CN109686482B - 缠绕有角度变化式铠装钢丝的脐带缆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种缠绕有角度变化式铠装钢丝的脐带缆，外表面密布螺旋缠绕有铠装钢丝的脐带缆包括位于上部的顶段、位于下部的底段，以及位于中部的中间段；每一局部的铠装钢丝与脐带缆轴线之间夹角角度满足如下条件：顶段夹角a＜底段夹角c；中间段夹角逐渐由a增加至c；8°≤a≤20°；20°≤c≤85°。本发明脐带缆的铠装钢丝缠绕角度变化随着脐带缆深度的变化而变化，并且铠装钢丝可承受拉力和压力与实际承受的拉力和压力的变化同步，从而能够在减小本发明铠装钢丝的直径下仍然达到压力和拉力的要求，最终降低铠装钢丝的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及海洋石油开采领域，更具体地说，涉及一种缠绕有角度变化式铠装钢丝的脐带缆。
背景技术
水下生产系统脐带缆是水下控制系统的关键部分，在上部设施和水下生产之间传递液压、电力、控制信号、化学药剂等，为水下油气资源开发和生产提供支持。
随着向深水海域的迈进，对脐带缆的设计研究工作将面临一系列技术挑战。由于自重荷载和海水深度的影响，脐带缆在深水中会受到较大的拉伸和压力，接近海面的脐带缆部位由于悬挂负荷比较高，会承受非常大的拉力，所受压力较小；接近海底的脐带缆部位由于水压比较高，会承受非常大的压力，所受拉力较小。铠装钢丝作为脐带缆结构中主要承受拉力和压力的结构，给脐带缆提供抗拉、抗扭和抗压保护，其螺旋缠绕角度是影响铠装钢丝抗拉强度和抗压强度大小的关键因素。目前，国内外均采用铠装钢丝螺旋缠绕角度恒定的脐带缆进行水下生产，因此铠装钢丝螺旋缠绕角度必须同时满足脐带缆位于海面的抗拉强度和海底的抗压强度要求，而脐带缆是针对海上油气田的环境条件和使用工况专门设计的，不同的油田采用不同的脐带缆，从而恒定螺旋缠绕角度设计的铠装钢丝增加了深海油气田开发成本，对于超深海领域的发展存在制约作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种缠绕有角度变化式铠装钢丝的脐带缆，能够减小脐带缆铠装钢丝直径，即减小了脐带缆结构自重，降低了脐带缆的生产成本。
为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种缠绕有角度变化式铠装钢丝的脐带缆，外表面密布螺旋缠绕有铠装钢丝的脐带缆包括位于上部的顶段、位于下部的底段，以及位于中部的中间段；每一局部的铠装钢丝与脐带缆轴线之间夹角角度满足如下条件：
顶段夹角a＜底段夹角c；
中间段夹角逐渐由a增加至c。
优选的，夹角角度满足：
8°≤a≤20°；20°≤c≤85°。
可选的，中间段包括曲线段。
可选的，首尾相接的顶段、中间段、底段呈悬链线型式。
可选的，脐带缆为多组段悬链线型式的缆线相连构成。
现有技术采取了不变的铠装钢丝缠绕角度，所以铠装钢丝在脐带缆不同点可承受的拉力和压力都是相同的；假设现有技术脐带缆所选取的铠装钢丝的直径正好使下面关系得到满足：铠装钢丝可承受拉力等于脐带缆顶段所受的拉力，铠装钢丝可承受压力正好等于脐带缆底段所受的压力；接下来，假设有一条本发明脐带缆，且本发明脐带缆的铠装钢丝直径和现有技术脐带缆的铠装钢丝直径相同，那么因为本发明脐带缆铠装钢丝顶段缠绕角度(与脐带缆轴线夹角)相比现有技术更小，就可以承受更大拉力；底段缠绕角度(与脐带缆轴线夹角)相比现有技术更大，就能够承受更大压力，可知本发明的铠装钢丝是存在一定的能力富裕的，因此减小本发明铠装钢丝的直径仍然能够达到压力和拉力的要求，从而可降低铠装钢丝的生产成本。
附图说明
图1是本发明脐带缆的示意图；
图2是图1中圆A处的铠装钢丝缠绕示意图；
图3是图1中圆B处的铠装钢丝缠绕示意图；
图4是图1中圆C处的铠装钢丝缠绕示意图；
图5是图1中圆D处的铠装钢丝缠绕示意图；
图6是图1中圆E处的铠装钢丝缠绕示意图。
图中，1、脐带缆，2、铠装钢丝。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作描述。
如图1所示为脐带缆1示意图，脐带缆1从位于海面的船延伸至海底的设施，一般呈悬链线型式，也可呈现其他线型；作为两个极端，位于海面的脐带缆1的顶段受整条脐带缆1的重力作用从而承受非常大的拉力，但是几乎不承受海水压力；而位于海底的脐带缆1的底段几乎不承受拉力，但是承受非常大的海水压力；而从脐带缆1顶段至脐带缆1底段，脐带缆1承受的拉力逐渐减小，压力逐渐增大；
如图2所示，无论是脐带缆1承受的拉力或者压力，几乎都是由螺旋密集缠绕于脐带缆1外表面的铠装钢丝2来承担；对于拉力的承受，铠装钢丝2与脐带缆1的轴线夹角越小(更加接近轴向)承受能力越好，对于压力的承受，铠装钢丝2与脐带缆1的轴线夹角越大(更加垂直轴向)承受能力越好；因此本发明采取的方案是让每一局部的铠装钢丝2与脐带缆1轴线之间夹角角度满足如下条件：
顶段夹角a＜底段夹角c；
中间段夹角逐渐由a增加至c。
从图2至图6可看出角度变化的趋势。
但对于铠装钢丝2与脐带缆1轴线的夹角具体是多少，是与极多因素有关，需要具体问题具体分析，才能确定，故本发明仅提供总体角度变化趋势和范围，未提供具体角度数值。决定角度的因素包括：
脐带缆1所连接于的海洋油气田位置、含油量、采油方式、油管布置方式、采油年限、天气、温度；脐带缆1截面中钢管、电缆、光纤、铠装和护套等部件的数量、功率、尺寸，以及制造成本等。
上述因素都会影响脐带缆1的单位长度质量和脐带缆1的截面布置形式等，对铠装钢丝2的缠绕角度也有影响。其次，使用海况中的波高、流速、水深，以及脐带缆1使用时的上部浮体的结构形式和结构波浪反应也会影响铠装钢丝2的缠绕角度。
总之，脐带缆1为定制化产品，不同的海洋油气田需要不同功能的海洋脐带缆1，因此需要针对脐带缆1内部的钢管、电缆、光纤、铠装和护套等部件进行数量、功率、尺寸和成本的定制。
本发明考虑了悬链式的脐带缆1整体线型，但脐带缆1也存在缓波式、陡波式、缓S式以及陡S式等等布置形式，在这些布置形式下的具体角度也会有所不同。在任一布置形式下还需要考虑整体设计的参数，主要是指脱离角度、方位角、各段长度、间距等几何参数。因此铠装钢丝2缠绕角度的确定，需根据上述所有因素，逐一考虑，进而确定。
具体说，中间段可以存在曲线段，以便角度的过渡。最优方式下，整条脐带缆的顶段、中间段、底段首尾相接，呈悬链线型式。或者也可能是多段悬链线型式的缆线依次相连接，达到由上部船舶或海洋工程设备至底部设备的连接。当脐带缆为多段悬链线构成时，每一段悬链线满足本发明角度a、c以及中间段的要求。
理论分析针对抗拉和抗压形式时，受到铠装钢丝2轴向正弦函数和余弦函数的影响，针对抗拉设计，铠装钢丝2与脐带缆1轴向呈0°时抗拉能力最强，针对抗压设计，铠装钢丝2与脐带缆1轴向呈90°时抗压能力最强，但实际脐带缆1加工过程中，由于需要螺旋缠绕成型，因此铠装钢丝2与脐带缆1轴向夹角无法达到0°和90°，一般为8°～85°。
现有技术脐带缆的铠装钢丝缠绕角度为定值，一般为20°左右，参考现有技术的缠绕角度，对于本发明脐带缆1顶段和底段可以确定的较好的铠装钢丝2的缠绕角度区间如下：对于脐带缆1顶段的铠装钢丝2与脐带缆1轴线的夹角在以下范围：8°～20°；对于脐带缆1底段的铠装钢丝2与脐带缆1轴线的夹角在以下范围：20°～85°。采取该区间，本发明脐带缆1的铠装钢丝2承受拉力和压力的能力便可优于现有技术脐带缆。
根据脐带缆1的用途、环境、使用状态等要求，可选择不同的铠装形式，双层钢丝缠绕方向相反，不易扭转，圆钢丝弯曲性能好，而扁钢丝增加了脐带缆1的抗侧压能力，针对超深海领域，可以选择扁钢丝与圆钢丝组合，抗拉强度和抗侧压能力皆优。
这里再提供一种水下生产系统脐带缆1在整体线型为悬链线模型下的铠装钢丝2的加工方法，包括以下步骤：
S1：根据海洋环境要求和所在海域的工程设施需求情况，设计脐带缆1截面初始布置情况，进而确定脐带缆1初始截面力学性能和物理参数。
S2：通过建立有限元模型分析初始脐带缆1截面在环境荷载下的力学响应，进一步采用整体分析软件确定初始脐带缆1在悬链线线型设计时脐带缆随长度变化的截面拉力和压力的具体数值，选择合适的函数曲线，根据整体线型中脐带缆1截面拉力和压力的具体数值，拟合脐带缆1悬链线模型不同位置对应的铠装钢丝2螺旋缠绕角度的改变速率；
S3：根据相关国家标准和国际标准，确定铠装钢丝2的材料、直径和铠装要求。
S4：采用预扭使铠装钢丝2产生可控的弯曲塑性应变，使铠装钢丝2均匀贴服在内护套表面，去除铠装后钢丝的残余应力；
S5：在铠装过程中，确保两个钢带盘张力一致，不能过大或过小，避免铠装层应力不均、结构变形；
S6：根据计算得到的螺旋缠绕角度的改变速率，选择铠装机适当的牵引速度和收线盘的旋转角速度。
因此可将本发明具有以下特点：
1、本发明考虑到了针对不同水深，铠装钢丝2的螺旋缠绕角度是能够变化的。
2、本发明根据不同水深脐带缆1的抗拉抗压要求，设置与水深相适应的可以变化的螺旋缠绕角度，降低了深海油气田开发成本，对于超深海领域的发展存在促进作用。
3、本发明可以通过螺旋缠绕角度的改变速率，选择铠装机适当的牵引速度和收线盘的旋转角速度，为铠装钢丝2的加工方法提供了指导。
基于上述理由本发明可在脐带缆制造领域广泛推广。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种缠绕有角度变化式铠装钢丝的脐带缆，外表面密布螺旋缠绕有铠装钢丝的脐带缆包括位于上部的顶段、位于下部的底段，以及位于中部的中间段；其特征在于，每一局部的所述铠装钢丝与所述脐带缆轴线之间夹角角度满足如下条件：
所述顶段夹角a＜所述底段夹角c；
所述中间段夹角逐渐由a增加至c。
2.根据权利要求1所述缠绕有角度变化式铠装钢丝的脐带缆，其特征在于，所述夹角角度满足：
8°≤a≤20°；20°≤c≤85°。
3.根据权利要求1所述缠绕有角度变化式铠装钢丝的脐带缆，其特征在于，所述中间段包括曲线段。
4.根据权利要求1或2所述缠绕有角度变化式铠装钢丝的脐带缆，其特征在于，首尾相接的所述顶段、中间段、底段呈悬链线型式。
5.根据权利要求4所述缠绕有角度变化式铠装钢丝的脐带缆，其特征在于，所述脐带缆为多组段悬链线型式的缆线相连构成。
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