水下脐带缆终端接头建造测试技术及其在陵水气田的应用

脐带缆是连接海洋平台上部设施和水下生产系统之间的“神经和生命线”,起到传输电力、信号、化学药剂及控制液的作用。脐带缆终端是脐带缆最为关键的硬件设备,它为脐带缆的管线、电缆、光纤提供终端接口,并充当脐带缆的吊装、倒运以及安装支持结构。以南海陵水气田项目的水下脐带缆终端接头为例,对其建造和测试工艺进行研究,为后续水下项目中脐带缆终端设备的设计制造和测试提供参考。

基于插值修正ACER的脐带缆响应短期极值预测方法研究

针对脐带缆在随机载荷作用下其响应难以准确预测的问题,本文提出了一种基于插值技术与平均条件超越率(average conditional exceedance rate,ACER)的海洋脐带缆响应极值预测方法。构造随机波浪荷载作用下脐带缆结构响应的数值模型,获取脐带缆关键位置处的张力与曲率响应时程数据。分别求解张力和曲率时间序列对应的1~4阶ACER函数值,选取合适阶数的ACER函数,采用三次样条插值与B样条插值技术对平均条件超越点的尾部区域进行插值。对插值曲线外推,实现在不同超越概率下脐带缆的结构响应极值预测。本方法适用于非独立同分布下的海洋脐带缆张力与曲率响应数据的极值预测,并利用Gumbel极值分布模型进行对比,讨论并验证本文所提方法在海洋脐带缆响应极值预测中的适用性。

深海采矿装备布放回收过程中脐带缆动力学响应特性研究

基于时域耦合分析法,建立了母船-深海采矿装备-脐带缆三维非线性水动力学模型,并对布放及回收过程中脐带缆的水动力响应特性进行了数值计算与分析。结果表明,4级海况时,深海采矿装备(水中重10 t)可以在速度0.8 m/s条件下安全布放和回收;在波浪和海流共同作用下,深海采矿装备在布放开始阶段和回收结束阶段都有强烈的振荡和摆幅,可安装防摇止荡装置来降低振荡和摆动。

基于遗传算法的海洋脐带缆截面布局优化设计与数值验证

海洋脐带缆通常由不同的功能构件捆绑而成,而这些功能构件的力学性能差异很大,在外载荷的作用下,不合理的截面布局可能会导致较大的截面变形和构件间的接触压力,从而影响脐带缆服役寿命。本文首先利用最小化截面半径给出截面布局紧凑性的实现方法,通过基于截面构件的拉伸刚度引入虚拟重力指标来描述截面布局的对称性,同时提出可量化的指标描述易损构件钢管之间的疲劳磨损问题。然后考虑上述三个目标建立截面布局多目标优化模型,并引入遗传算法对上述模型进行求解优化,自动得到三种具有代表性的截面优化布局。最后,通过数值模拟对不同截面优化布局进行验证与分析评价,进而得到最优截面布局设计。本文所提出的脐带缆截面布局设计优化方法可提高全局最优解搜索能力,对脐带缆结构设计具有一定的指导意义。

水下生产系统用动态脐带缆疲劳问题的研究进展与展望

围绕水下生产系统用动态脐带缆(以下简称动态脐带缆)多构件、多层螺旋缠绕的结构特点,全面总结了动态脐带缆疲劳失效形式、疲劳寿命分析方法和疲劳试验测试技术等方向的研究进展。通过对动态脐带缆疲劳问题研究方法与热点的详细阐述,揭示了该领域的主要研究成果和关键技术难点,展望了动态脐带缆未来发展的主要技术需求和研究方向,为动态脐带缆在海洋油气资源开发中的长寿命工程应用提供了基础理论和技术参考(引用文献104篇)。

基于有限元分析的深海机器人用脐带缆传热特性研究

为研究水上堆叠的脐带缆在海上运行过程中的温升情况,对不同堆叠层数以及缠绕圈数的脐带缆,采用有限元法,分析了脐带缆的最高温度,同时研究了电流、环境温度和太阳辐射对堆叠6层脐带缆最高温度的影响,并利用最小二乘法得到了回归方程。结果表明,堆叠一层与堆叠两层时,脐带缆的最高温度几乎不变。而后每增加1层,最高温度上升2℃左右。随着缠绕圈数的增加,脐带缆温度先增加后减少,为保证良好的脐带缆散热条件,脐带缆缠绕圈数要大于等于6圈。以电流、环境温度和太阳辐射与脐带缆最高温度之间的变化规律所提出的回归方程,最大误差为1.73%,可为水上堆叠脐带缆最高温度的计算提供一种更简便快速的方法。

脐带缆铺设过程中的监测技术研究

在脐带缆铺设过程中,为了在线监测脐带缆的健康状态,需要对其主要功能单元电缆、光纤和钢管的参数进行动态监测。由于随着脐带缆铺设的进行,脐带缆的温度、水深、和摆放姿态都会发生变化,而这些变化将会通过监测参数表现出来,文章针对脐带缆安装过程中监测参数变化进行研究其潜在的原因,相关研究结果为其它脐带缆安装工程提供参考。

波浪滑翔器脐带缆结构设计与海上试验

以“先锋”波浪滑翔器为例,介绍其结构组成和性能,重点对脐带缆结构中的柔性铠装缆、接线盒及缓冲减振结构进行详细设计。以类NACA翼型作为截面的铠装缆比传统扁平缆最大可减少40%的流体阻力。铠装缆2根3.5 mm钢丝绳与接线盒通过固定压板和绕柱的连接方式可提供约9994 N承载拉力。基于组合式碟形弹簧的缓冲减振结构可缓冲吸收约115.6 J冲击能量,保证脐带缆结构可承受8级海况产生的周期性载荷。在南海开展为期69 d的海上试验,航行里程为2383 km,在3级海况下平均航速为1.28 kn,虚拟锚泊精度半径小于80 m,验证了波浪滑翔器的海上航行性能。

水下生产系统用钢管脐带缆力学性能研究

脐带缆的功能是为水下生产系统提供动力、通讯、化学药剂,以完成对水下生产设施各单元的控制。在脐带缆加工制造前需要对钢管型光电液复合脐带缆的功能设计、结构设计以及环境适应性分析。本文通过利用油气领域通用分析软件进行力学性能验证,提取刚度参数、拉弯性能曲线、侧向挤压承载力,并与试验测试结果对比,验证分析方法的有效性。

海洋工程用脐带缆技术

海洋强国战略的实施,进一步促进了海洋空间资源的开发和利用。文中介绍了海洋开发中深海生产和探测装备、水下生产系统用脐带缆和深海机器人用脐带缆的技术发展,梳理了脐带缆的设计要点、静态脐带缆和动态脐带缆的机械性能、制造工艺,以及脐带缆附件和终端等方面的内容,并对未来的脐带缆技术进行了展望,可为后续海洋工程用脐带缆的设计研究提供参考(引用文献19篇)。

有缆无人潜水器用多层脐带缆温度场仿真研究

脐带缆作为有缆无人潜水器(ROV)电力和信号传输的关键组件,工作时须缠绕在绞车上。在运行过程中,脐带缆的温升易受内部损耗的影响,并且长期处在高温环境下,会加速绝缘老化,甚至诱发击穿。为保证脐带缆在作业下安全运行,需要对其电磁和温度特性进行分析。基于有限元仿真软件COMSOL建立电磁和温度等多物理场耦合模型,结合筒体结构、电缆缠绕层数,以及工作过程中的热传导、热对流等因素,研究了线芯损耗特征与多物理场耦合后的温度分布、散热特性,并分析了脐带缆在不同负载、绕组下对温度场分布的影响,以期为脐带缆的设计和多层脐带缆的配置提供理论支持。

风-浪-流激励下海上风电半潜平台-脐带缆动力特性分析

随着海上风电的迅速发展,海上风电机组呈现向深远海地区投放趋势。脐带缆作为电力传输的关键组件,在安装与工作时常年受到海流、波浪等载荷作用,为保证脐带缆能在生命周期内安全运行,需对其动力学特性进行详细分析。现有研究多关注脐带缆在波浪载荷作用下的动力学分析,鲜少涉及风、浪、流三相耦合及脐带缆与平台相互作用下脐带缆的动力学特性。为此,对近海地区200 m水深海上风电半潜平台脐带缆动力学特性进行研究,模拟近海海域情况,设计脐带缆结构及参数并建立半潜式海上风电平台、脐带缆模型,通过AQWA软件模拟不同海浪频率。风、浪、流同向作用时的极限海况下,半潜平台及脐带缆的响应情况,得到在随机波浪载荷及风、流载荷的作用下脐带缆的动力学参数。

深海采矿车布放回收中脐带缆轴向张力响应特性研究

在深海采矿车布放回收中,准确预报脐带缆在底部自由悬垂边界条件和顶部波浪载荷随机激励等共同影响下的动力响应是关键点之一。基于三维势流理论与集中质量法,结合水面支持船运动和海流联合激励,对深海布放回收中脐带缆的顶端张力等力学特性进行研究。结果表明:在布放回收过程中,轴向张力在结构载荷中占主要成分;由波浪引起的轴向张力极值与均值差距最大可达到54%;轴向张力的频谱存在双谱峰,分别为0.14 Hz的主峰和0.10 Hz的次峰;当浪向角为180°时,轴向张力处于峰谷。

基于SA-SVM算法的ROV脐带缆缠绕致因分类研究

在ROV模拟操作平台上进行大样本人员操作实验,依据时序顺序提取了不同场景下实验员操作特征和环境拓扑特征,通过专家评估,建立特征序列样本矩阵.利用模拟退火算法对支持向量机(SVM)惩罚因子和核函数的参数寻优,通过SA-SVM模型对样本分类,并对分类准确度进行了对比分析.结果表明:SA-SVM模型对导致脐带缆缠绕的人为操作特征与环境拓扑特征分类具有较高的准确率,发现了不同致因特征对脐带缆缠绕的影响,有助于操作员及时发现高风险操作行为.

多工况载荷作用下脐带缆终端承载能力计算研究

脐带缆终端是水下脐带缆关键的硬件设备,其在深海环境承受载荷复杂恶劣,对连接系统的承载能力提出了更高的要求。以南海某气田使用深水脐带缆终端为研究对象,基于国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)和挪威船级社(Der Norske Veritas,DNV)相关标准,对脐带缆终端外结构部件按弹-塑性和纯弹性应力分析方法建立有限元模型并进行数值分析,得到其在生产工况下的轴向载荷能力、剪切载荷能力、弯矩能力和扭矩能力,并分析了不同吊装提升方式对深水脐带缆终端承载能力的影响。分析结果表明:正常生产工况下计算所得承载能力均满足相关标准评价指标;不同吊装提升方式对深水脐带缆终端承载能力影响不同;与两点提升吊装方案相比,四点提升吊装方案更不容易产生应力集中,满足安全强度要求。研究成果可为脐带缆终端设计和现场应用提供理论基础和技术参考。

脐带缆终端设备建造和测试技术

水下脐带缆终端设备是水下生产系统的“神经元末梢”,是最为关键的水下生产设备之一,对其设计制造和测试技术研究具有重要意义。水下脐带缆终端设备常设计成圆柱形或矩形盒装,以陵水某项目脐带缆终端设备为研究对象,重点介绍了其设计制造要点和关键测试项目。结构的设计除计算构件强度外,还要考虑焊接检验空间,组件的装配以及测试需求。UTA的测试多达20余项,其中载荷测试、压力测试还有界面测试是重点测试项目。载荷测试应在结构框架无损检测后,喷涂油漆前进行。压力测试时为减小环境温度对测试结果的影响,根据项目经验,将保压时间延长,然后取其中温度较为平稳的一段时间进行分析。液压控制功能管路清洁度应按照SAE AS 40596B-F级或更高标准进行,化学功能管线的最低清洁度等级应为8B-F级。这些经验和成果可以为脐带缆终端设计制造和测试提供借鉴。

深水脐带缆终端承载能力计算研究

脐带缆终端是水下脐带缆关键的硬件设备,其在深海环境承受载荷复杂恶劣,对连接系统的可靠性要求很高。以南海某气田使用深水脐带缆终端为研究对象,针对现场测试发现的屈服强度不足问题,依据ASME相关标准,对脐带缆终端关键连接部件按弹-塑性应力分析方法建立有限元模型并进行数值分析,得到其在极限工况下的弯矩能力、轴向能力和剪切能力。分析结果表明:深水脐带缆终端连接系统在复杂环境载荷下整体结构安全可靠,满足全局弹-塑性失效评估的标准;结合理论计算深水脐带缆终端连接系统局部塑性变形大小均小于许用值,满足局部弹-塑性失效的要求;材料屈服强度越高,承载能力越好,通过工程实践选用较为保守的方案,海上施工作业和水下连接过程中表现优异。研究成果可为脐带缆终端设计和现场工程应用提供理论基础和技术参考。

脐带缆水下终端的研制与试验验证

研制一种脐带缆水下终端(Umbilical cable Termination Head, UTH)装置,用于将脐带缆内的光电液信号和化学药剂传输给水下生产系统,实现UTH的国产化。分析UTH结构的设计方法,以及UTH在安装和在位运行状态下的5种载荷工况,并针对每种工况进行仿真计算。通过载荷测试验证UTH结构设计的可靠性,为后续UTH的优化设计和产业化应用提供参考。

深水脐带缆预调试概述

脐带缆是水下生产系统内上部控制系统与水下生产设施的重要连接纽带。本文系统概述了常规脐带缆预调试技术及关键测试设备仪器,有助于推动国内相关配套设备的研发,提升国内深水预调试技术服务能力。基于南海某气田工程实践,提出一套简约、集成、灵活的脐带缆测试流程,为后续深水脐带缆预调试实践提供技术支持。对比分析了两种不同类型的深水脐带缆水下预调试装备:以干预、修井和控制系统为代表的甲板测试装备与以水下增压模块为代表的水下测试装备。分析基于水下增压模块测试系统的深水脐带缆预调试技术局限性,并提出未来技术研发方向;最后,指出了其广阔的应用前景。

深水脐带缆结构阻尼的数值与试验研究

深水动态脐带缆内部结构复杂,其阻尼特性对脐带缆的舞动以及疲劳损伤有着重要的影响。脐带缆在和流体相互作用过程中,脐带缆内部构件可能会产生滑动,进而影响脐带缆的结构阻尼,这也使得真实海况中脐带缆的舞动和疲劳是一项复杂而值得深入研究的课题。为验证有限元模型能够很好地模拟脐带缆的结构阻尼特性,在考虑内部结构单元间摩擦的基础上,利用ANSYS建立了用于中国南海某油田的脐带缆多层滑移接触摩擦模型。同时,采用自由衰减法对该动态脐带缆开展了原型试验,测得了该缆的结构阻尼比与自振周期。通过对比有限元模型计算结果与原型试验结果发现:数值模型获得的该脐带缆的结构阻尼值与试验值非常接近,这为工程中获得脐带缆结构阻尼比的值提供了好的方向。