臍帶纜內(nèi)部單元在徑向擠壓載荷的作用下可能發(fā)生相互擠壓，因此需要測試臍帶纜的抗側(cè)壓能力，評估臍帶纜能夠承受的最大側(cè)向擠壓力。

臍帶纜抗側(cè)壓測試試驗如圖6所示。測試前，需要確認(rèn)進行臍帶纜安裝時使用的張緊器墊板形式，并根據(jù)實際情況預(yù)制測試墊板。試驗中，通過試驗機向臍帶纜施加側(cè)向擠壓力至指定值，卸載后切開臍帶纜，測量臍帶纜鋼管單元的橢圓度，并與設(shè)計值進行比較。

圖6 臍帶纜抗側(cè)壓測試試驗Fig .6 Umbilical bundle squeeze/crush test

1.7 摩擦系數(shù)測試

張緊器通過對臍帶纜的徑向擠壓以及摩擦產(chǎn)生的摩擦力提供安裝過程中所需要的軸向拉力。臍帶纜外護套與張緊器墊板之間的摩擦系數(shù)是進行安裝分析的重要參數(shù),該系數(shù)與臍帶纜的外護套、墊板材料屬性及幾何形狀有關(guān)。

生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)督管理。本區(qū)石油、海鹽等資源比較豐富，又有天津濱海新區(qū)，生產(chǎn)建設(shè)項目較多，而且保定市作為首都功能疏解的集中承載地和京津產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的重要承載地，生產(chǎn)建設(shè)項目必將增加。應(yīng)加強生產(chǎn)建設(shè)項目水土保持監(jiān)督管理工作，有效控制人為水土流失。

臍帶纜摩擦系數(shù)測試試驗如圖7所示。試驗時，首先在臍帶纜的一端施加側(cè)向擠壓力夾持臍帶纜，同時在臍帶纜的另一端安裝錨固接頭，施加拉力直至臍帶纜與墊板發(fā)生相對滑動，記錄發(fā)生滑動時作用在張緊器上的軸向拉力及側(cè)向擠壓力，計算出臍帶纜的摩擦系數(shù)，并與設(shè)計值進行比較。

圖7 臍帶纜摩擦系數(shù)測試試驗Fig .7 Umbilical friction factor test

1.8 沖擊測試

臍帶纜在使用過程中可能會遭受平臺或船舶落物沖擊載荷作用而發(fā)生失效。根據(jù)規(guī)范要求，需要開展臍帶纜沖擊測試試驗，確定臍帶纜沖擊載荷和能量的相互作用關(guān)系，并評估臍帶纜在出現(xiàn)如下3種損傷時的沖擊能量，作為臍帶纜在役期間的允許沖擊載荷。

1) 造成初始表面損傷的沖擊能量；

2) 造成部分單元結(jié)構(gòu)變形的沖擊能量；

3) 在安裝或操作條件下造成臍帶纜部件失效的沖擊能量。

臍帶纜沖擊測試試驗如圖8所示。首先將臍帶纜放置在測試場地地板上，然后在不同高度釋放質(zhì)量塊沖擊臍帶纜。由于臍帶纜內(nèi)部單元是螺旋結(jié)構(gòu)，應(yīng)在截面上不同位置沖擊臍帶纜。試驗完成后，切開臍帶纜，檢查臍帶纜表面損傷，測量鋼管的橢圓度，并與設(shè)計值進行比較。

圖8 臍帶纜沖擊測試試驗Fig .8 Umbilical impact test

1.9 疲勞測試

臍帶纜在周期性動力載荷的作用下易引起鋼管單元產(chǎn)生交變應(yīng)力和累計損傷，并引起臍帶纜發(fā)生疲勞破壞。通常，首先是基于臍帶纜的使用工況及環(huán)境載荷計算臍帶纜內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力歷史，然后根據(jù)S-N曲線及Miner公式計算臍帶纜的使用壽命。

由于臍帶纜本身復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點，在疲勞計算中難以完全模擬臍帶纜單元之間的非線性接觸和層間摩擦力，因此基于試驗方法驗證臍帶纜的疲勞性能是目前疲勞分析最為可靠的手段。Alan Dobson等人開展了足尺度的臍帶纜動態(tài)疲勞試驗[9]，如圖9a所示。在動態(tài)疲勞測試中，通過疲勞試驗裝置按照一定的載荷工況向臍帶纜施加動力載荷，并測試臍帶纜單元的交變應(yīng)力，然后進行后處理以確定臍帶纜的疲勞損傷和疲勞壽命。

在鋪設(shè)過程中，臍帶纜在下水橋上受到循環(huán)載荷作用，尤其是在進行臍帶纜終端安裝或進行J型護管抽拉施工時，臍帶纜在下水橋上滯留時間久，疲勞損傷的風(fēng)險高。為模擬臍帶纜的安裝疲勞，基于文昌項目設(shè)計了安裝疲勞測試設(shè)備,如圖9b所示。測試時，將臍帶纜按照下水橋半徑放置在測試裝置上，在A端施加垂直于測試弧面的循環(huán)位移，模擬臍帶纜在下水橋上脫離點處的循環(huán)荷載作用，并按照設(shè)計要求完成指定次數(shù)的循環(huán)后測試臍帶纜單元的功能及完整性。

1.10 自由溢流測試

自由溢流測試用于評估水流沿臍帶纜軸向單元間隙流動時的流速，以測試水流通過臍帶纜內(nèi)部的能力，如圖10所示。測試時，首先截取一定長度的臍帶纜樣纜放置在試驗機上，然后在樣纜一端注入一定壓力的水流，在另一端測試水流的流量，進行計算后確定水流在臍帶纜單元間軸向流動過程中的流速，并與設(shè)計值進行比較，為臍帶纜安裝時的下放速度提供參考。

圖9 臍帶纜動態(tài)疲勞測試試驗及安裝疲勞試驗Fig .9 Umbilical dynamic fatigue and installation fatigue test

圖10 臍帶纜自由溢流測試試驗Fig .10 Umbilical free flooding rate test

1.11 靜水壓力測試

在服役工況下，臍帶纜在海床上受到外部靜水壓力的作用，臍帶纜纜體與內(nèi)部單元之間受到擠壓。為驗證臍帶纜抵抗靜水壓力的能力，需要開展臍帶纜靜水壓力測試試驗。該試驗在靜水壓力艙中進行，如圖11所示。測試時，在壓力艙內(nèi)放置兩段封口的臍帶纜，增大壓力艙內(nèi)的水壓以施加靜水壓力，并保壓一定時間。試驗結(jié)束后，測試臍帶纜的外徑變化并與設(shè)計值進行比較。

圖11 臍帶纜靜水壓力測試試驗Fig .11 Umbilical hydrostatic pressure test

1.12 依托設(shè)施拉管測試

臍帶纜與上部依托設(shè)施的回接一般從J型或I型護管中抽拉上平臺。在抽拉作業(yè)中，為順利穿過J型或I型護管，臍帶纜的拖拉頭應(yīng)保證在一定尺寸內(nèi)，且抽拉絞車應(yīng)提供足夠的拉力。為驗證臍帶纜及拖拉頭在護管中的通過性并校核設(shè)計參數(shù)，應(yīng)進行臍帶纜依托設(shè)施拉管測試試驗，如圖12所示。試驗時，使用拖拉頭或模擬的拖拉頭及臍帶纜進行J型或I型護管的抽拉作業(yè)，著重驗證拖拉頭及臍帶纜是否能夠滿足護管的彎曲半徑，并記錄臍帶纜抽拉使用的絞車?yán)Γ瑸閷嶋H的抽拉作業(yè)提供參考。

圖12 臍帶纜依托設(shè)施拉管測試試驗Fig .12 Umbilical topside termination interface test

1.13 維修接頭測試

為保證臍帶纜的完整性并驗證制造廠商的臍帶纜維修能力，應(yīng)進行臍帶纜維修接頭測試試驗，如圖13所示。測試時，應(yīng)保證所模擬的維修工況與海上維修的情形類似，并評估進行海上維修作業(yè)所需要的時間以及所需使用的工機具性能，為未來進行海上維修作業(yè)提供參考。

圖13 臍帶纜維修接頭測試試驗Fig .13 Umbilical repair splice qualification test

2 在文昌氣田的應(yīng)用

文昌9-2/9-3/10-3氣田位于南海西部海域，該氣田需使用一條臍帶纜連接文昌9-2/9-3 CEP中央平臺至文昌10-3的水下生產(chǎn)系統(tǒng)。該臍帶纜為復(fù)合電液臍帶纜，包括11個功能單元、9根金屬管及2根四芯電纜。液壓管線為超雙相不銹鋼管，總長度為23 km，設(shè)計水深150 m?；谝?guī)范ISO13628-5的規(guī)定，應(yīng)用本文測試技術(shù)對自行設(shè)計生產(chǎn)的文昌氣田臍帶纜樣纜進行了測試，測試結(jié)果(表1)均滿足設(shè)計要求。

表1 文昌氣田臍帶纜樣纜測試結(jié)果Table 1 Test results of umbilical sample in WC gas field

3 結(jié)束語

臍帶纜評定測試是驗證臍帶纜的設(shè)計和制造質(zhì)量的重要手段，也是進一步促進我國臍帶纜國產(chǎn)化進程的必要手段。本文基于規(guī)范ISO 13628-5的規(guī)定，系統(tǒng)研究了臍帶纜的測試技術(shù)，形成了臍帶纜測試技術(shù)體系，并針對文昌9-2/9-3/10-3氣田臍帶纜樣纜開展了13項測試試驗，為臍帶纜的各項性能參數(shù)測試、設(shè)計和制造質(zhì)量評價提供了測試方法及測試裝置。本文研究成果為臍帶纜的國產(chǎn)化及其評價提供了技術(shù)支撐及質(zhì)量保證手段。

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