海上风电基础海底电缆动态特性分析_田振亚.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 47 海上风电基础海底电缆动态特性分析 海上风电基础海底电缆动态特性分析 田振亚1，朱嵘华1,2，张美阳3，王洪庆4，孔令澎2，刘寒秋2（1阳江海上风电实验室，广东阳江 529500；2浙江大学 海洋学院，浙江舟山 316000；3浙江大学 华南工业技术研究院，广州 510530；4中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广州 510799）摘 要：摘 要：基于中国南海实际的海洋环境条件，对冲刷情况下无海缆保护装置及有海缆保护装置的海底电缆分别进行动态特性分析研究，结果表明：在桩周冲刷导致海缆悬空情况下，无海缆保护装置的海缆最小弯曲半径超过允许值，存在失效风险；有海缆保护装置的海缆，海缆保护装置能够有效地限制海缆的过渡弯曲，使海缆的最小弯曲半径控制在允许的范围内，有效降低海缆失效概率。关键词：关键词：海上风电基础；海缆保护装置；海底电缆；动态特性 中图分类号：中图分类号：TK83 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.07 Dynamic Characteristics Analysis of Submarine Cables for Offshore Wind Power Foundation TIAN Zhenya1,ZHU Ronghua1,2,ZHANG Meiyang3,WANG Hongqing4,KONG Lingpeng2,LIU Hanqiu2(1.Yangjiang Offshore Wind Institute,Yangjiang 529500,Guangdong,China;2.Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan 316000,Zhejiang,China;3.Huanan Industrial Technology Research Institute,Zhejiang University,Guangzhou 510530,China;4.China Energy Engineering Group Guangdong Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510799,China)Abstract:Based on the marine environmental conditions of South China Sea,the dynamic characteristics of the submarine cable with/without submarine cable protection device under scour conditions are studied respectively,the minimum bending radius of the submarine cable without the submarine cable protection device exceeded the allowable value,and there is a risk of failure.For the submarine cable with the submarine cable protection device,the submarine cable protection device effectively limited the minimum bending radius of the submarine cable,made the minimum bending radius of the submarine cable within allowable range,and effectively reduce the failure probability of submarine cables.Key words:offshore wind power foundation;submarine cable protection;submarine cables;dynamic characteristics 0 引言引言 根据英国专业的可再生能源保险公司 GCube Underwriting Ltd1统计，在20072014 年，83%的海上风电项目曾发生与电缆相关的事故，发生约60 起理赔事件，理赔金额约为7 500 万英镑，单次理赔金额在50 万1 350 万英镑间。仅在2015 年，英国与电缆相关的保险索赔就占海上风电场损失成本的 77%。Codan Forsikring A/S2评估，95%的欧洲海上风电项目经历了至少 1 项与电缆相关的索赔。一般来说，电缆索赔与电缆错误安装或装船或不合理的运维有关。近几年，欧洲保险公司已经开始出现因电缆受到外部载荷作用引起的机械或者疲劳损伤相关的索赔趋势，因此，海缆的健康状况是值得关注的。投入运行的海缆，其中最大的风险之一是桩周海床冲刷，尤其是大直径单桩桩周的海床冲刷，使海底电缆产生悬空，海缆悬跨长度增大，海缆与海床的磨损加剧。对于台风区的海上风电场，由于受到极端的波流作用，容易使悬空的海缆产生摆动和扭转等，极容易造成海缆的机械和 收稿日期：2022-05-21；修回日期：2022-07-21 基金项目：2020 年广东省省级科技专项资金（SDZX2020001）；广东省科技专项资金和科技专项资金（SDZX2021005）。作者简介：田振亚（1982），男，硕士、高级工程师。研究方向：海上风电工程技术。通信作者：朱嵘华（1977），男，博士、教授。研究方向：海上风电工程技术。专题：海洋可再生能源 48 疲劳损伤。基于此，非常有必要研究在极端海况下海缆的动态特性。张聪3对某海上风电场海缆及加装海缆保护后的动态特性进行了分析，但并未考虑基础桩周冲刷对海缆动态特性影响；谢宗伯4对海缆弯曲限制器的设计及制造进行了研究；LANE 等5介绍了海缆弯曲限制器迭代设计软件，并与有限元软件分析结果进行对比。总体而言，在海缆冲刷情况下，专门针对大直径单桩基础海上风电海缆动态分析的研究非常少。本文基于OrcaFlex 软件，首先分析大直径单桩桩周冲刷在极端工况下海缆的动态特性，包括海缆的张力、曲率和最小弯曲半径等参数，其次分析加装海缆保护装置的海底电缆动态特性。1 海缆分析模型海缆分析模型 1.1 海况条件海况条件 相比深海而言，浅海海缆安装就位后不仅会受到海流的作用，还会受到极端波浪的影响，因此本文以广东省某浅海海上风电场海况条件作为海缆动态特性的边界条件，进行海底电缆及海缆保护装置的动态分析。海缆安装就位情况下，需要分析海缆在不同工况条件下的性能，本文就极端工况（ULS）下的海缆动态特性进行分析，极端海况条件见表1。表1 海上风电场海况条件 参数 数值 参数 数值水深/m 20 最大波高/m 11.92极端高水位/m 3.674 波浪周/s 21.1计算低水位/m 1.226 海流流速/(m/s)2.116 1.2 分析模型分析模型 本文所建立的模型中，海缆总长 51 m，线密度38.5 kg/m，电缆直径120 mm。详细的力学性能参数见表2。表2 海缆参数 参数 数值 参数 数值线密度/(kg/m)38.5 扭转刚度/(kNm2)28.7拉伸刚度/MN 113.2 最小弯曲半径/m 1.3 弯曲 刚度/(kNm2)2.28 最大允许 工作载荷/kN 108 大直径单桩基础总高45 m（仅考虑部分长度），单桩桩径为7.00 m8.25 m，海缆布置方式采用大直径单桩距离泥面附件开孔，海缆从桩壁穿孔的方式安装海缆。下端开孔位置距海床 2.5 m，开孔直径为340 mm，未冲刷情况下的水深为 20 m，冲刷深度按照8 m 冲刷考虑，冲刷直径为24 m，冲刷范围为3 倍单桩最大桩径。图1 和图2 分别为无冲刷保护下的海缆分析模型及有海缆保护装置的分析模型。波浪和海流的加载方向共分为5个方向，每隔45设为一个加载方向，其中，指向模型 X 正方向为 0方向，用ULS0 表示，其余依次类推。图1 无海缆保护装置的海缆分析模型 图2 有海缆保护装置的海缆分析模型 2 海缆动态分析海缆动态分析 2.1 无海缆保护装置的海缆动态分析无海缆保护装置的海缆动态分析 在上述海况及冲刷条件下，对无海缆保护装置的海缆保护的非线性耦合模型进行了动态分析计算，各海况作用方向下的海缆锚固张力见图3。由图3 可知：海缆锚固张力沿着海缆向海床方向逐渐减少，呈近似线性下降趋势，海缆锚固端最大张力发生在0方向，张力为25.5 kN，远小于海缆最大张力108 kN 的要求；海缆在0方向上，在极端海况作用下，海缆在泥面附近发生较大的弯曲变形，海缆的张力在海缆长度方向10 m 以后下降明显，相比其他方向，呈现明显的非线性趋势。图3 海缆锚固端张力（无保护装置）田振亚等，海上风电基础海底电缆动态特性分析 49 海缆曲率及海缆弯曲半径是重点考察的指标之一。从图4 和图5 可知：1）90加载方向海况作用下海缆曲率最大，弯曲半径最小，最大曲率为1.18，最小弯曲半径0.90 m，发生在海缆穿缆孔附近，这说明 90方向波流对海缆的作用更为明显，也说明海缆在该方向受到海床约束较小，导致海缆变形较大。2）180加载方向海缆的曲率最小，在波流联合作用下，海缆的动态变形改变相对较小。3）在 0加载方向上出现“双峰”现象，这说明不仅海床对该方向上海缆的变形有约束作用，同时在该方向上，海缆的轴向刚度对于海缆的变形也有较大的影响。曲率除了在桩壁海缆穿缆孔附近较大外，在海缆48.00 m 弧长位置，海缆曲率达到了0.5，对应地在桩壁海缆穿缆孔附近最小弯曲半径为1.20 m；在海缆49.35 m 弧长位置，最小弯曲半径为1.76 m。4）在 45加载方向海况作用下海缆最大曲率为1.05，最小弯曲半径 0.95 m，发生在沿海缆弧长42.75 m 位置（桩壁海缆穿缆孔）附近，不满足海缆最小弯曲半径1.3 m 的要求。图5 中的分析结果汇总见表3。经分析可知，海缆在波流作用下，不同的加载方向导致海缆呈现不同的动态特征，海缆的最大锚固张力满足设计要求，而在0、45及90方向上，海缆最小弯曲半径小于允许的最小弯曲半径 1.3 m，因此，在此冲刷条件下，海缆将会有受损的风险，需要安装海底电缆保护对特定区域海缆进行保护。图4 海缆曲率变化（无保护装置）图5 海缆最小弯曲半径变化（无保护装置）表3 海缆在关键工况下的水动力分析结果汇总（无保护装置）工况 发生位置 参数 是否满足要求 ULS0 基础内法兰锚固点 最大锚固张力 25.50 kN 小于108 kN，满足 ULS90 基础穿缆孔附近 最大曲率 1.18 rad/m ULS90 基础穿缆孔附近 最小弯曲半径 0.90 m 小于1.3 m，不满足 2.2 有海缆保护装置的海缆动态分析有海缆保护装置的海缆动态分析 本文采用的海缆保护装置材料为内部钢丝加强层的增强聚氨酯材质，刚度设置为181 kPa，在桩内侧区域的海缆保护进行了变径处理，以使海缆保护刚度过渡变化，不会产生突变，导致应力集中。在海缆安装海缆保护装置就位后，各个海况作用方向下的海缆锚固张力见图6。图6 海缆锚固端张力（有保护装置）由图 6 可知：总体海缆锚固张力沿着海缆向海床方向逐渐减少，海缆锚固端最大张力发生在90方向，张力为 34 kN，相比无海缆保护情况下，海缆最大张力增加约33%，说明加装海缆保护后，由于其重力及外界波流力增加，在一定程度上增加了海缆的张力。从图7 和图8 可知：1）在90加载方向海况作用下加装海缆保护的海缆曲率依然最大，但相比无海缆保护情况下曲率下降明显，最大曲率为 0.38 rad/m，发生在基础穿缆孔内侧海缆保护变径区域；虽然海缆保护曲率及弯曲半径在整个海缆悬