第6卷第3期2019年6月
Vol.6"No.3
Jun.,2019海洋工程装备与技术
OCEAN ENGINEERING EQUIPMENT AND TECHNOLOGY
刘志伟1!，肖波1!，杜永兵1!，麦华山1!
（1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州510663；
2.广东科诺勘测工程有限公司，广州510663）
摘要海底电缆在铺设的过程中受到海洋环境荷载的影响&为了保证海缆铺设作业的安全，需要对海缆铺设过程进行准确的受力分析，以确定可以接受的作业海况&基于OcaFlex软件，建立了海底电缆铺设分析的“铺缆船-海缆-海床.禺合动力分析模型，并分析了海底电缆在海洋环境荷载作用下的动力响应&结果表明，海洋动力环境荷载对海底电缆的轴向拉力影响显著，且随着波高的不断增大，海缆轴向拉力呈非线 性增长&在进行海缆铺设作业时，应重点关注，控制作业窗口&研究验证了海底电缆铺设作业数值模拟方法高效可行，研究方法和结果可为我国海底电缆的铺设分析工作提供参考&
关键词海底电缆；铺设；动力响应；数值仿真#OrcaFlex
中图分类号：TM756.2文献标志码：A文章编号：2095-7297（2019）03-0579-05
doi：10.12087/oeet.2095-7297.2019.03.06
Numerical Simulation of Submarine Cable Laying
Operation Method and Engineering Application
Liu Zhi-wei1,2Xiao Bo1,2Du Yong-bing1,2Mai Hua-shan1,2
(1.China Energy Engineering Group Guangdong Electric Poxver
Design Institute Co.,Ltd.,Guangdong510663,China#
防暴叉2.Guangdong Kennro Surveying Engineering Co.,Ltd.,Guangdong510663,China)
复合膜
Abstract Submarine cablss are affected by environment loadings during the laying operation.In order to ensure the safety of the submarine cable during laying operation,accurate analysis is required to determine the dynamic
responseandacceptableseaconditions BasedonOrcaFlexsoftware"acoupledvessel-cable-seabeddynamicanalysis model was established,and the dynamic response of submarine cables was analyzed.The results show that the environmentalloadinghasasignificantinfluenceontheaxialtension"andasthe waveheightincreases"theaxial tensionofthesubmarinecableincreasesnonlinearly Duringthecablelayingoperations"itisimportanttocontrol theoperation window Thisresearchshowsthattheproposednumericalsimulation methodise f icientandfeasible forcablelayinganalysis"whichcanprovidereferenceforthelayinganalysisofsubmarinecableinChina
Key words submarinecable；installation；dynamic response；numerical simulation；OrcaFlex
0引言
海底电缆在生产厂家制造完成后，需要从制造厂家的码头或者运输船的储缆舱倒入到安装船的储缆舱中，再行驶至目标海域进行海上铺设作业&目前，海底电缆的铺设方法主要有水平铺设和竖直铺设两
种[14]&在水平铺设作业中，张紧器位于铺缆船甲板上，海底电缆的铺设路由在甲板上成水平方向，海底电缆从铺缆船的尾部或侧边经过下水桥入水&这种方法一般适用于水深较浅区域的海底电缆铺设&海底电缆竖直铺设作业需要使用一套专业的海底电缆竖直铺设系统。该系统将张紧器等设备集成在一套铺设塔上，安装于铺缆船上&在进行海底电缆铺设时，电缆从铺设塔上穿过张紧器，最后入水&
收稿日期：2019-01-31；修回日期：2019-05-20
作者简介：刘志伟（1977—），男，硕士，高级工程师，主要从事电力勘察设计方面的研究&
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竖直铺设方法适用于深水海底电缆的铺设&
无论是水平铺设还是竖直铺设，在进行海上铺缆作业时，海底电缆均受到海洋环境荷载的影响，海底电缆的轴向压力、弯曲半径等参数发生一定程度的变化，并可能影响海缆的性能「56）。为确保海底电缆铺设作业的安全进行，需要对海底电缆的铺设作业过程进行力学分析，规避施工风险，为海上施工提供技术支撑&多年来，研究人员提出了很多海底电缆铺设分析方法，如线性梁法、悬链线法等&工业界也提出了若干关于海底电缆铺设的规范，如DNV-RP-F401、《海底电缆在水下工程中的应用》等&但是由于海底电缆在铺设过程中的变形是大挠度、非线性变形，具有几何非线性的特点，且施工过
程中受到海洋环境影响较大，海底电缆受力复杂，直接求解海底电缆的动力分析的解析结果非常困难&本文基于OraFlex软件对海底电缆的铺设过程进行数值分析，通过数值仿真对铺设作业进行模拟，可处理任意大的海底电缆弯曲变形并获得海底电缆在铺设过程中的轴向拉力和弯曲半径变化情况，获取海底电缆动力响应，为海底电缆的铺设作业提供参考⑺&
1海底电缆的铺设流程
海底电缆铺设流程一般包括起始铺设、正常铺设和终端铺设&起始铺设是指铺缆船航行至指定位置后，完成船位调整，开启动力定位系统或进行抛锚定位，然后完成系统测试，再开始进行首端铺设作业&首端铺设时先使用吊机将起始端下放至海床或抽拉上平台，然后再进行正常铺设&在正常铺设过程中，铺管船按照指定路由行驶，海缆从储缆舱按照一定速度从卷盘或滚筒中卷下，并沿着下水桥滑入水中&铺设时要时刻监视张紧器的轴向拉力以及海底电缆在触地点处的弯曲半径，避免海缆发生轴向拉伸或弯曲破坏&在终止铺设之前，一般需要降低船速进行S型弯段铺设、终端下放或末端抽拉上平台作业&其中，在正常铺设阶段海缆需要承受复杂的海洋环境荷载影响，可能发生结构损伤和破坏&本文重点对海缆正常铺设阶段的力学性能进行分析&
2海底电缆铺设作业分析模型的建立2.1铺缆船模型
铺缆船是海底电缆铺设的主要装备&在分析中一般将铺缆船简化为具有六个自由度的刚体，用RAO描
述船体在波浪中的运动响应&这样的处理使分析效率高、计算速度快，而且能够对海底电缆铺设过程中铺缆船可能遭遇的各种海况进行分析&因此, RAO参数是进行海缆铺设分析的重要船舶参数，其本质上是一个由波浪激励到船体运动的传递函数。将该传递函数与实际的波浪载荷相结合，即可以获得铺缆船的运动响应。本文研究中以某动力定位铺缆船为例进行海底电缆铺设分析，其RAO示意图如图1所示。
波浪周期/S
图1铺缆船在不同来浪情况下的横摇RAO
Fig.1RAO of the vessel due to waves
from different directions
―■—LC03:0.00kn0.0°-■-LC03:0.00kn15.0’-*-LC03:0.00kn30.0°一―LC03:0.00kn45.0’—^-LC03:0.00kn60.0°t—LC03:0.00kn75.0’-+-LC03:0.00kn90.0°LC03:0.00kn105.0’—s LC03:0.00kn120.0°――LC03:0.00kn135.0’—-LC03:0.00kn150.0°--h-LC03:0.00kn165.0’LC03:0.00kn180.0°
2.2海缆模型
本项目中拟使用的海底电缆的直径为9.25mm，在水中的湿重为7.8kg/m，许用的最小弯曲半径为1.39m，轴向抗拉强度为3.5t&电缆的弯曲刚度为1.37kN・m2，扭转刚度为21.58kN・m2，轴向刚度为217.38MN&在OrcaFlex中，主体海底电缆用Line单元进行模拟，单元示意图如图2所示&每一个Line单元都包含海底电缆的拉伸、弯曲、扭转刚度，同时包含质量与阻尼，能够对海底电缆进行较好的模拟&其中海底电缆的轴向和扭转性能集中到Line单元上，而质量、重量浮力等其他性能全部集中到节点上&这样的设计使得Line单元的计算效率高，方便处理较为复杂的模型&海底电缆与下水桥之间设置接触模型，在分析过程中保持Line单元与下水桥实体单元保持接触，并计算海缆与下水桥之前的接触压力&
第3期刘志伟，等：海底电缆铺设作业的数值仿真及工程应用•581-
图2海底电缆Line单元示意图
Fig.2Line element of submarine cable
2.3海床模型
海床在海底起到支撑和约束海底电缆的作用&由于船体运动的影响，海底电缆在铺设的触地点处受到复杂的交变荷载影响，具体体现为海床对海底电缆的支撑力或吸力作用&
打印头校准
当海底电缆从铺缆船离开，首次贯入土壤时，承受海床对海缆的支撑力；当海底电缆在铺管船升沉作用下从土壤中升离时，海缆承受海床的吸力作用；当轴向位移变化，海缆再次贯入土壤时，再次受到支撑力作用，如此往复&这三个阶段的支撑力和吸力大小可通过式（1）〜式（3）获得&
P i4）=W N c4/D）s4）D（1）
(2)
（3）式中，P4）是海底电缆和土壤的作用力，数值为正时表示土壤对海底电缆的支撑力，数值为负时表示土壤对海底电缆的吸力P14）是海底电缆初次贯入土壤时的作用力P2（）是海底电缆从土壤中升离时的作用力P a!）是海底电缆再次贯入时的作用力&N !/D）是土壤的承载系数4是海底电缆贯入土壤的深度V是海底电缆外径；'=乔L，Ka是海底
D/K max
提花机
电缆和土壤的接触刚度；A ul4）、A rp!）分别为海底电缆升离和再次贯入时的土壤抗力系数P u!）是极限支撑力P u—suc4）是极限吸力山门。
基于OrcaFlex建立的海底电缆铺设分析模型，如图3所示，包括上述的铺缆船、海缆和海床3个部分。
图3海底电缆铺设模拟的仿真模型Fig3Simulation modelofsubmarinecableinsta l ation
3海洋环境荷载的模拟
海底电缆海上铺设期间受到显著的环境荷载作用，主要体现为波浪和海流的耦合作用&下面简述在数值分析中对波浪和海流荷载的模拟&
3.1波浪荷载
波浪是海洋工程作业中的主要荷载，在铺设作业中通过引起船舶运动影响铺设作业，并直接对海缆施加作用力&对于波浪，一般采用波高、周期、来浪方向和可能的形状参数来表征&本文采用Jons w ap谱模拟波浪的随机波浪荷载，它是由英%荷、美、德等国开展“联合北海波浪计划”提出的一种波浪谱，在海洋工程分析领域应用广泛&本文基于Jonswap谱描述海底电缆铺设时的波浪载荷，计算进行海底电缆铺设时的海缆动力响应，进而确定进行铺设作业所允许的最大许用波高&
3.2海流荷载
海流荷载是指海水比较稳定的大规模流动对铺缆船及海缆的作用，这种流动会对船体运动及海缆产生直接的作用力&海流以流速作为主要参数，流速一般随着水深的改变而变化&海底电缆在铺设过
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程中承受的波浪与海流荷载往往是同时存在的，且是动态叠加的&基于保守考虑，除非有特殊规定，—一般假设波浪与海流荷载作用方向相同&
sent协议4工程应用案例
基于本文描述的建模方法，针对我国南海某海缆铺设项目进行分析。该项目作业水深37m，所采用的铺管船、海缆信息如前文所述&依据前文建模方法在OrcaFlex中建立的“铺缆船-海底电缆-海床”的耦合分析模型如图4所示&对海底电缆的铺设过程进行动力分析，求解弯曲半径及海缆拉力的结果如图4所示&
图4海底电缆铺设数值分析模型
Fig4Analysis modelofsubmarinecableinsta l ation
4.1海底电缆弯曲半径分布
图5显示了海底电缆弯曲半径沿海缆长度方向的分布规律&在海缆铺设的下水桥支撑位置，海底电缆曲率半径较小，于下水桥一致，为4.5m。在图中A点，海缆脱离下水桥，曲率降低，曲率半径变大&在
触地点位置，海缆曲率半径降低，最小值为31m，远大于海底电缆许永的最小值1.39m，海缆的弯曲半径处于安全范围之内&
图5海底电缆弯曲半径沿长度方向分布Fig.5Bending radius of the cable along the length 4.2波高对海缆轴向拉力的影响
铺缆船在波浪荷载作用下发生运动，带动海缆的轴向拉力变化&图6显示了海缆轴向拉力的变化&海底电缆在静力荷载作用下的轴向拉力为4.5kN，然而，在海洋环境荷载作用下，海缆拉力变化较大&在1m波高作用下，海缆的最大轴向拉力为6.5kN，海缆与下水桥侧向挤压力为1.4kN/m；在1.5m波高作用下，海缆的最大轴向拉力为10kN，海缆与下水桥侧向挤压力为2.22kN/m；在2m波高作用下，海缆的最大轴向拉力为16kN,，海缆与下水桥侧向挤压力为3.56kN/m o由此可见，海洋环境动力荷载对海底电缆铺设作业的影响显著，且随着波高的增大，海底电缆中的最大轴向拉力呈非线性增加&在进行海底电缆海上施工作业时，应严格把控允许作业的海况，以免海缆轴向拉力超过许用强度，造成海缆断裂&
-----Hs=2m
—Hs=l m
-----Hs=1.5m
OSOSOSOSOSOSOSOSOSOSO iieemm寸寸SS99L0800660
时间/s
图6海底电缆轴向拉力变化
Fig6Axialtensionofsubmarinecable
5结语
本文研究了海底电缆铺设的动力分析过程，基于OrcaFlex软件，建立了“铺缆船-海底电缆-海床”耦合的动力分析模型，研究了海洋动力荷载对海底电缆铺设作业的影响，针对海底电缆的弯曲半径及轴向拉力进行了研究，得出如下主要结论：
(1)在海底电缆铺设过程中，波高对海底电缆的轴向拉力影响显著，且随着波高的增大，海底电缆的轴向拉力呈现非线性增长&在进行海底电缆铺设作业时，应重点关注波高的变化，选取合理的海底电缆作业窗口期&
(2)研究获得了海底电缆铺设过程中的弯曲半径分布规律&海底电缆的弯曲半径在上弯段与下水桥的几何半径一致，在海底电缆脱离下水桥的反弯
第3期刘志伟，等：海底电缆铺设作业的数值仿真及工程应用•583-
点处，海缆曲率下降，但在触地点处，海底电缆的弯曲半径再次减小&且由于受到与海床耦合交变荷载作用的影响，在海底电缆铺设作业中，应重点关注海缆在触地点处的状况&
本文所探索了基于OrcaFlex软件进行海底电缆铺设仿真模拟的方法，介绍了海底电缆铺设建模分析的过程，并进行了工程实际案例分析&研究方法和结果可为我国推进海底电缆安装技术提供有益的研究基础和可借鉴经验&
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