一种深水区大截面充油海缆打捞修复和回放施工方法与流程

1.本发明涉及海洋工程领域，具体涉及一种深水区大截面充油海缆打捞修复和回放施工方法。


背景技术：

2.海底电缆是跨海电力运输工程中的重要主要组成部分。充油海缆作为常见的海底电缆种类之一，在现有跨海输电项目中具有较高的使用率。大截面充油海缆主要由外护套、铠装层、绝缘层、导体和油道等组成，内部单元较多且含有铅护套易损原件。大截面充油海缆在位运行期间，会受到复杂的波浪流荷载及船体锚害等意外荷载，其结构和机械性能会发生破坏，进而影响其输电能力，造成巨大经济损失，与此同时，其内部绝缘油的泄露也会导致海洋污染现象，因此要求海缆抢修工程要做到快速响应。海缆故障发生后，需要经历诊断、故障定位、维修、复位等操作，耗时较长，对海缆的使用造成极大的影响，安全高效是深海海洋大截面柔性管缆抢修施工的主要要求。作为海缆抢修工程中最为核心的步骤之一，海缆的打捞和回放施工也应受到重视。在海缆打捞回放施工过程中，海缆经历工况较多、所受荷载形式复杂，在缺少规范化工艺指导的情况下，容易发生二次破坏，进一步加大维修成本，延长维修时间。
3.当前针对深水区大截面充油电缆打捞回放过程施工的相关研究较少，且深水区海缆打捞维修工况复杂，海洋环境环境恶劣，一旦操作不当将对电缆产生二次破坏，大大的增加维修费用，此外，打捞回放过程电缆受力复杂，难以确定具体的施工流程。海缆打捞回收施工技术仍缺少统一化、标准化的施工工艺以及关键工艺环节的技术指导。因此，有必要发明一种针对深水区大截面充油海缆打捞回放的施工工艺，细化打捞回放关键流程及重要步骤，用来指导打捞回放工施工流程。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术中的不足，本发明提出一种深水区大截面充油海缆打捞修复和回放施工方法，通过对深水区大截面充油电缆打捞回放施工过程中的不同环境和各个阶段进行分析，明确了主要参数指标和施工工艺流程，有的放失的指明了整个深水区大截面充油电缆打捞回放施工的流程和参数，规范了施工，提高施工安全性，消除施工方式的不统一，具有显著的经济和社会效益。
5.为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
6.一种深水区大截面充油海缆打捞修复和回放施工方法，包括如下步骤：
7.s1、清理海缆故障点周围海缆上的覆盖物，使海缆充分暴露在海床上；
8.s2、在海底对海缆故障点进行切除，然后打捞故障段海缆；
9.s3、对切割后剩下的其中一条海缆进行打捞，对该条海缆的切割端再次进行部分切除，切除后进行测试、封堵和挂浮标，将海缆漂浮于水上；
10.s4、对切割后剩下的另一条海缆进行打捞，对该条海缆的切割端再次进行部分切
除和测试，在该条海缆切割端连接与其相适配的备用管缆；
11.s5、对步骤s3中挂标的海缆进行打捞，然后与步骤s4中的备用管缆进行连接，并进行密封测试；
12.s6、将修复后的海缆缓慢放入水中，沿铺设和回放路径进行冲埋保护。
13.优选的，需要对打捞及回放过程中的关键步骤及详细流程进行参数化确定，具体步骤如下：
14.通过仿真软件仿真模拟海缆打捞及回放过程，提取海缆关键受力点和张力、曲率；
15.根据海缆力学性能，判断施工过程中海缆的结构安全性；
16.进行参数调整，寻求合适的打捞方案并对其进行参数设置。
17.进一步优选的，通过仿真软件提取海缆关键受力点和张力、曲率的步骤如下：
18.在仿真软件中建立参数输入模型，在参数输入模型中输入基础设置参数、环境设置参数、打捞船设置参数、海缆设置参数、缆绳设置参数和绞盘设置参数；
19.在仿真软件中建立参数调整模型，采用参数调整模型调整各参数之间的关系以确保各参数连接点之的连贯性；
20.在仿真软件中建立数据生成模型，根据已调整好的参数，采用数据生成模型计算得到海缆各位置的受力数据。
21.更进一步优选的，所述基础设置参数包括分析步和分析时间。
22.更进一步优选的，所述环境设置参数包括海流流速、波浪参数、海底地形和海底土壤参数。
23.更进一步优选的，所述打捞船设置参数包括打捞船大小、打捞船初始位置和打捞船运动速度。
24.更进一步优选的，所述海缆设置参数包括海缆长度、单元长度、海缆机械性能和固定点位。
25.更进一步优选的，所述缆绳设置参数包括缆绳打捞速度和缆绳状态。
26.更进一步优选的，所述绞盘设置参数包括绞盘形状和绞盘位置。
27.更进一步优选的，所述仿真软件包括orcaflex软件。
28.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
29.本发明丰富了国内抢修工程领域中，深水海缆打捞回放部分的施工工艺。对实际工况进行参数化处理，将原本复杂的海缆打捞回放过程抽象成海缆的线形问题，对复杂的海缆受力进行解耦，从拉伸、弯曲等不同的角度对打捞回放过程中海缆的安全性进行评价。
30.利用数值计算软件，确定深水海缆打捞回放中施工中的工艺参数。利用orcaflex数值分析软件，模拟海缆打捞回放过程，确定打捞回放施工过程中的关键工艺参数及海缆关键受力位置。进一步的探究各参数对关键受力位置的影响，从而得到贴合工程实际、符合项目安全性要求的打捞回放施工方案。
附图说明
31.图1是本发明构建的深水打捞整体模型图一；
32.图2是本发明构建的深水打捞过程模型图二。
33.附图标记：1-打捞船，2-缆绳，3-海缆。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.为了更好的解释本发明，以下结合图1-2和具体实施例进行详细说明。
36.orcaflex是一种非线性时域有限元软件程序，主要用于海上施工环境中使用的系统的静态和动态建模，主要应用于海洋工程学、海洋工学、海洋学研究等方面。orcaflex易用于海洋工程细长结构物动力计算分析以及环境载荷，具有多任务、批处理、分析能力高效的特点以及便利、直观、高质量的图形用户界面，可以简单、快速的建立模型。orcaflex系统图象显示可选线框或者三维实体显示，可对浮体与线杆结构进行耦合分析，可建立各种海底条件，包括平整海底面，二维海底面及三维海底面。可使用orcaflex创建有限元模型，来创建浮体模型，进行缆绳微元段受力分析、缆绳悬列线分析、缆绳水阻力微元分析以及进行海缆打捞过程的数值模拟。
37.本实施例提供一种深水区大截面充油海缆打捞修复和回放施工方法，大截面海缆直径为138mm，包括如下步骤：
38.s1、清理海缆故障点周围海缆上的覆盖物，使海缆3充分暴露在海床上。
39.s2、在海底对海缆故障点进行切除，然后单独打捞故障段海缆至打捞船1中；具体为：在海床上利用rov进行海底小幅度的提升切割工程，需要注意的是，这一海底切割需要在海缆故障点两端进行两次，将海缆切分为三段。
40.s3、对切割后剩下的其中一条海缆进行打捞，对该条海缆的切割端再次进行部分切除，切除后进行测试、封堵和挂浮标，将海缆漂浮于水上；因为在切除海缆故障点后，海水会进入到原有海缆结构内，因此需要将这一部分切除干净；主要测试电气通断情况，比如电气连续性测试；一般采用临时接头或者铅包封堵，防止海水再次流入海缆中。
41.s4、对切割后剩下的另一条海缆进行打捞，对该条海缆的切割端再次进行部分切除和测试，在该条海缆切割端连接与其相适配的备用管缆；海缆与备用管缆连接后，可采用张紧器和下水桥控制余段的受力情况，控制航速和受力以及角度向刚刚挂浮标的另外一端移动，同时放松备用管缆进行一端的回放铺设。
42.s5、对步骤s3中挂标的海缆进行打捞，然后与步骤s4中的备用管缆进行连接，并进行测试；对连接后电缆进行电气连续性测试。
43.s6、船体侧向移动，将修复后的海缆缓慢放入水中，沿铺设和回放路径进行冲埋保护。
44.上述方法主要适用于深水海缆修复工程，对海缆修复段移动较大。需要注意的是：整个过程中海缆受力复杂，为确保打捞过程不会对海缆产生二次损伤，进而加大维修成本，需要对打捞回放过程中的关键步骤及详细流程进行参数化确定，具体解决方案如下：
45.步骤一、通过orcaflex软件仿真模拟海缆打捞回放过程，提取海缆关键受力点和张力、曲率等结果，具体操作如下：
46.采用orcaflex软件对海缆打捞及回放受力进行仿真分析，仿真分析方法包括：
47.第一步：在general(通用)中设置分析步，考虑初始将海缆静置以及打捞水深设置分析步时间；
48.第二步：根据工程要求，在environment(环境)中设置海洋环境(包括水深、海流流速、波浪参数、海底地形、海底土壤参数等)；
49.第三步：根据工程要求，在vessels(浮体)中设置打捞船大小以及打捞船初始位置，打捞船的运动速度等；
50.第四步：根据工程要求，在lines(缆)中设置对海缆参数进行设置，包括海缆长度、单元长度、海缆机械性能和固定点位等；
51.第五步：根据工程要求，在winches(绞盘)中设置缆绳2的状态，海缆初始状态自由，初始张力设置为0，缆绳速度的设置需保证海缆在分析完成时被打捞到打捞船上；
52.第六步：根据工程要求，仿照现实绞盘形状，在shapes(形状)中设置绞盘的形状为圆柱形，位置设在打捞船一侧，与缆绳相连；
53.第七步：在all objects data(参数关系)中微调参数间的关系，保证各连接点的连贯性，之后提交计算。
54.第八步：运行结束后在select result中选择曲率和张力等关键数据，输出图像及表格。
55.步骤二、根据海缆力学性能，判断施工过程中海缆的结构安全性，具体要求如下：在全施工流程中，海缆内部张力应小于等于海缆许用安装张力；在全施工流程中，海缆整体线形中各店弯曲半径应小于海缆最小弯曲半径要求。(如何进行判断结构安全性，请给出详细判断过程)。
56.步骤三、进行参数调整，寻求合适的打捞方案并对其进行参数设置。
57.深水区大截面充油海缆打捞修复和回放施工的主要参数选取原因如下：
58.打捞施工过程中，海缆呈悬链线状，且处于动态变化过程。为保证海缆结构安全性，打捞过程中海缆不能出现较大的张力和曲率，因此需要对打捞过程中的相关参数进行控制。影响海缆悬链线线性的主要因素有：清理长度、起吊点高度、船体移动速度、保护装置(弯曲限制器)位置及保护长度。清理长度主要影响海缆起吊过程中的整体线性通过海水深度，故障长度，切割长度，和最小弯曲半径等数据，可以大致确定打捞过程中覆土覆盖物清理所需要的长度，避免过度清理导致后期冲埋维护浪费时间，或是清理覆土覆盖物长度太短导致海缆在覆土与未覆土交界位置发生过小弯曲半径。若打捞阶段打捞速度和施工船行进速度之比过大，可能导致海缆所受到的张力过大，导致海缆拉伸失效和原有未被清理的覆土层失效，导致海缆裸露等安全风险；若二者速度之比过小，则海缆可能产生弯曲破坏，因此需要确定二者速度范围。弯曲限制器长度和位置主要影响海缆部分弯曲刚度，对整体线性有一定影响
59.在回放施工过程中，海缆呈“ω”型沿船体横向位移方向铺设在海床上，其整体线性与后接缆长度、船体移动速度、下放速度有关。后接缆长度主要影响下放过程中海缆整体线性，当后接缆较长时，需要分散吊点或在吊点附近安装弯曲限制器，避免产生较大的弯曲破坏，船体移动速度与下放速度相互配合，保证海缆以安全的线性稳定铺设在海床上。
60.本案例以某海域的充油型海底电缆为研究对象，该型海底电缆主要应用于穿越河
流、海峡的大容量输电，海缆外径0.138m，弯曲刚度为3.058kn﹒m2，轴向刚度为193.707e3kn，空气中单位长度质量为48kg/m。
61.在此模型中，整体坐标的原点设在海平面上，z轴方向垂直向上，x,y方向满足右手定则。缆体布设方向x轴正向。
62.打捞模型建立：建立700m长的海缆，设定初始水深为100m，将海缆铺设到海底，以“ω”形铺设到海底保证提升过程有足够的余长。直接打捞过程需在打捞点添加限弯装置，模型在打捞点添加限弯器，长度取30m，为提高计算模型的准确性，将海缆分为三部分，限弯器连接部分离散为若干长度为0.5m的单元，靠近限弯器40m内离散为若干长度0.5m的单元，其余部分离散为若干长度为2m的单元。打捞船速为0.26m/s，上提速度为0.2m/s。模型示意图如图1所示。提取结果后，全缆张力和弯曲半径均小于规定，打捞方案可行。
63.建立700m长的海缆，将海缆两端固定在左右两侧170m处，设定初始水深为100m，同样在中间部分添加限弯器，长度取为30m。设定缆绳初始长度，将海缆悬挂在船上。将海缆分为三部分，限弯器连接部分离散为若干长度为0.5m的单元，靠近限弯器40m内离散为若干长度0.5m的单元，其余部分离散为若干长度为2m的单元。回放船速为0.26m/s，下放速度为0.23m/s。模型示意图如图2所示。提取结果后，全缆张力和弯曲半径均小于规定，打捞方案可行。
64.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。