CN111539147A - 基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析 - Google Patents

基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析 Download PDF

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苏天赐
张安安
林钰
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Abstract

本发明基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析，涉及脐带缆温度场仿真技术领域，包含以下步骤：步骤1：在ANSYS仿真软件中，建立海底脐带缆几何模型；步骤2：将海底脐带缆各个部分的组成材料参数输入ANSYS仿真软件中，建立海底脐带缆有限元模型并进行网格划分；步骤3：设置海底脐带缆周围水域；步骤4：设定脐带缆环境温度、工作电流以及对流换热系数的取值范围；步骤5：对脐带缆稳态温度场建模仿真；步骤6：对脐带缆的局部发热稳态温度场建模仿真；步骤7：对脐带缆的瞬态温度场建模仿真。本发明能准确计算复杂结构和环境条件下的海底脐带缆温度场，简单方便地得出脐带缆各层与光纤温度之间的非线性映射关系。

Description

基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析
技术领域
本发明涉及一种海底脐带缆分布式实时监测技术，特别涉及一种海底脐带缆温度场建模计算分析方法，具体是指如何利用基于布里渊光时域(BOTDR)设备获取光纤温度来得到海底脐带缆的各个部分的温度分布的方法，属于海底脐带缆在线监测技术领域。
背景技术
随着海洋资源的开发和利用，以及海上平台和海上风电场的发展，海底脐带缆这些年得到了日益广泛的应用，其作为海上平台设备和水下生产系统之间电力、通讯、液压动力和化学药剂的连接通道，如同母体和胎儿之间的“脐带”，被誉为深水油气田开发的“生命线”。因此，脐带缆的稳定运行不仅关系到海上平台的生产、同时关系到整个平台群电网的可靠运行。
由于脐带缆的特殊运行环境，无法进行常规巡检，缺乏有效的安全管理措施，一旦突发事故，损失巨大。海底脐带缆在运行过程中，会因为绝缘层老化、电源谐波过高、终端接头不良或者电源电压波动、负载过重等因素引起热击穿，所以对脐带缆运行状态进行在线温度监测，监测脐带缆的导体温度以及管道温度，在脐带缆发生故障前发现问题并采取措施，对保证海上油气平台的正常运转及安全生产具有重要意义，但是由于脐带缆敷设在海底，无法直接测量导体温度和管道温度。
从国内外发展现状来看，国外发达国家对水下生产系统脐带缆研究已较为成熟，国外很多学者采用解析和数值方法对脐带缆整体和截面进行了分析，刘骥,李秀婧,高欢,郭宏.基于有限元分析的水下脐带电缆电场与温度场特性[J].高电压技术,2014,40(06):1658-1665.这些分析大多是关于力学性能方面的研究，关于电场、温度场的分析较少。对温度的监测可降低由于电磁环境造成的监测数据误差。目前用于海底脐带缆温度场分析主要手段有国际电工委员会制定的IEC60287标准和数值计算的方法。其中IEC标准以等值热路模型为基础，通过定义各个单元的热阻和相关损耗，并结合传热公式进行载流量和温度的计算，由于计算方便且在很多情况下具有较高的准确性，该方法在电缆温度场分析问题上得到了较为广泛的应用。但是由于海底脐带缆敷设环境的复杂性以及影响传热的可变因素有很多，IEC标准所采用的经验公式和参数，在一定的程度上降低了计算结果的准确性。并且IEC标准是将复杂且更准确的场的问题简化成更简单的路的问题，不可避免会引入误差。
发明内容
为了解决上述存在的问题，本发明提出了一种基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析方法。温度场中的有限元法就是通过现代数值计算的方法来求解导热微分方程，它可以具有任意布置的网格和节点，能够对复杂区域和复杂边界问题的求解带来极大的灵活性和适应性。在海底脐带缆温度场整体区域变分求解遇到困难时，采用网格剖分技术，使变分计算在每个局部网格单元中进行，最后再合成为整体的线性代数方程组进行求解。该方法将研究对象从宏观转为微观，由总体转为局部单元，可以求得每个单元的温度，从而确定海底脐带缆整个求解区域的温度分布。在输入参数准确的情况下，计算复杂结构以及不同复杂敷设环境条件下的脐带缆温度场的准确度极高，得到海底脐带缆各层温度与光纤温度之间的映射关系。
本发明所提出的基于有限元的海底脐带缆温度场分析具体步骤如下：
(1)利用ANSYS有限元分析软件，建立海底脐带缆几何模型；
(2)在ANSYS有限元分析软件中设置海底脐带缆各部分的材料参数，建立海底脐带缆的电热耦合有限元模型；
(3)设置海底脐带缆周围水域；
(4)设定海底脐带缆环境温度、管道内液体温度、热载荷工作电流以及对流换热系数的取值范围；
(5)对海底脐带缆整体稳态温度场进行建模分析；
(6)对海底脐带缆局部发热稳态温度场进行建模分析；
(7)对海底脐带缆瞬态温度场进行建模分析
2.在步骤(1)中几何模型采用三根完全相同的导电线芯、三根光单元并外包外层材料；导电线芯在海底脐带缆内部呈“品”字形分布；三根光单元以及输液管道围绕中心对称分布；
3.在步骤(2)中，有限元模型采用ANSYS Workbench中的Thermal-electric分析模块，属于电-磁-热稳态分析；
4.所述的步骤(4)电压电流载荷的取值范围为[0，1400]A，环境温度的取值范围为[17，22]℃，对流换热系数的取值为5W/(m2·℃)，工作时假定管道内部液体为一恒温源，取管道内液体温度为25℃。
5.所述步骤(5)包含如下子步骤：
5.1)：对步骤(1)中所描述的海底脐带缆的几何模型进行网格划分，其网格大小依次为：2mm、1.5mm、3mm；其余各层采用不规则的网格划分方式，其网格大小为3-6mm大小不等；
5.2)：根据步骤(4)中所述的热载荷工作电流的取值范围，取一个工作电流，输入生热率热载荷；
5.3)：根据步骤(4)中所述的环境温度和对流换热系数取值范围，设定海底脐带缆的边界条件；
5.4)：进行海底脐带缆稳态温度场热分析；
5.5)：获取海底脐带缆各层与光纤的温度，将处理所得到的结果导入相应的数据库中；
6.所述步骤(6)包含如下子步骤：
6.1)：在ANSYS有限元仿真软件中，对步骤(1)中所述的海底脐带缆的物理结构尺寸图建立的几何模型，设定其海底脐带缆的长度。
6.2)：根据步骤(2)中所获取的海底脐带缆各组成材料的导热系数，选取海底脐带缆的正中心一段长度的绝缘部分，设定其导热系数。
6.3)：根据步骤6.1)中设定的海底脐带缆长度的几何模型进行扫掠的规则网格划分；
6.4)：依次重复执行所述步骤的步骤(5)的步骤5.2)、步骤5.3)、步骤5.4)、步骤5.5)；
7.所述步骤(7)包含以下子步骤：
7.1)：重复步骤(1)、步骤(2)、步骤(5)中的步骤5.1)、步骤5.2)；
7.2)：根据步骤(4)中所述的环境温度和对流换热系数取值范围，设定海底脐带缆的边界条件；
7.3)：进行海底脐带缆瞬态温度场热分析；
7.4)：获取海底脐带缆各层与光纤的温度；
7.5)：获取海底脐带缆中各层与光纤温度在通电电流发生改变时，达到稳定状态所需时间和光纤温度发生变化所需的时间；
8.在步骤(5.3)、步骤(7.2)中，设置边界条件；假设水域模型下边界的温度恒定，设置下层海水温度为17℃，为第一类边界条件；整体模型在水平方向上的温度梯度设置为0，左右边界的法向热流密度为0，及左右两边界完全隔热，为第二类边界条件；水域模型上边界为空气，空气与水域之间存在对流换热，设置上层空气温度为22℃，为第三类边界条件。
与现有技术相比，本发明的有益效果
(1)本发明能够有效监测海底脐带缆整体的温度状况，并且不易遭受电磁干扰的影响；
(2)本发明通过建立物理模型，采用数值计算的方法，在输入参数准确的情况下，计算海底脐带缆复杂结构与环境条件下的温度场的准确度极高、十分逼近真实情况，在有效避免IEC标准标准不足的同时，还有其自身成本低、试验研究准确的优点；
(3)本发明采用电-磁-热耦合模块进行建模，综合考虑海底脐带缆的温升效应、集肤效应以及涡流损耗，更加逼近真实情况；
(4)本发明在具体实施方式中对海底脐带缆的几何模型作出相关假设和相应简化，并设置详细的边界条件，为后续具有高精度的ANSYS建模计算结果奠定了基础；
(5)本发明不需要大量的实验，就可以得到海底脐带缆导体、管道与光纤温度之间的非线性映射关系的数据，非常简单方便。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为海底脐带缆结构剖面图；
图3为导电线芯结构剖面图；
图4为光单元结构剖面图；
图5为输液管道结构剖面图；
图6为海底脐带缆简化后几何模型；
图7为海底脐带缆及周围水域整体几何模型；
图8为本发明模型截面网格划分效果图；
图9为海底脐带缆各层温度与光纤温度之间的非线性映射关系；
图10为本发明海底脐带缆各层温度随电流变化情况；
具体实施方式
下面结合附图及实施案例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施案列仅用以解释本发明，不能理解为对本发明包括范围的限制，该领域的技术熟练人员可以依据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。
结合实例，本发明具体步骤如下：
(1)获取海底脐带缆的物理结构尺寸图，在ANSYS有限元分析软件中，建立海底脐带缆几何模型，海底脐带缆由三根完全相同的导电线芯、三根光单元、三根输液管道及外层材料绞合而成，海底脐带缆截面如图2，导电线芯截面如图3所示；光单元截面如图4，输液管道截面如图5。
海底脐带缆中外层材料从内到外依次为填充层1、扎带2、铠装垫层3、镀锌钢丝铠装层4和外被层5。在填充层中，导电线芯在脐带缆中呈“品”字形排列，从内到外依次为导体铜芯6、导体屏蔽层7、交联聚乙烯绝缘层8、绝缘屏蔽层9、阻水层10、铅护套11、防腐层12和聚乙烯内护套13。在填充层中，三根光单元对称分布，该光单元包括聚乙烯内护套14和钢管15，通信单模光纤16处于松弛状态置于钢管15之中。导体铜芯由导电圆单线逐层绞合而成；线芯以及光单元分别以绞合的方式被包裹在填充物内；镀锌钢丝铠装层由铠装钢丝以层绞的方式缠绕在海缆制定层。输液管道由隔热防腐层17和外部钢管18构成。
海底脐带缆内部的绞合结构是因为增加脐带缆自身的机械强度，绞合结构对热量床底、温度等的影响均较小，因此在搭建海底脐带缆几何模型时，在保证仿真结果正确性的前提基础上，可对导体铜芯以及镀锌钢丝铠装层均不采用绞合。同时，为控制网格数量，提高仿真计算速度，可根据IEC国际标准对模型进行简化，将阻水层、铅护套以及防腐层合并为一层。简化后海底脐带缆的几何模型如图6所示。
(2)通过向脐带缆厂商调研获取海底脐带缆各部分组成材料的参数，在本实例中，所述材料参数包含：密度、热膨胀系数、杨氏模量、泊松比、弹性模量、抗拉屈服强度、抗压屈服强度、磁导率、热导率、比热容、电阻、管道材料、热传导系数，建立海底脐带缆的有限元模型。
表1海底脐带缆有限元模型材料参数表
Figure BDA0002471833690000061
(3)设置位于海底脐带缆周围的水域，水域长度设置与海底脐带缆长度一致，脐带缆位于水域的中心位置，将海底脐带缆周围的水域范围设置为1m×1m的正方形。建立好的海底脐带缆及周围水域的三维几何模型如图7所示。
(4)列出海底脐带缆环境温度T0、管道内液体温度T1、热载荷工作电流I、对流换热系数H的取值范围，在本实例中，设定环境温度T0的取值范围为[17，22]℃，管道内液体温度T1取值为恒定25℃，热载荷工作电流I的取值范围为[0，1400]A，对流换热系数H的取值为5W/(m2·℃)。
(5)对海底脐带缆的整体稳态温度场进行建模，包含以下子步骤：
(5.1)对步骤(1)中所描述的海底脐带缆的几何模型进行网格划分，导体线芯、光单元、输液管道采用扫掠的规则网格划分方式，其网格大小依次为：2mm、1.5mm、3mm；其余各层由于影响量较小，可不做过多考虑，采用智能网格划分方式，其网格大小为3-6mm不等，划分好的脐带缆网格如图8所示。
(5.2)对导体施加一定大小的电压、电流载荷，根据生热率Q＝I2R/(LS)，输入生热率热载荷，其中，R为海底脐带缆的导体电阻，L为海底脐带缆的长度，S为海底脐带缆导体的横截面积。在本实例中，海底脐带缆的导体为铜芯。
(5.3)设定海底脐带缆的边界条件：假设水域模型下边界的温度恒定，设置下层海水温度为17℃；整体模型在水平方向上的温度梯度设置为0，左右边界的法向热流密度为0，及左右两边界完全隔热；水域模型上边界为空气，设置上层空气温度为22℃，空气与水域之间对流换热系数为5W/(m2·℃)。
(5.4)进行稳态温度场热分析。
(5.5)根据焦耳定律，导体流经电流稳定时，自身发热及其内部温度场趋于稳定；施加电压、电流载荷时，通过在导电线芯两端施加一恒定电压，使得导电线芯中产生稳定电流。电压、电流载荷大小应保持逐步递增趋势；生成电流稳定时导体线芯温度最高点处，得出导体线芯随电流大小的变化情况。对于仿真所得结果进行后处理，以获取海底脐带缆的各层温度与光纤温度之间的非线性映射关系如图9所示，以及海底脐带缆的各层温度与电流之间的非线性映射关系如图10所示。
(5.6)将处理得到的结果输入海底脐带缆对应的数据库中，该数据库可用于海底脐带缆在线监测系统中。
(6)对海底脐带缆的局部发热稳态温度场进行建模，包含以下子步骤：
(6.1)根据步骤(1)中所描述的海底脐带缆的几何模型，在本实例中，设定海底脐带缆的长度L为10.1米，可以便于取海底脐带缆的中间5m～5.1m处长度为0.1m的绝缘部分，以修改其热传导系数。
(6.2)根据步骤(2)中所获取的海底脐带缆各组成材料的热传导系数，取海底脐带缆的正中心0.1米长度的绝缘部分，设定其热传导系数为0.001W/(m·℃)，使其远小于绝缘材料本身的热传导系数，从而得到其在发热状态下的材料特性。
(6.3)对步骤(6.1)所述的长度为10.1米的海底脐带缆的几何模型进行网格划分，导体线芯、光单元、输液管道采用扫掠的规则网格划分方式，其网格大小依次为：2mm、1.5mm、3mm；其余各层由于影响量较小，可不做过多考虑，采用智能网格划分方式，其网格大小为3-6mm不等，划分好的脐带缆网格如图8所示。
(6.4)依次重复执行步骤(5)的步骤(5.2)、步骤(5.3)、步骤(5.4)、步骤(5.5)、步骤(5.6)。
(7)对海底脐带缆的瞬态温度场进行建模。将海底脐带缆的工作电流从0突变到300A，包含如下子步骤：
(7.1)重复步骤(5.1).
(7.2)在ANSYS有限元仿真软件中，输入海底脐带缆各组成材料的材料参数，在本实例中，所述的材料参数包含：密度、热膨胀系数、杨氏模量、泊松比、弹性模量、抗拉屈服强度、抗压屈服强度、磁导率、热导率、比热容、电阻、管道材料、热传导系数。
(7.3)重复步骤(5)中的步骤(5.1)、步骤(5.2)。
(7.4)设定海底脐带缆的边界条件：假设水域模型下边界的温度恒定，设置海水下层温度为17℃；整体模型在水平方向上的温度梯度设置为0，左右边界的法向热流密度为0，及左右两边界完全隔热；水域模型上边界为空气，空气与水域之间对流换热系数为5W/(m·℃)。
(7.5)将海底脐带缆的工作电流从0突变到300A，进行瞬态热分析。
(7.6)重复步骤(5)中的步骤(5.5)。
(7.7)获取海底脐带缆各层与光纤温度在工作电流发生改变时：1)脐带缆各层与光纤温度不再升高，达到稳定状态所需的时间；2)光纤的温度发生变化所需的时间。
在本实例中，步骤(6)与步骤(7)中所得的温度与时间数据，用来对海底脐带缆发生异常时，BOTDA所获取的光纤温度数据，进行判断此时海底脐带缆处于何种运行状态下。

Claims (8)

1.基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
(1)利用ANSYS有限元分析软件，建立海底脐带缆几何模型；
(2)在ANSYS有限元分析软件中设置海底脐带缆各部分的材料参数，建立海底脐带缆的电热耦合有限元模型；
(3)设置海底脐带缆周围水域；
(4)设定海底脐带缆环境温度、管道内液体温度、热载荷工作电流以及对流换热系数的取值范围；
(5)对海底脐带缆整体稳态温度场进行建模分析；
(6)对海底脐带缆局部发热稳态温度场进行建模分析；
(7)对海底脐带缆瞬态温度场进行建模分析。
2.如权利要求1所述基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析方法，其特征在于，在步骤(1)中几何模型采用三根完全相同的导电线芯、三根光单元并外包外层材料；导电线芯在海底脐带缆内部呈“品”字形分布；三根光单元以及输液管道围绕中心对称分布。
3.如权利要求2所述基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析方法，其特征在于，在步骤(2)中，有限元模型采用ANSYS Workbench中的Thermal-electric分析模块，属于电-磁-热稳态分析。
4.如权利要求3所述基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析方法，其特征在于，所述的步骤(4)电压电流载荷的取值范围为[0，1400]A，环境温度的取值范围为[17，22]℃，对流换热系数的取值为5W/(m2·℃)，工作时假定管道内部液体为一恒温源，取管道内液体温度为25℃。
5.如权利要求4所述基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析方法，其特征在于，所述步骤(5)包含如下子步骤：
5.1)：对步骤(1)中所描述的海底脐带缆的几何模型进行网格划分，其网格大小依次为：2mm、1.5mm、3mm；其余各层采用不规则的网格划分方式，其网格大小为3-6mm大小不等；
5.2)：根据步骤(4)中所述的热载荷工作电流的取值范围，取一个工作电流，输入生热率热载荷；
5.3)：根据步骤(4)中所述的环境温度和对流换热系数取值范围，设定海底脐带缆的边界条件；
5.4)：进行海底脐带缆稳态温度场热分析；
5.5)：获取海底脐带缆导体、管道与光纤的温度，将处理所得到的结果导入相应的数据库中。
6.如权利要求5所述基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析方法，其特征在于，所述步骤(6)包含如下子步骤：
6.1)：在ANSYS有限元仿真软件中，对步骤(1)中所述的海底脐带缆的物理结构尺寸图建立的几何模型，设定其海底脐带缆的长度；
6.2)：根据步骤(2)中所获取的海底脐带缆各组成材料的导热系数，选取海底脐带缆的正中心一段长度的绝缘部分，设定其导热系数；
6.3)：根据步骤6.1)中设定的海底脐带缆长度的几何模型进行扫掠的规则网格划分；
6.4)：依次重复执行所述步骤的步骤(5)的步骤5.2)、步骤5.3)、步骤5.4)、步骤5.5)。
7.如权利要求6所述基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析方法，其特征在于，所述步骤(7)包含以下子步骤：
7.1)：重复步骤(1)、步骤(2)、步骤(5)中的步骤5.1)、步骤5.2)；
7.2)：根据步骤(4)中所述的环境温度和对流换热系数取值范围，设定海底脐带缆的边界条件；
7.3)：进行海底脐带缆瞬态温度场热分析；
7.4)：获取海底脐带缆各层与光纤的温度；
7.5)：获取海底脐带缆中各层与光纤温度在通电电流发生改变时，达到稳定状态所需时间和光纤温度发生变化所需的时间。
8.如权利要求书7所述基于有限元仿真的海底脐带缆温度场分析方法，其特征在于，在步骤(5.3)、步骤(7.2)中，设置边界条件；假设水域模型下边界的温度恒定，设置上层海水温度为17℃，为第一类边界条件；整体模型在水平方向上的温度梯度设置为0，左右边界的法向热流密度为0，及左右两边界完全隔热，为第二类边界条件；水域模型上边界为空气，空气与水域之间存在对流换热，设置上层空气温度为22℃，为第三类边界条件。
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