CN117074068A - 一种海底电缆抢修打捞回放过程试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海底电缆抢修打捞回放过程试验装置及方法，所述装置包括六自由度平台，手动吊葫芦一端与六自由度平台连接，下水桥设在六自由度平台边缘，手动吊葫芦连接的缆绳沿下水桥表面向地面方向延伸，缆绳延伸至地面的一端与海缆一端连接，海缆另一端由地面固定装置固定；力传感器、应变片设置在海缆的表面上，本发明在不同的船体速度与海缆起吊或下放速度比的情况下进行试验，得到海缆打捞回放过程中海缆张力、应力及曲率数据；本发明可确定不同工况下，海缆打捞回放时可使用的船体速度与起吊或下放速度比，避免出现海缆打捞或回放过程中因采用了不恰当的船体速度与起吊或下放速度比导致海缆张力或应力或曲率过大，以致海缆被破坏的情形。

Description

一种海底电缆抢修打捞回放过程试验装置及方法

技术领域

本发明涉及海缆技术领域，具体涉及一种海底电缆抢修打捞回放过程试验装置及方法。

背景技术

海底电力电缆主要用于陆岛之间、横越江河或港湾、从陆上连接钻井平台或钻井平台间的互相连接等，在岛屿和河流较多的国家，此种电缆应用较广泛。一旦电缆出现故障，电网将面临较大的运行困难和安全风险，要求在最短时间内抢修并恢复送电。500kV海底电缆抢修是一项完整的关键技术攻关项目，主要研究内容包括海缆抢修过程中覆盖物清理、水下切割、打捞和回放。其中，打捞回放过程需要模拟30~110m水深下海缆的运动状态，过大的水深导致原型试验难以进行，大部分研究只得通过仿真软件完成，但无法对其进行有效性分析，因此需要进行试验装置及方法的设计来简化打捞回放过程实现其与仿真过程的相互印证。

依据实际工程需求，海缆安装及测试过程中主要关注其最大张力及最小弯曲半径也就是最大曲率的问题，一旦运行过程中海缆张力与曲率超过海缆出厂说明书记载的许用最大值，其内部结构就容易发生破坏，对于充油海缆而言，其内部油压会因此出现较为危险的变化从而可能导致破损泄露的问题。现有技术主要集中在30m水深以下的浅水打捞回放过程，并有成功案例用于指导工程问题，但对于深水打捞回放过程缺少相应的技术指导，而原型实验所需耗费的人力物力过于庞大，且难以测量实验过程中整段的参数变化，因此，设计陆上实验意义重大。

海缆打捞需进行船上作业，海缆打捞时船体行进速度与海缆起吊速度比会对海缆张力、应力及曲率产生影响；海缆回放时船体行进速度与海缆下放速度比会对海缆张力、应力及曲率产生影响；如果打捞或回放过程中海缆张力、应力及曲率超过海缆出厂说明书记载的张力、应力及曲率许用最大值，则海缆内部结构易发生破坏。因而亟需提供一种陆上使用的海底电缆抢修打捞回放过程试验装置及相应实验方法，通过所述的实验装置及方法，计算出特定工况下，海缆打捞时船体行进速度与海缆起吊速度的合理比值，以及计算出海缆回放时船体行进速度与海缆下放速度的合理比值，以对工程实践进行指导，以便在海缆打捞或回放的实际工程中，在不同的工况下，采用合适的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比，进而避免海缆打捞或回放过程中因采用了不恰当的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比导致海缆张力、应力或曲率过大，以致海缆被破坏的情形。

发明内容

本发明目的是提供一种海底电缆抢修打捞回放过程试验装置及方法，以避免出现海缆打捞或回放过程中因采用了不恰当的船体速度与起吊速度比或船体速度与下放速度比导致海缆张力、曲率或应力过大，以致海缆被破坏的情形。

为实现以上目的，本发明技术方案为：

一种海底电缆抢修打捞回放过程试验装置，包括六自由度平台，手动吊葫芦一端的挂钩与所述六自由度平台连接，下水桥一端固定在六自由度平台上，下水桥另一端手凸出于六自由度平台；

手动吊葫芦另一端的挂钩连接缆绳的一端，缆绳部分位于下水桥的表面上，缆绳的另一端沿着下水桥的表面向地面方向延伸，缆绳延伸至地面的所述另一端与海缆夹一端连接；海缆位于地面上，海缆夹另一端夹持住海缆的一端，海缆的另一端连接法兰盘，法兰盘连接钢丝绳的一端，钢丝绳的另一端连接自动吊葫芦一端的挂钩，自动吊葫芦另一端的挂钩连接地面固定装置；海缆连接法兰盘的一端连接配重；

力传感器、多个应变片设置在海缆的表面上，采集仪与力传感器及多个应变片连接以采集力传感器及多个应变片的数据信息；

计算机与采集仪连接以对采集仪采集的数据信息进行计算。

进一步的是，所述六自由度平台上设置有固定端，所述的固定端为安装在六自由度平台上的挂钩，手动吊葫芦一端的挂钩与六自由度平台上所述固定端连接。

进一步的是，所述下水桥表面为曲面状，下水桥弯曲半径至少为5m，下水桥设置在六自由度平台边缘并且朝向手动吊葫芦链条方向布置。

进一步的是，所述配重为钢板，所述钢板一端设置过孔，所述配重通过挂钩挂在海缆一端连接的法兰盘上的螺纹孔上。

一种所述的海底电缆抢修打捞回放过程试验装置进行海底电缆抢修打捞回放试验的方法，通过六自由度平台其中一个方向的运动模拟船体行进的运动状态，通过六自由度平台另外一个方向的运动模拟海缆打捞提升运动或海缆回放下放运动；

所述方法包括以下步骤：

S1：六自由度平台运动到居中位置，拉动手动吊葫芦以及控制自动吊葫芦，使得海缆运动到实验所需的初始状态位置，使六自由度平台在预设的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比的参数下及设定的工况下运动；

S2：张力测量，海缆打捞或回放过程中，经力传感器得到海缆打捞或下放过程中的张力数据；

S3：应力测量：海缆打捞或回放过程中，采集仪采集多个应变片的应变数据，计算机通过所述的应变数据计算得到海缆应力数据；

S4：曲率测量：海缆打捞或回放过程中，曲率由以下公式计算获得,

其中c为曲率；

M为弯矩，采集仪采集多个应变片的应变数据，计算机通过所述的应变数据计算得到；

EI海缆弯曲刚度，从工具书上查询获得；

如果力传感器测得的张力数据、计算机计算得到海缆应力数据以及曲率均未超过海缆许用的最大值，则在设定工况子下，所述预设的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比的参数是合适的；海缆应力许用的最大值是指海缆铠装钢丝许用应力的最大值；

如果力传感器测得的张力数据或者计算得到的海缆应力数据、或者计算得到的曲率超过海缆许用的最大值，则在设定工况子下，所述预设的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比的参数是不合适的。

进一步的是，所述S1步骤海缆1运动到实验所需的初始状态位置是指使海缆倾斜角度与竖直方向夹角A达到实验设置的参数。

进一步的是，所述S2步骤张力测量包括在模拟不同船体行进速度与海缆起吊速度比或不同船体行进速度与海缆下放速度比的情况下进行深水打捞海缆上弯段张力测量、浅水打捞海缆上弯段张力测量。

进一步的是，所述S4步骤曲率测量包括在模拟不同船体行进速度与海缆起吊速度比或不同船体行进速度与海缆下放速度比的情况下进行深水打捞下弯段曲率测量、浅水打捞下弯段曲率测量、单侧回放下弯段曲率测量、整体回放下弯段曲率测量。

本发明的有益效果是：

1. 通过本发明实验装置及方法，可确定特定工况下海缆打捞时船体行进速度与海缆起吊速度比，以及确定海缆回放时船体行进速度与海缆下放速度比，以对工程实践进行指导，以便在海缆打捞或回放的实际工程中，在不同的工况下，采用合适的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比，进而避免海缆打捞或回放过程中因采用了不恰当的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比导致海缆张力、应力或曲率过大，以致海缆被破坏的情形。

2.本发明将海缆实际打捞回放过程中的关键位置提取出来分开进行试验研究，将海缆分为张力较大的上弯段与曲率较大的下弯段进行试验，分别取合适的长度进行试验，试验结果更加准确。

附图说明

图1是本发明试验装置连接完成后的状态图。

图2是本发明试验装置下水桥示意图。

图3是本发明试验装置进行试验的初始状态图。

图4为本发明模拟海缆上弯段打捞示意图。

图5是本发明张力测试示意图。

图6是本发明曲率测试示意图。

图7为本发明模拟海缆下弯段打捞示意图。

图8是本发明曲率测试状态图。

图9为本发明模拟海缆下弯段回放示意图。

图10是本发明海缆上粘贴应变片示意图。

图10中的（a）是本发明打捞过程海缆上粘贴应变片示意图。

图10中的（b）是本发明回放过程海缆上粘贴应变片示意图。

图11为本发明海缆夹示意图。

图12为本发明海缆夹的夹持端示意图。

图13为本发明海缆夹的连接部示意图。

其中：1-海缆； 2-六自由度平台； 21-固定端； 3-手动吊葫芦； 4-下水桥； 5-海缆夹；51-夹持端；52-连接部；521-通孔； 6-法兰盘； 7-自动吊葫芦； 8-地面固定装置； 9-配重；10-钢丝绳；11-应变片；12-采集仪；13-计算机；14-缆绳；15-力传感器。

实施方式

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

本发明海底电缆抢修打捞回放过程试验装置包括的主要部件说明如下：

六自由度平台：可通过程序控制按照指定运动速度运动，有空间三个方向的平动与三个方向的转动。

手动吊葫芦：包括两个挂钩，可手动拉动使链条回收，承载力可达10t，用于拉动海缆，使海缆处于试验的初始状态。

下水桥：用于放置链条或缆绳，使得链条或缆绳可以运动且不会破坏六自由台。

海缆夹：整体形状为一端开口的圆筒状，用于夹持海缆。

法兰盘：整体为圆盘状，用于夹持海缆，其上有螺纹可附加其他装置，如吊钩等。

自动吊葫芦：与手动吊葫芦相似，可在设定的速度下自动收放。

配重：不同重量的钢板制成，钢板顶部开孔方便安装。

地面固定装置：用于固定海缆，可将海缆刚接。

如图1所示，试验用海缆1放置在地面上。

本发明海底电缆抢修打捞回放过程试验装置包括六自由度平台2，六自由度平台2上设置有固定端21，所述的固定端21可以是安装在六自由度平台2上的挂钩，手动吊葫芦3一端的挂钩与六自由度平台2上所述的固定端21连接，下水桥4一端通过螺钉固定在六自由度平台2上，下水桥4另一端手凸出于六自由度平台2，如图2所示，下水桥4表面为曲面状，手动吊葫芦3另一端的挂钩连接缆绳14的一端，缆绳14部分位于下水桥4的表面上，缆绳14的另一端沿着下水桥4的表面向地面方向延伸，缆绳14所述的另一端可设置挂钩；海缆1位于地面上；缆绳14延伸至地面的所述另一端的挂钩与海缆夹5上的通孔521连接，海缆夹5另一端夹持住海缆1的一端，海缆1的另一端连接法兰盘6，法兰盘6连接钢丝绳10的一端，钢丝绳10的另一端连接自动吊葫芦7一端的挂钩，自动吊葫芦7另一端的挂钩连接地面固定装置8，所述的地面固定装置8可以是固定在地面上的竖直杆或凸块等。

作为本发明的另外一种实施方式，如果手动吊葫芦3的链条足够长，可以不使用缆绳14，手动吊葫芦3的链条部分位于下水桥4的表面上，手动吊葫芦3的链条沿着下水桥4的表面向地面方向延伸，海缆1位于地面上；手动吊葫芦3延伸至地面一端的挂钩与海缆夹5一端的挂钩连接。

海缆连接法兰盘6的一端可连接配重9，所述的配重9用钢板制作，并在钢板一端打孔方便连接，实际实验过程中，所述配重9可以通过挂钩挂在海缆1一端连接的法兰盘6上的螺纹孔上。

如图5及图6所示，本发明海底电缆抢修打捞回放过程试验装置还包括数据采集系统，所述的数据采集系统包括力传感器15、多个应变片11、数据采集仪12、计算机13；所述的力传感器15及多个应变片11可通过粘胶固定在海缆1上，采集仪12与力传感器15及多个应变片11有线连接，采集力传感器15及多个应变片11数据信息；计算机13与采集仪12有线连接，计算机13对采集仪12采集的数据信息进行计算。

海缆夹5如图11、图12及图13所示，海缆夹5包括上下两个夹持端51及U型连接部52，上下两个夹持端51通过螺栓固定在连接部52一端，上下两个夹持端相对设置，上下两个夹持端51连接后两者内部呈圆柱形，所述的圆柱形用于容纳夹持海缆1的一端，连接部52另一端设置有通孔521，所述通孔521可连接缆绳14一端的挂钩；连接部52另一端也可以不设置通孔521，而是设计成挂钩状。

本发明还涉及通过所述海底电缆抢修打捞回放过程试验装置进行海底电缆抢修打捞回放试验的方法，所述方法实验平台搭建说明如下。

如图1所示，将海缆1放置在地面上，海缆1一端连接海缆夹5，海缆夹5位于海缆1与手动吊葫芦3之间，手动吊葫芦3一端与六自由度平台2连接，手动吊葫芦3另一端的挂钩连接缆绳14的一端，缆绳14部分位于下水桥4的表面上，缆绳14的另一端沿着下水桥4的表面向地面方向延伸，缆绳14所述的另一端可设置挂钩；海缆1位于地面上；缆绳14延伸至地面的所述另一端的挂钩连接海缆夹5的一端，海缆夹5的另一端连接海缆1的一端，海缆1的另一端连接法兰盘6，法兰盘6连接钢丝绳10的一端，钢丝绳10的另一端连接自动吊葫芦7一端的挂钩，自动吊葫芦7另一端的挂钩连接地面固定装置8。

将力传感器15、多个应变片11通过胶带固定在海缆1表面，数据采集仪12与力传感器15、多个应变片11有线连接，计算机13与数据采集仪12有线连接。

本发明实验分为张力实验与曲率实验，张力实验需在海缆连接法兰盘6的一端连接配重9；曲率试验不需在海缆连接法兰盘6的一端连接配重9；完成张力实验后，将配重9从法兰盘6上取下后再进行曲率试验。

本发明试验装置连接完成后的状态如图1所示。

本发明试验装置连接完成后，试验装置包括的各部件运动，具体是六自由度平台2通过程序控制运动到实验预设位置，而后拉动手动吊葫芦3以及控制自动吊葫芦7，使得海缆1运动到实验所需的初始状态位置，本发明中，使海缆1运动到实验所需初始状态位置是指使海缆1倾斜角度与竖直方向夹角A达到实验设置的参数。

张力测试实验所需的初始状态位置如图3所示。

本发明中，通过六自由度平台模拟船体行进及海缆打捞回放说明如下：

图4为本发明模拟海缆上弯段打捞示意图，图4中，六自由度平台Vx 方向的运动模拟实际工程中船平动；六自由度平台Vz向上方向的运动模拟收揽提升运动，六自由度平台Vx 方向的运动速度与六自由度平台Vz方向的运动速度之比则为海缆上弯段打捞过程中船体行进速度与海缆起吊速度比；自动吊葫芦7定速度放绳配合打捞过程中海缆的运动，自动吊葫芦7放绳速度与六自由度平台Vx 方向的运动速度一致。

图7为本发明模拟海缆下弯段打捞示意图，图7中，六自由度平台Vx 方向的运动模拟实际工程中船平动；六自由度平台Vz方向向上的运动模拟收揽提升运动，六自由度平台Vx 方向的运动速度与六自由度平台Vz方向的运动速度之比则为海缆下弯段打捞过程中船体行进速度与海缆起吊速度比。

图9为本发明模拟海缆下弯段回放示意图，图9中，六自由度平台Vy 方向的运动模拟实际工程中船平动；六自由度平台Vz方向反向运动即向下方向的运动模拟海缆回放下放运动，六自由度平台Vy 方向的运动速度与六自由度平台Vz反向的运动速度之比则为海缆下弯段回放过程中船体行进速度与海缆下放速度比。

本发明中打捞过程需使用自动吊葫芦7，通过自动吊葫芦7定速度放绳配合打捞过程中海缆的运动，回放过程可以不使用自动吊葫芦7。

实验开始：

手动吊葫芦3固定，六自由度平台2有Vx与Vz两个方向的运动，模拟实际工程中船平动以及收缆两个运动状态，自动吊葫芦7定速度放绳配合这一过程中海缆的运动。因试验是与仿真相互印证的，六自由度平台运动参数的确定由仿真结果输出得来，且本试验中仿真输出海缆上段在试验时段弧度变化值小于10^-5，因此可看作海缆整体平动，所以自动吊葫芦7的速度根据其位置与输出的六自由度平台2的运动参数简单计算得来，这里并不标注，本发明实验中六自由度平台2与自动吊葫芦7的速度比分为0.8、0.9、1三种情况。本试验中，采用的仿真软件是orcaflex软件。

关于本发明试验中提及的的未切割即直接打捞和切割打捞说明如下：

未切割直接打捞多用于水深小于30m的海缆。将海缆整体打捞至作业船上后再切割、维修、测试等。集体操作为派遣潜水员或使用水下机器人（ROV）将电缆线打捞出水面时,由于水下电缆线的重量较大,为防止起重时其余部分电缆线受力过大而损坏，吊杆在起重时，其吊力应先作用在一钢质横杆上,然后由横杆通过棕绳和电缆线绑扎在一起，使吊点力均匀分散至各个点上。缓慢进行起吊作业,甚至可利用潮位、波浪，使二侧的电缆线在这些力的作用下,慢慢与水底地质脱离。最后将其搁置在甲板上弧形槽内,通过沿电缆线轴线移动船位和布缆机牵引电缆线的方法,找到确认故障点。或者通过打捞船进行直接打捞。其方法为：打捞船测量定位后,锚泊在电缆线故障点水面位置左右一定距离一般为水深的3倍以上。小船在打捞船的另一侧同样距离内,将带有四爪的铁锚抛入水中，锚缆则绕在打捞船卷扬机上，启动卷扬机，四爪锚切入水底走锚,勾住电缆线后,锚缆受力崩紧。然后打捞船移至故障点垂直上方水面，将电缆线勾起。当电缆线被勾起至水面高度小于30m时,潜水员沿吊索下水确认和进一步找到其损害部分，重新布置吊索和横杆将缆吊出水面。

因电缆线铺设余长等因素的限制，电缆线也无法承受打捞时所产生的巨大机械力，直接打捞的方式无法将海缆打捞至作业船上，因此要改用切割打捞方案：先将海缆切割后，再打捞至作业船上维修。切割打捞主要分为三个关键施工过程：覆盖物清理、水下切割、打捞回放。打捞船测量定位,锚泊在故障点水面位置上,潜水员持高压水枪结合空气吸泥装置与路由呈90°横向冲、吸泥土,直至找到电缆线。再沿着路由冲吸使露出的电缆线长度约为水深的2倍。然后潜水员或水下机器人持水下液压剪将电缆线切割成二段由水面配合快速将二个端头打捞出水。确认故障点位置在哪一端以及距离多少,将确认后电气性能合格的一端电缆线封头,套上网套和浮标抛于水中。另一端则用吊杆吊住继续冲、吸泥，并打捞电缆线至甲板,直至发现故障点。浮筒扔在水中,靠故障点一侧的电缆线封头后绕在鼓轮式牵引机上。打捞船启动绞车移船，牵引机则将水中的电缆线打捞至甲板。

关于海缆的回放：打捞维修过程完成后，对于切割后维修的过程，需先进行单侧回放过程，这一过程与敷设过程类似。而后海缆对接完毕需将海缆整体回放到海底，对接过程是在船上完成的，因此海缆在维修后必定有较长的冗余长度，若直接将海缆放回海底必定会造成弯曲失效。因此，此时需将海缆整体以“Ω”的形式放回海底，维修船需向一侧移动同时慢慢将海缆下放，这一过程中主要关注吊点位置，吊点处容易发生弯曲失效的问题，可通过弯曲板胡装置进行保护。此外还要考虑海缆冗余长度可支持将海缆以什么样的轮廓放回海底，即控制这一过程中船的行进速度与下放速度进而实现对海缆运动轨迹的控制。

在本发明试验中，将海缆打捞与回放过程海缆本体分为两部分，即上弯段与下弯段，对于上弯段需考虑其张力的问题，下弯段则主要考虑曲率问题，本发明中，上弯段是指海缆1张力最大的一段，下弯段是指海缆1曲率最大的一段，上弯段及下弯段的长度根据仿真结果及经验确定。

张力测试示意图如图5所示，实验采用六自由度平台2模拟船体运动，将所述海缆1上端通过海缆接头与在六自由度平台2上自动吊葫芦装置的吊点连接，下端与所述地面上的自动吊葫芦以同样形式连接，同时下端连接点需附加重物用于模拟海缆下端张力，用于模拟海缆下端张力；通过所述六自由度台运动，吊葫芦以及重物调节海缆倾斜角以及下端张力到仿真所输出的结果；所述六自由度运动台运动用于模拟船体行进，吊葫芦运动用于模拟打捞及回放速度以及控制海缆倾斜角按指定弧度增量变化。所述海缆上端连接拉力传感器，并将所述海缆铠装层露出，露出可粘贴应变片的开口，并用胶带将所述应变片的排线固定到海缆上，所述拉力传感器与排线另一端连接到采集系统，实现张力的实时测量。进行张力测量时，将海缆与力传感器相连并通过法兰盘接在缆绳吊点处，同时在吊点附近粘贴应变片测量一段的应变变化情况与仿真试验对比，在下端施加配重。通过数据线将信号经采集仪采集到电脑中，实现整个系统的模拟与采集。

曲率测试示意图如图7及图8所示，通过测应变转化得到海缆曲率的方式需在海缆危险位置贴应变片测量该段海缆的各位置的应变，根据打捞与回放的不同，应变片的粘贴数量与方式也不同，其中，打捞可看作平面运动，因此每个位置在海缆上下粘贴两个应变片即可，而回放过程为三维空间运动，因此需在上下及前后粘贴4组应变片进行测量，图10是本发明实施例海缆1上粘贴应变片示意图，图10中的（a）是本发明实施例打捞过程海缆1上粘贴应变片示意图，图10中的（b）是本发明回放过程海缆1上粘贴应变片示意图。同时该系统也可用于测量海缆的非吊点张力，进而得到海缆线型随打捞回放过程的变化情况，从而得到海缆各位置曲率随时间变化曲线；本发明中，海缆吊点位置是指海缆夹5的位置，海缆吊点位置的张力可用张力传感器测，非海缆吊点位置的张力可用应变片测，具体是采集仪12采集应变数据，计算机13根据应变数据计算得到应力数据，再通过应力数据计算得到张力数据；或者在海缆1上布置多个力传感器，取多个力传感器中测得的最大张力值与海缆1许用值进行对比。

本发明中，将海缆一端通过海缆接头与所述六自由度运动台上的吊葫芦装置的吊点连接，本发明中，吊葫芦吊点指吊葫芦挂钩，所述海缆直线放置并将末端固定；通过所述装置实现海缆的初始状态，打捞过程所述海缆静止放置在地面，回放过程所述海缆吊点需吊起到指定空间为止，且需满足倾斜角度要求；所述六自由度运动台与吊葫芦控制所述的海缆吊点以设定运动轨迹运动，需将所述海缆运动到指定最终状态，将所述海缆铠装层露出，露出可粘贴应变片的开口，并用胶带将所述应变片的排线固定到海缆上，所述排线的另一端连接到采集系统，实现曲率的实时测量。

经测试各系统正常后且信号采集及输出结果清晰后，开始测量。打捞与回放各分为上弯段与下弯段两部分，船体的运动都通过六自由度运动台模拟完成，速度比的模拟依靠六自由度运动台不同方向运动速度之比完成，覆盖物未完全清理的过程可先对下弯段进行覆土打捞模拟，将结果与未覆土结果进行比对观察下弯段张力的增加情况，再调整上弯段配重对上弯段进行试验。输入激励后，利用相应的采集仪及信号处理软件记录整个过程的响应曲线图。重复每组实验3-7次，取几组实验的平均值为最终结果，实验过程需通过录像设备全程记录，以便后续数据处理与结果讨论。

打捞过程张力与曲率的控制主要通过控制船体行进/起吊速度比来实现，同时需考虑海缆冗余长度、覆盖物清理程度等问题；回放过程张力的控制也是通过船体行进/下放速度比的控制，曲率则通过添加限弯器来控制，同时研究海缆冗余长度以及限弯器长度等问题。

对于海缆上弯段，通过六自由度台对海缆的运动情况进行模拟，同时以添加不同质量重物的形式对海缆不同水深下的张力进行模拟，同时对海缆角度进行控制。回放过程与打捞过程有所不同，打捞过程对曲率的考虑较少，而回放过程则需要考虑吊点处的曲率问题，可通过限弯器对吊点处进行保护，限弯器通过锁扣固定在海缆上。海缆是侧向回放过程，同样是利用六自由度台模拟回放过程船体的运动进而观察海缆的响应情况。

关于曲率的测量，六自由度平台2通过程序控制运动到实验预设位置，拉动手动吊葫芦3使得海缆1上端到指定高度并成指定角度，达到如图9所示的状态二。图7及图8为曲率测试海缆状态一，图9为曲率测试海缆状态二。其中打捞过程下段试验过程为为状态一到状态二；回放过程试验过程为状态二到状态一，状态一中海缆在地面上摆放的线条形状根据不同试验工况而不同且不为直线。

曲率测试开始时，手动吊葫芦装置固定，六自由度平台根据不同工况运动不同，共有Vx、Vy与Vz三个运动方向，用于控制海缆吊点轨迹，这一过程中，约束的运动参数为海缆吊点的运动距离，运动速度不作为控制参数。打捞过程需将放置在地面的海缆吊点运动到指定高度且成指定角度，即状态一到状态二；回放过程需将海缆从指定空间位置放置到地面的线型摆放位置，即状态二到状态一。

在本发明试验中，将海缆打捞与回放过程的海缆分为两部分，即分为上弯段部分与下弯段部分，对于上弯段部分需考虑其张力的问题，对于下弯段部分则主要考虑曲率问题。通过六自由度平台台来模拟打捞与回放过程中的船体运动以及控制下弯段部分的吊点运动轨迹从而观察海缆的响应情况。根据需要考虑的工况不同，将打捞与回放试验各分为以下几个部分。

1）深水打捞上段

船体行进/提升速度比要求至少考虑速度比0.8、0.9、1三种情况，不同速度比的情况下海缆1连接重物的配重9质量不同。

试验模拟仿真水深为100m的情况，船体运动速度为0.18m/s，试验海缆长度5m，分别模拟速度比为0.8、0.9、1三种情况。速度比为0.8时，连接重物端起始张力为87Kn，海缆倾斜角度与竖直方向夹角A为140°；速度比为0.9时，连接重物端起始张力为57Kn，海缆倾斜角度与竖直方向夹角A为143°；速度比为1时，连接重物端起始张力为42Kn，海缆倾斜角度与竖直方向夹角A为141°，试验时间5s。

深水打捞上段覆盖物是否完全清理的影响要求：至少考虑覆盖物完全清理、未完全清理时覆土与抛石坝混杂厚度为0.1m、0.2m、0.3m时共3种情况；所述的覆盖物指可在海缆上铺设泥土、石块等。

2）浅水打捞上段

冗余占比影响要求至少考虑冗余占比即海缆1的冗余长度与水深之比为40%、50%、60%三种情况，即考虑采用不同长度的海缆1进行试验。

试验模拟仿真水深30m情况，船体移动速度为0.09m/s，速度比为0.9，试验缆长度为25m，限弯器长度10m，分别模拟冗余占比为40%、50%、60%三种情况，试验过程中海缆角度变化可忽略，整体呈现为侧向平移运动，试验时间10s。冗余长度为12m时，重物端张力为43Kn，与竖直方向夹角为54°；冗余长度为12m时，重物端张力为29Kn，与竖直方向夹角47°；冗余长度为18m时，重物端张力为21.5Kn，与竖直方向夹角为40°。

浅水打捞上段覆盖物是否完全清理的影响要求至少考虑覆盖物完全清理、未完全清理时覆土与抛石坝混杂厚度为0.1m、0.2m、0.3m时共3种情况。

在冗余占比50%的情况下，将不同覆盖物厚度对应的张力增量附加到重物上进行实验。

海缆打捞过程上段试验通过附加质量的方式模拟不同水深下海缆下段对海缆上段的张力影响，通过六自由度台模拟船体运动，卷盘模拟打捞缆提升过程。通过连接海缆吊点的缆绳与连接配重的绳索以及对应的卷盘来控制海缆在试验过程中的线型，主要控制海缆的倾斜角度，参数不同海缆的倾斜角度不同。对于覆盖物未完全清理的情况，需先对海缆下弯段进行试验，得到海缆下弯段张力增量以及倾斜角度的变化附加到上段。

3）深水打捞下弯段

船体行进/提升速度比要求至少考虑速度比0.8、0.9、1三种情况。

下段选最高吊高为2.9-3m处为实验点，此处的吊高指图7中海缆夹距离底面的高度h。速度比为0.8时，缆绳回收速度为0.225m/s，吊点运动高度为3m，吊点即海缆上海缆夹的位置，水平投影运动距离为0.15m，该点与竖直方向夹角为100.5°；速度比为0.9时，缆绳回收速度为0.2m/s，吊点运动高度为2.9m，水平投影运动距离为0.25m，该点与竖直方向夹角为105°；速度比为1时，缆绳回收速度为0.18m/s，吊点运动高度为2.9m，水平投影运动距离为0.34m，该点与竖直方向夹角为110°。

深水打捞下弯段覆盖物是否完全清理的影响要求至少考虑覆盖物完全清理、未完全清理时覆土与抛石坝混杂厚度为0.1m、0.2m、0.3m时共三种情况。

在试验速度比为0.9时的基础之上，覆盖相应厚度的覆盖物，其他条件不变。

4）浅水打捞下弯段

冗余占比影响要求至少考虑冗余占比为40%、50%、60%三种情况。

冗余长度为12m时，吊点最高高度为2.7m，侧向移动0.7m，最高点与竖直方向夹角为78°；冗余长度为15m时，吊点最高高度为2.7m，侧向移动0.7m，最高点与数值方向夹角为75°；冗余长度为18m时，吊点最高高度为2.5m，侧向移动0.65m，最高点与数值方向夹角为70°。

下弯段模拟通过六自由度台以及缆绳的提升过程模拟船体运动对海缆下弯段的控制过程，主要控制吊点的运动轨迹，下弯段的试验主要研究不同参数对海缆曲率的影响，不同参数下海缆吊点的运动轨迹不同，则控制过程也不同。

浅水打捞下弯段覆盖物是否完全清理的影响要求至少考虑覆盖物完全清理、未完全清理时覆土与抛石坝混杂厚度为0.1m、0.2m、0.3m时共3种情况。

选取试验工况与冗余占比为50%的情况等同，在其上方铺上对应厚度覆盖物进行试验。

对海缆打捞过程下弯段覆盖物未完全清理情况的研究，只需在海缆下弯段试验方案的基础上添加对应工况的覆盖物，而后进行试验分析

打捞过程中，吊点是指海缆夹所在位置，吊点高度是指海缆夹距离地面的高度即图7中h指代的距离。

关于回放过程的陆上试验：

搭建海底电缆陆上回放试验平台，根据理论计算和仿真结果提出不同回放方式的试验方案，开展回放过程六自由度台试验并对仿真结果进行验证，评估回放过程对海缆机械性能的影响。试验应考虑以下变量：

1）单侧回放上弯段

船体移动/下放速度比的影响要求至少考虑速度比0.8、0.9、1三种情况。

试验模拟仿真水深100m的情况，海缆长度为25m，通过下水桥留出5m下方，其他缆通过绞盘盘放在六自由度台上，六自由度台运动速度为0.18m/s，模拟速度比0.8、0.9、1三种情况。速度比为0.8时，连接重物端起始张力为87Kn，海缆倾斜角度与竖直方向夹角A为140°；速度比为0.9时，连接重物端起始张力为57Kn，海缆倾斜角度与竖直方向夹角A为143°；速度比为1时，连接重物端起始张力为42Kn，海缆倾斜角度与竖直方向夹角A为141°，试验时间5s。

单侧回放过程与敷设过程类似，上段的试验与打捞过程类似，不同点在于需改变六自由度台以及卷盘的运动方向，同时需控制海缆倾斜角度，通过六自由度台与卷盘的运动配合实现整个过程。

2）单侧回放下弯段

船体移动/下放速度比的影响要求至少考虑速度比0.8、0.9、1三种情况。

实验模拟仿真工况与单侧回放上弯段相同，下段选最高吊高为2.9-3m处为实验点。速度比为0.8时，缆绳下放速度为0.225m/s，吊点运动高度为3m，所述吊点是指海缆夹的位置，水平投影运动距离为0.15m，该点与竖直方向夹角为100.5°；速度比为0.9时，缆绳下放速度为0.2m/s，吊点运动高度为2.9m，水平投影运动距离为0.25m，该点与竖直方向夹角为105°；速度比为1时，缆绳下放速度为0.18m/s，吊点运动高度为2.9m，水平投影运动距离为0.34m，该点与竖直方向夹角为110°。

下弯段的试验与打捞过程类似，不同点同样在于需改变六自由度台以及卷盘的运动方向，同时需控制海缆吊点运动轨迹，通过六自由度台与卷盘的运动配合实现整个过程。

3）整体回放上弯段

船体移动/下放速度比影响要求至少考虑速度比0.8、0.9、1时三种情况。

试验模拟仿真水深100m情况，船体行进速度为0.09m/s，限弯器长度14m，速度比分别为0.8、0.9、1三种情况，试验时间为10s，海缆整体侧向移动，运动过程中角度变化极小可忽略，可看作整体的平移运动。三种情况下海缆重物端张力都为71Kn，该点与竖直方向的夹角为37°。

整体回放上弯段冗余占比的影响要求至少考虑冗余占比50%、60%、70%三种情况。

试验模拟仿真水深100m情况，模拟海缆长度为25m，限弯器长度为14m，船体行进速度比为0.09m/s，速度比为0.9，模拟冗余占比即海缆1冗余长度与水深的比为50%、60%、70%三种情况，实验时间为10s，海缆整体侧向移动，运动过程中角度变化极小可忽略，可看作整体的平移运动。冗余长度为50m时，海缆重物端起始张力为120Kn，与竖直方向夹角为48°；冗余长度为60m时，海缆重物端起始张力为90Kn，与竖直方向夹角为42°；冗余长度为70m时，海缆重物端起始张力为71Kn，与竖直方向夹角为37°。

整体回放上弯段保护器的影响要求至少考虑保护器长度14m、18m、22m三种情况。

试验模拟仿真水深100m情况，模拟海缆长度为25m，船体行进速度比为0.09m/s，速度比为0.9，冗余占比70%，试验时间10s。三种情况下海缆重物端张力与角度无明显变化，张力为71Kn，该点与竖直方向夹角为37°。

试验中整体回放通过限弯器保护，此时通过单一吊点回放海缆也不会出现弯曲与张力失效的问题。此时重物的施加须施加在海缆两侧，两卷盘连线需与六自由度台运动方向垂直，此时才能模拟海缆侧向回放的整个过程，而后通过六自由度台模拟船体运动及电缆回放下放运动，实现对速度比，冗余占比及限弯器长度的控制。

4）整体回放下弯段

船体移动/下放速度比影响要求至少考虑速度比0.8、0.9、1时三种情况。

速度比为0.8时，最高点高度为2.85m，平放至地面时海缆侧向移动为0.58m；速度比为0.9时，最高点高度为2.85m，平放至地面时海缆侧向移动为0.66m；速度比为1时，最高点高度为2.85m，平放至地面时海缆侧向移动为0.75m；

整体回放下弯段冗余占比的影响要求至少考虑冗余占比50%、60%、70%三种情况。

下段试验其扭转情况50m余长时，起始处吊点高3m与竖直方向夹角为82°，将其整体回放至地面，这一过程中吊点处侧向移动距离为0.7m，水平方向运动小于0.05m可忽略；60m余长时，起始处吊点高2.9m与竖直方向夹角为80°，将其整体回放至地面，这一过程中吊点处侧向移动距离为0.65m，水平方向运动小于0.05m可忽略；70m余长时，起始处吊点高2.5m与竖直方向夹角为79°，将其整体回放至地面，这一过程中吊点处侧向移动距离为0.6m，水平方向运动小于0.05m可忽略。

整体回放下弯段保护器的影响要求至少考虑保护器长度14m、18m、22m三种情况。

吊点最高点为3m时，三种情况下仿真情况相同，最高点与竖直方向夹角为78°，侧向运动距离为0.6m，水平方向运动小于0.05m可忽略。

回放过程中，吊点是指海缆夹所在位置，吊点高度是指海缆夹距离地面的高度即图9中h指代的距离。

整体回放过程下弯段的控制过程区别于其他试验过程主要在于船体的运动包含了水平与纵向运动两个过程且同时进行。

本发明中曲率由以下公式计算获得,

其中c为曲率；M为弯矩，采集仪12采集多个应变片11的应变数据，计算机13通过所述的应变数据计算得到；EI海缆弯曲刚度，从工具书上查询获得；

在本发明具体实施例中，通过将测得的张力数据、计算得到的应力数据以及曲率与海缆许用的最大值进行比较，如果测得的张力数据、计算得到的应力数据以及曲率均未超过海缆许用的最大值，则在本发明设定的工况下，设定的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比为0.8、0.9或1是合理的。

本发明实施例中，将测得的张力数据、计算得到的应力数据以及曲率与海缆1许用的最大值进行比较，如果测得的张力数据或者计算得到的应力数据或者曲率超过海缆1许用的最大值，则在本发明设定的工况下，设定的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比为0.8或者0.9或者1是不合理的。

最后应说明的是：本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种海底电缆抢修打捞回放过程试验装置，其特征在于：包括六自由度平台（2），手动吊葫芦（3）一端的挂钩与所述六自由度平台（2）连接，下水桥（4）一端固定在六自由度平台（2）上，下水桥（4）另一端手凸出于六自由度平台（2）；

手动吊葫芦（3）另一端的挂钩连接缆绳（14）的一端，缆绳（14）部分位于下水桥（4）的表面上，缆绳（14）的另一端沿着下水桥（4）的表面向地面方向延伸，缆绳（14）延伸至地面的所述另一端与海缆夹（5）一端连接；海缆（1）位于地面上，海缆夹（5）另一端夹持住海缆（1）的一端，海缆（1）的另一端连接法兰盘（6），法兰盘（6）连接钢丝绳（10）的一端，钢丝绳（10）的另一端连接自动吊葫芦（7）一端的挂钩，自动吊葫芦（7）另一端的挂钩连接地面固定装置（8）；海缆（1）连接法兰盘（6）的一端连接配重（9）；

力传感器（15）、多个应变片（11）设置在海缆（1）的表面上，采集仪（12）与力传感器（15）及多个应变片（11）连接以采集力传感器（15）及多个应变片（11）的数据信息；

计算机（13）与采集仪（12）连接以对采集仪（12）采集的数据信息进行计算。

2.根据权利要求1所述的一种海底电缆抢修打捞回放过程试验装置，其特征在于：所述六自由度平台（2）上设置有固定端（21），所述的固定端（21）为安装在六自由度平台（2）上的挂钩，手动吊葫芦（3）一端的挂钩与六自由度平台（2）上所述固定端（21）连接。

3.根据权利要求1所述的一种海底电缆抢修打捞回放过程试验装置，其特征在于：所述下水桥（4）表面为曲面状，下水桥（4）弯曲半径至少为5m，下水桥（4）设置在六自由度平台（2）边缘并且朝向手动吊葫芦（3）链条方向布置。

4.根据权利要求1所述的一种海底电缆抢修打捞回放过程试验装置，其特征在于：所述配重（9）为钢板，所述钢板（9）一端设置过孔，所述配重（9）通过挂钩挂在海缆（1）一端连接的法兰盘（6）上的螺纹孔上。

5.利用权利要求1所述的海底电缆抢修打捞回放过程试验装置进行海底电缆抢修打捞回放试验的方法，其特征在于：通过六自由度平台（2）其中一个方向的运动模拟船体行进的运动状态，通过六自由度平台（2）另外一个方向的运动模拟海缆（1）打捞提升运动或海缆（1）回放下放运动；

所述方法包括以下步骤：

S1：六自由度平台（2）运动到居中位置，拉动手动吊葫芦（3）以及控制自动吊葫芦（7），使得海缆（1）运动到实验所需的初始状态位置，使六自由度平台（2）在预设的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比的参数下及设定的工况下运动；

S2：张力测量，海缆打捞或回放过程中，经力传感器（15）得到海缆（1）打捞或下放过程中的张力数据；

S3：应力测量：海缆打捞或回放过程中，采集仪（12）采集多个应变片（11）的应变数据，计算机（13）通过所述的应变数据计算得到海缆（1）应力数据；

S4：曲率测量：海缆打捞或回放过程中，曲率由以下公式计算获得,其中c为曲率；

M为弯矩；

EI海缆弯曲刚度；

如果力传感器（15）测得的张力数据、计算机（13）计算得到海缆（1）应力数据以及曲率均未超过海缆（1）许用的最大值，则在设定工况子下，所述预设的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比的参数是合适的；

如果力传感器（15）测得的张力数据、或者计算得到的海缆（1）应力数据、或者计算得到的曲率超过海缆（1）许用的最大值，则在设定工况子下，所述预设的船体行进速度与海缆起吊速度比或者船体行进速度与海缆下放速度比的参数是不合适的。

6.根据权利要求5所述的利用海底电缆抢修打捞回放过程试验装置进行海底电缆抢修打捞回放试验的方法，其特征在于：所述S1步骤海缆1运动到实验所需的初始状态位置是指使海缆（1）倾斜角度与竖直方向夹角A达到实验设置的参数。

7.根据权利要求5所述的利用海底电缆抢修打捞回放过程试验装置进行海底电缆抢修打捞回放试验的方法，其特征在于：所述S2步骤张力测量包括在模拟不同船体行进速度与海缆起吊速度比或不同船体行进速度与海缆下放速度比的情况下进行深水打捞海缆上弯段张力测量、浅水打捞海缆上弯段张力测量。

8.根据权利要求5所述的利用海底电缆抢修打捞回放过程试验装置进行海底电缆抢修打捞回放试验的方法，其特征在于：所述S4步骤曲率测量包括在模拟不同船体行进速度与海缆起吊速度比或不同船体行进速度与海缆下放速度比的情况下进行深水打捞下弯段曲率测量、浅水打捞下弯段曲率测量、单侧回放下弯段曲率测量、整体回放下弯段曲率测量。