500kV海底电缆铠装损坏水下原位修复研究.pdf

2023年第3 期No.32023专题报道500kV海底电缆铠装损坏水下原位修复研究刘利刚，伏文如，陈果，王佳佳，周远清，董吴磊（1.南海海缆有限公司，汕尾516 54 5；2.中天海洋系统有限公司，南通2 2 6 0 10）摘要：本工作基于50 0 kV海底电缆铠装及周围护层存在损坏的情况，设计了水下原位修复方案代替传统打捞修复方案，保护未受损绝缘；设计了从半导电护套到铠装层的各护层修复方法，并使用钛合金夹具及弯曲限制器对修复部位进行保护；随后通过力学计算及试验，校核了机械连接和弯曲限制器的可靠性，结果符合要求；最后校核弯曲限制器部位的载流量，弯曲限制器部位海底电缆埋深应小于150 0 mm。关键词：海底电缆；水下原位维修；机械保护；力学性能；载流量校核中图分类号：TM247Research on Underwater Repair of 500 kV Submarine Cables Armor DamageLIU Ligang,FU Wenru,CHEN Guo,WANG Jiajia,ZHOU Yuanqing,DONG Wulei?(1.South Sea Submarine Cable Co.,Ltd.,Shanwei 516545,China;2.Zhongtian Ocean System Co.,Ltd.,Nantong 226010,China)Abstract:Based on the fact that 500 kV submarine cables armor and surrounding protective layer were damaged,the underwater in-situ repair scheme was designed according to the actual situation to replace the traditional salvagerepair scheme,which could protect the undamaged insulation.The repairing methods from semi-conductive sheathto armored layer were designed,and titanium alloy clamp and bending limiter were used to protect the repairingparts.Then through mechanical calculation and test,the reliability of mechanical connection and bending limiterwas checked,and the results met the requirements;Finally,the ampacity of the bending limiter was checked,andthe buried depth of the submarine cables at the bending limiter should be less than 1 500 mm.Key words:submarine cables;the underwater repair;mechanical protection;mechanical properties;ampacitycheck0引言随着海洋事业的迅速发展，海底电缆作为“连接神经”起到岛屿、大陆和平台之间电力及通信传输的作用,其安全性和稳定性对海上石油平台的正常运行、海上风力发电的顺利传输，及大陆之间的信息交流至关重要。海底电缆敷设后长期服役于环境复杂的海底，其中，铠装层是承受压力和拉力的组件，起到防止绝缘线芯和光纤受力变形进而影响传输性能的作用 2 。铠装层在长时间运行过程中会由于机械损伤、材料缺陷、设计和制作工艺不良，及护层腐蚀等原因发生损伤，引起铠装层损伤的原因 3-4 主要有：船舶抛锚；海底电缆交叉点长时间摩擦；地壳变动对海底电缆施加的强拉力；潮汐引发的波浪使海底电缆移位和摆动；海底微小收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 1作者简介：刘利刚（19 8 2 一），男，工程师。E-mail:电线电缆Wire&CableD0I:10.16105/j.dxdl.1672-6901.202303001文献标志码：A文章编号：16 7 2-6 9 0 1（2 0 2 3)0 3-0 0 0 1-0 6生物和有机体长时间在海底电缆表面附着造成的化学腐蚀。近年来，随着国内海底电缆制造技术的发展，我国海底电缆维修技术也经历了从无到有的快速发展过程，已有文献 5-7 对我国海底电缆维修案例进行了研究，但涉及到高压海底电缆的维修案例鲜有介绍，该领域的维修技术在国内尚不成熟，部分技术仍被国外垄断。参考以往国内外海底电缆维修案例，一般对海底电缆进行打捞维修，确定损伤长度后，首先在预定维修位置按照“Q”形态敷设预留的备用海底电缆，随后对损伤段电缆进行打捞切除，最后连接备用海底电缆并测试其性能，性能测试完成后，将海底电缆下放至海中，并做相关保护和冲埋 8-9 。高压海底电缆部分损坏修复和水下原位修复至今未见相关报道。该项技术是国内海底电缆发展中需要重点突破的关键问题之一。本工作基于50 0 kV海底电缆铠装及护层存在部分损坏的情况，制定了海底电缆水下原位修复方案，并校核了修复部位的机械性能及弯曲限制器部.12023年6 月Jun.,20232023年第3 期No.32023位的载流量，完成了海底电缆的修复。1背景介绍受损充油海底电缆的结构示意图见图1,结构尺寸见表1 10 1一油道；2 导体；3 一导体屏蔽层；4 一绝缘层；5一绝缘屏蔽层;6 一编织层I；7 一铅合金护套；8 一编织层；9一加强层；10 衬层I;11一半导电护套；12 一防蛀层；13一衬层；14 一铠装层；15一外被层图1充油海底电缆结构示意图表1充油海底电缆结构尺寸序号结构1油道2导体3导体屏蔽层4绝缘层5绝缘屏蔽层6编织层I7铅合金护套8编织层9加强层10衬层111半导电护套12防蛙层13衬层14铠装层15外被层海底电缆损伤情况如下：破损点外被层被剥离，铠装层有7 根铠装铜丝呈断裂状态（共52 根），经测量破损口长10 0 mm，宽50 mm，衬层及防蛀层上有破洞，半导电护套层有明显刮痕。海底电缆部分铠装层破损后，剩余铠装层的安全系数降低，在海底电缆承受较大拉力时铠装层存在塑性变形的风险；铠装破损部位对缆芯的抗侧压保护作用降低。防蛀层损坏将使内部缆芯裸露在海水中，受到海底微生物侵蚀，降低海底电缆的寿命。2电线电缆Wire&Cable2修复设计2.1海底电缆水下修复整体方案本工作中海底电缆损坏仅发生在半导电护套层及其外侧各层，绝缘层并未损坏，本工作设计的水下原位修复代替了传统打捞修复，修复示意图见图2，23456789012345步骤如下：创建干式环境：建造桶舱，桶舱定位于受损位置处，使海底电缆处于原位并保证无外加机械应力，定位完成后隔水取得干式环境；海底电缆修复：在干式环境中对海底电缆破损部位进行清洁、修复和防腐；修复后附加保护：海底电缆修复后设计钛合金夹具和弯曲限制器对修复部位进行保护，避免再次损伤。*标称厚度/mm标称外径/mm30.07.344.60.545.628.55102.70.5103.70.4104.54.4113.30.25113.80.6115.00.2115.44.8125.00.2125.40.25125.92.4130.74.0138.72023年6 月Jun.,2023桶舱干式环境维修处海底电缆图2 水下修复示意图2.2海底电缆修复方案2.2.1半导电护套修复半导电护套包覆在线芯之外起防腐和机械保护的作用。护套修复流程示意图见图3，设计同材质护套皮熔接修补海底电缆的半导电聚乙烯护套，修复过程如下：清洁半导电护套表面，使用美工刀修整护套损伤处，剖切成坡形，裁剪材料相同、形状大小一致的护套皮，放在修补处并固定好，使用热塑风枪加热至黏流状态，配合高温带压紧修平 11-12 同材质护套皮图3 护套修复流程示意图2.2.2防蛀层及垫层修复防蛀层和无纺布垫层位于半导电护套和铠装层之间，起防止微生物腐蚀和保护防蛀层不被磨损的作用。使用多层搭盖衬垫的方式进行修复，先将两侧铠装轻微翘起，按照本体搭盖率将修复层嵌人两侧铠装下压紧，为保证效果，搭盖层数均为本体缆搭高温带2023年第3 期No.32023盖层数的两倍。2.2.3铠装修复铠装层是海底电缆中最重要的承力组件，本工作通过焊接和机械连接两种方案进行铠装修复。本工作设计的焊接修复参数 13 见表2，焊接时为了避免半导电护套被烫伤，焊接前在其表面衬垫隔热带。焊接修复效果图见图4。表2 焊接修复参数项目参数钨极直径/mm2.5喷嘴直径/mm9焊丝直径/mm1 2.5焊丝型号威欧2 0 4 紫铜氩弧焊丝焊接型式对口间隙/mm11.5焊接电压/V20焊接电流/A175氩气流量/(Lmin-)10图4 焊接修复效果图另一种修复方案是机械连接，连接器内部有空腔，上部左右两侧各有3 个螺钉孔，中部设置有防腐涂料灌人孔。安装时分别从左右两侧插入铠装，拧紧螺钉保证铠装不滑脱。机械连接修复示意图和修复效果见图5。电线电缆Wire&Cable修复风险机械性能作业难度平均体积电阻率/（Q2m）由表3 可知，外观及尺寸方面，焊接修复后铠装表面均匀平滑美观，无明显缺陷和焊缝余高，电缆外径无明显变化；机械连接修复后铠装外观不平整，增大了电缆的外径。修复风险方面，焊接修复产生热量较多，容易烫伤半导电护套；机械连接修复不产生热量，不会烫伤半导电护套。机械性能方面，焊接修复后铠装的机械性能较机械连接修复后的差。作业难度方面，桶舱内作业属于特种作业，需要复杂的安全保护措施；机械连接修复操作较为简单，不涉及特种作业。此外，铜丝铠装还有承担短路电流的作用，在电阻率方面，焊接修复后同长度的铠装平均体积电阻率增大到1.8 7 6 10-2m，机械连接修复后为1.54710-8m，这是因为连接器的横截面积较大；综上所述，本工作选取机械连接修复的方案。2.2.4铠装防腐层修复为避免海底电缆铠装金属材料在海水中被腐蚀，一般采用在其表层镀锌及涂敷沥青的方法进行腐蚀保护 14 17 。铠装防腐层修复示意图见图6，首先在铠装层涂敷一层沥青，后包覆铜网再涂敷一层沥青,外层绕包一层聚氯乙烯（PVC)胶带,增强防腐效果。2023年6 月Jun.,2023表3 铠装修复方案差异项目焊接修复外观均匀平滑尺寸外径基本无变化易烫伤半导电护套较差特种作业1.876x10-8机械连接修复不平整维修处凸起无风险良好易于操作1.54710-8（a）机械连接修复示意图（俯视图）（b）机械连接修复示意图（正视图）（c）机械连接修复效果图图5机械连接修复示意图和修复效果图对比焊接修复和机械连接修复两种方案的差异,结果见表3。铠装层沥青铜网+沥青胶带图6 铠装防腐层处理示意图2.2.5机械保护修复部位属于薄弱部位，需加强保护。电缆常用的保护方式是在外部覆盖刚性层，刚性层和电缆之间留空隙或加盖缓冲层，以避免刚性层受到的冲击载荷传递到海底电缆 18 。本工作设计了哈弗式钛合金夹具保护海底电缆修复部分，为防止夹具两侧海底电缆过度弯曲破坏，在夹具两侧安装弯曲限制器 19 ,机械保护示意图见图7,弯曲限制器采用聚32023年第3 期No.32023氨酯材质，能够对两侧的海底电缆起到较好的弯曲保护和抗冲击等作用。海底电缆弯曲限制器图7 机械保护示意图2.3海底电缆修复的机械性能海底电缆修复部位、中心夹具和弯曲限制器服役时将承受相应的载荷作用，因为钛合金夹具强度很高，故本工作仅对机械连接铠装和弯曲限制器的力学性能进行计算和测试。2.3.1机械连接铠装机械连接铠装的有限元模型见图8，连接器和铠装使用紫铜，螺钉使用3 16 L不锈钢，紫铜和3 16 L不锈钢材料参数见表4。（a）机械连接铠装模型（外视）电线电缆Wire&Cable的应力要求。采用万能试验机分别对完好的铠装钢丝、焊接修复和机械连接修复后的铠装钢丝进行拉伸试验，试验结果见图9。7中心夹具6弯曲限制器5海底电缆2023年6 月Jun.,20231343200由图9 可知，完好的铠装钢丝拉伸性能最好，拉断力最大；机械连接修复后的铠装钢丝在3 kN附近发生屈服，当拉力达到4 kN时,铠装滑动。相比于焊接修复，机械连接修复具有更好的机械性能，这也是本工作铠装修复中选用机械连接修复的原因之一。2.3.2弯曲限制器弯曲限制器的材质为聚氨酯，安装在夹具两边。聚氨酯弯曲限制器安装示意图见图10,聚氨酯材料的弹性模量为150 0 MPa，泊松比为0.4,屈服强度为50 MPa,极限抗拉强度为50 MPa。2123-510位移/mm图9 铠装修复拉伸试验完好铠装钢丝焊接修复后的铛装钢丝机械连接修复后的铠装钢丝152025图10 弯曲限制器安装示意图按公式计算弯曲限制器第一节模块受到的弯曲（b）机械连接铠装模型（内视）图8 机械连接铠装模型表4 材料参数材料类型弹性模量/GPa紫铜117.68316L不锈钢210单根海底电缆铠装的设计拉力为1kN,为保证机械连接修复部位正常使用，沿铠装轴向方向对铠装一端施加2 kN的拉伸载荷。由机械连接应力分析可知，忽略边缘应力集中点，螺钉附近铠装应力较大，达到了2 10 MPa，小于屈服强度2 4 0 MPa，安全系数大于1，说明该设计满足运行过程中承受载荷4力矩，计算公式为M,=Fg1.5式中：M,为模块受到的弯曲力矩,kNm;F为弯曲限制器的质量，取值3 2 6.5kg；8 为重力加速度，取泊松比屈服强度/MPa0.362400.30680(1)值9.8 kgN-;1.5为安全系数。计算可得第一节模块受到的弯矩为4.8 kNm，考虑5倍安全系数时,弯曲限制器第一节模块受到的弯曲力矩为2 4 kNm。根据弯曲限制器的特点构建其一半模型，在合缝面施加一个法向约束，保证合缝面在法向位置不变，限制螺栓孔法向位移并固定第四节弯曲限制器端部,并在第一节弯曲限制器端面处加载12 kNm的顺时针力矩。通过建模发现，弯曲限制器最大等效载荷为0.2562023年第3 期No.3202320.219MPa,弯曲限制器模块在正常工作状态下，内部应力小于聚氨酯材料的抗拉强度，具有很高的安全性和可靠性。2.4外保护部位载流量校核海底电缆修复所用外保护采用钛合金夹具+弯曲限制器的设计方案，钛合金的导热性能良好，聚氨酯导热较差，故对使用聚氨酯弯曲限制器的部位进行载流量校核。海底电缆外保护位于最低潮水位以下,按照水深小于10 m，土壤温度为2 8,土壤热阻率为0.8 KmWl,电缆埋深2.0 m，电缆间距为15m的敷设工况进行载流量计算。按照IEC60287-1-1:2006“电缆电流定额 计算，公式为(0。-0,)-Wa 0.5T,+n(T,+T,+T)I=RT,+nR(1+,)T,+nR(1+,+,)(T,+TA)式中：0。为导体温度，。为环境温度；W。为绝缘层介质损耗；T，为绝缘层热阻；T，为金属护套与铠装层之间热阻；T，为电缆外护套热阻；T为外部环境等效热阻；n为电缆中载有负荷的导体数；R为最高温度下导体单位长度的交流电阻；入，入，分别为金属屏蔽损耗、铠装损耗与导体损耗的比。无弯曲限制器时海底电缆载流量的计算参数见表5。表5无弯曲限制器时海底电缆载流量计算参数参数单位WaWm-1TKW-1TKW-1TKW-1T4KW-1R2.km*1n入入2弯曲限制器部位海底电缆载流量的计算仅在外护套热阻T，和外部环境等效热阻T这两个参数上发生变化。弯曲限制器部位热阻T，由电缆外护层热阻（T3-1）、弯曲限制器圆管内壁与电缆之间热阻（T 3-2）,及弯曲限制器热阻（T3-3）3 部分组成,分别计算如下：1)电缆外护层热阻T3-1为0.0 57 KW-12)弯曲限制器内壁与电缆之间的热阻T3-2:海电线电缆Wire&Cable底电缆表面与弯曲限制器之间的空腔中充满水，经过一段时间后，泥沙进人部分空腔中，假设空腔中充满泥沙时热阻最大，计算公式为D。T3-2=P1n2元D.式中：p为土壤和海水的综合热阻率，取值0.8KmW-l；D。为弯曲限制器外径，取值138mm；D。为修复后的铠装后外径，取值2 6 0 mm。3弯曲限制器的热阻T3-3：弯曲限制器由多个块状节组装而成,其关节之间有缝隙，整个弯曲限制器属于不规则形状，可采取弯曲限制器分区段后加权平均的方案进行计算，先将不规则的弯曲限制器7.0.5分成为不同的5节区段T3-3-（i=1,2，,5），分段长度分别为2 5,8 0,9 0,8 0,8 0 mm，弯曲限制器分段示（2)意图见图11,弯曲限制器参数见表6,其中D1,D,，D，为弯曲限制器外径,di,d,d，为弯曲限制器内径。-5+-4-3-+2-取值902815.10.6790.0440.0570.5350.028 610.1060.5062023年6 月Jun.,2023(3)图11弯曲限制器分段示意图表6弯曲限制器参数区段区段长度/mm内外径/mmD360T3-3-125T3-3-280T3-3-390T3-3-480T3-3-580热阻/(KW-l)0.2560.256d260DI360d260D2570d2370D:450dl260D2570d470D2570da470D2570d2600.5960.3400.4320.1520.1520.6180.5840.1520.61852023年第3 期No.32023计算每个区段的热阻，随后取加权平均值,T3-3计算公式为Zi-(T,-3-i L,)T3T3-3-i2元D.式中：L,为弯曲限制器的区段长段,mm。将 Ts-3-代人式(4)得到 T3-为0.4 7 3 8 KW-l。敷设后弯曲限制器外部环境等效热阻T的计算公式见式(6)。P2LT2元In(D。式中：P为土壤和海水的综合热阻率，取值0.8KmW-l;L为电缆埋深,mm；s 为间距,取值15m;D。为弯曲限制器外径,取值13 8 mm。基于直埋海底电缆的交流电阻、损耗系数、介质损耗、绝缘层热阻、护层热阻、外被层热阻、敷设的温度和埋深参数，计算弯曲限制器部位的载流量。电缆埋深分别为50 0,10 0 0,12 0 0,150 0,2 0 0 0 mm时，海底电缆弯曲限制器的外部环境等效热阻和保护部位的载流量见表7。表7 不同埋深的弯曲限制器外部环境等效热阻和载流量电缆埋深/mm外部环境等效热阻/（KW-l）5000.1481 0000.2481 2000.27315000.3042.0000.344由表7 可知，埋深为150 0 mm时海底电缆的载流量为8 2 0 A，大于额定电流8 15A，修理接头弯曲限制器部位海底电缆埋深应小于150 0 mml2013结束语本工作根据海底电缆实际损坏情况，提出了水下原位修复方案，该方案避免了未受损绝缘层不必要的电气风险。通过对半导电护套到铠装层的各护层修复方法的设计，研究验证焊接和机械连接两种铠装修复方案，通过力学计算及试验的手段，对设计电线电缆Wire&Cable性能进行校核验证，最终确认机械连接修复为铠装修复最佳方案，提高了海底电缆铠装损坏水下原位修复的安全性。(4)参考文献：PinD。4LD22023年6 月Jun.,2023(5)1COFFEN-SMOUT 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