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臍帶纜廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，包括水下生產(chǎn)、檢查、監(jiān)視、搜索與識別、安裝與回收、清理、海洋科學(xué)考察、全球定位、搜索、救援遇難艦船、解救受困潛水艇，以及中繼通信等。在不同的使用環(huán)境下，需要考慮彎曲、張力卷繞、磨損和腐蝕等影響因素。

1）彎曲。臍帶纜在操作過程中，經(jīng)常會(huì)在滑輪、導(dǎo)纜器、絞車卷筒等位置發(fā)生彎曲。

2）張力卷繞。在臍帶纜放纜過程中，內(nèi)部張力不斷變化，各部件之間的幾何關(guān)系隨放纜幅度的變化而改變，產(chǎn)生卷繞運(yùn)動(dòng)，引起內(nèi)部摩擦。

3）磨損。臍帶纜的卷繞運(yùn)動(dòng)會(huì)造成兩種形式的磨損，一是臍帶纜內(nèi)部部件之間的磨損，二是臍帶纜與收放裝置之間的磨損。磨損會(huì)導(dǎo)致臍帶纜某一點(diǎn)持續(xù)惡化，直至故障。磨損率受多種操作因素影響，如放纜速率、張力、滑輪布置形式，以及臍帶纜的彎曲半徑等。收放設(shè)備的不當(dāng)選擇或安裝，會(huì)加速臍帶纜外表面的磨損。

4）腐蝕。海水腐蝕主要對金屬產(chǎn)生影響，尤其是鋼絲。如常見的雙層鎧裝臍帶纜在海水中會(huì)慢慢地被電解溶解，導(dǎo)致內(nèi)層鋼絲受到海水侵蝕。

5）打圈或扭結(jié)。當(dāng)臍帶纜受到拉力，形成圓圈后，隨著半徑不斷縮小，易發(fā)生纏結(jié)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致永久變形。

6）壓扁。臍帶纜在受到風(fēng)浪影響時(shí)，如果受力的纜圈壓在另一纜圈上，或下層臍帶纜受到過度卷繞張力的壓迫，可能會(huì)在絞車滾筒上發(fā)生擠壓的情況。高度集中的壓力可能會(huì)導(dǎo)致金屬承力單元和其他部件的永久變形。

因此，水下設(shè)備的尺寸、質(zhì)量、工作深度、動(dòng)力、子系統(tǒng)和載荷等均會(huì)直接影響臍帶纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

臍帶纜通常由多個(gè)功能單元依據(jù)尺寸組合，形成多層同心結(jié)構(gòu)，以維持良好的對稱度、圓整度和同心度。相鄰層之間通常采用包帶纏繞緊固，以保持纜芯的緊湊度和圓整度，增強(qiáng)抗側(cè)壓能力，減少受壓狀態(tài)下的徑向收縮，并提高耐疲勞性能。

鎧裝不僅為水下設(shè)備回收和吊放提供載荷支撐，且保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元免受外部機(jī)械和環(huán)境的損傷。在收放過程中，為防止因受力而打扭，鎧裝結(jié)構(gòu)通常設(shè)計(jì)成扭矩平衡結(jié)構(gòu)。此外，鎧裝外面通常覆有保護(hù)層，以防海水腐蝕影響性能。針對含有軟管的水下生產(chǎn)系統(tǒng)用臍帶纜，軟管外護(hù)套通常鉆有小孔，可將滲入的液體或氣體排出，避免海水壓爆臍帶纜。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)用臍帶纜的設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量規(guī)范須符合GB/T 21412.5—2017《石油天然氣工業(yè)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作第5部分：水下臍帶纜》（同1SO 13628-5）標(biāo)準(zhǔn)。目前，ROV 用臍帶纜沒有相應(yīng)的國際和國內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要基于理論計(jì)算和長期經(jīng)驗(yàn)積累的產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)，用以進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)行和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。為保證ROV用臍帶纜的縱向密封性，需要在纜芯中填充適當(dāng)?shù)目v向水密材料，填補(bǔ)各結(jié)構(gòu)單元間的間隙，以實(shí)現(xiàn)空間占位和良好的阻水、阻油效果。

水下臍帶纜性能要求取決于其工作條件。整體分析環(huán)境荷載作用下，臍帶纜的極值荷載、疲勞荷載，并驗(yàn)證其穩(wěn)定性等。水下臍帶纜的整體分析內(nèi)容和分析軟件見表1。

表1 水下臍帶纜分析內(nèi)容和分析軟件

ROV用臍帶纜整體分析的難點(diǎn)在于環(huán)境載荷有不確定性、臍帶纜有幾何變形，以及浮體和環(huán)境載荷間高度非線性耦合。目前，國外少數(shù)廠家已經(jīng)建立了完整的技術(shù)體系，涵蓋了ROV用臍帶纜的設(shè)計(jì)、使用和安裝，而國內(nèi)仍存在差距。

局部分析是臍帶纜設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。臍帶纜的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)通常依賴于原型試驗(yàn)給出電纜結(jié)構(gòu)的響應(yīng)和性能，存在成本高昂和耗時(shí)較長的缺點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，結(jié)合部分試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行數(shù)值模擬，已成為臍帶纜結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)的主流手段。

臍帶纜由多個(gè)功能單元、填充和護(hù)套等組成。其中，各單元的設(shè)計(jì)需要考慮其在海洋環(huán)境中的工作條件，如海水溫度、壓力、腐蝕性等因素，同時(shí)也需要考慮其與設(shè)備之間的接口設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)傳輸和控制。因此，在設(shè)計(jì)水下臍帶纜時(shí)，需要綜合考慮各單元的功能和特點(diǎn)，以確保設(shè)備能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

1）關(guān)鍵單元設(shè)計(jì)

臍帶纜的功能單元一般包括動(dòng)力單元、光纖單元和通信電纜單元，此外，大多數(shù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)用臍帶纜還包含管單元。

①動(dòng)力單元。根據(jù)水下裝備的供電需求，如單相工作電壓、三相工作電壓、供電功率等參數(shù)計(jì)算額定電流，通過額定電流計(jì)算導(dǎo)體的直流電阻，從而計(jì)算和選擇適當(dāng)?shù)慕孛娣e。

②光纖單元。根據(jù)傳輸容量、帶寬和波長等需求，選擇合適的光纖類別、光纖芯數(shù)等。設(shè)計(jì)不銹鋼管光單元時(shí)，需要考慮光纖的保護(hù)材料和光單元數(shù)量等因素。為提高不銹鋼管光纖單元的防護(hù)能力，通常在外擠制一層塑料護(hù)套。

③通信電纜單元。根據(jù)不同頻率下的工作電容、衰減和特性阻抗等要求，進(jìn)一步考慮通信單元的類型、導(dǎo)體芯數(shù)或?qū)?shù)、導(dǎo)體標(biāo)稱截面積和屏蔽形式等。

④管單元。根據(jù)水深、功能、質(zhì)量、強(qiáng)度和柔軟度等要求，確定管單元的材料、壁厚、外徑，以及保護(hù)層的材料和結(jié)構(gòu)，以提高臍帶纜的防腐、強(qiáng)度、耐磨等性能。

2）單元成纜設(shè)計(jì)

纜芯由多個(gè)組成單元絞合而成，各個(gè)組成單元間須填充聚合物、硅橡膠和固化聚氨酯等材料，以保證纜芯的緊密度。對于有水密要求的臍帶纜，需要填充水密材料。在纜芯制作過程中，通常會(huì)使用金屬或非金屬帶將其繞包扎緊。纜芯分為滲漏型和護(hù)套型兩種類型，其中滲漏型線芯適用于油井鉆探等特殊環(huán)境，而護(hù)套型線芯則具有更好的防水性能和支撐作用。

3）鎧裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足水下裝備對臍帶纜機(jī)械性能的要求，需要設(shè)計(jì)鎧裝結(jié)構(gòu)以承擔(dān)機(jī)械荷載。鎧裝結(jié)構(gòu)一般采用具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性的金屬/非金屬材料。非金屬纖維材料作為承力元件時(shí)，需要考慮其力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性等因素。金屬承力元件一般選擇高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲，而其他元件承擔(dān)的拉伸強(qiáng)度很小，可以忽略。因此，只需要計(jì)算主要承力元件的拉伸強(qiáng)度。

鋼絲鎧裝一般為兩層螺旋絞合，有時(shí)也采用3層、4層和5層的鎧裝，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意絞合方向、絞合角度、絞合節(jié)距和鎧裝單線根數(shù)等。

①絞合方向（通常表示為左向和右向）。內(nèi)鎧裝層為右向、外鎧裝層為左向的布置形式，最早用于石油行業(yè)的承荷探測電纜。外層右向、內(nèi)層左向的鎧裝，也可以提供相同的使用特性，并在實(shí)際應(yīng)用中證明能夠達(dá)到預(yù)期的性能要求。

②絞合角度。絞合角度表示為鎧裝螺旋線與軸向的夾角，通常在18°~24°范圍。依據(jù)鎧裝的設(shè)計(jì)特性和與其他鎧裝臍帶纜部件的內(nèi)部關(guān)系，內(nèi)外鎧裝層可以采用不同的絞合角度。

③絞合節(jié)距。絞合節(jié)距為螺旋單線繞線芯轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所行進(jìn)的距離。

④鎧裝單線根數(shù)。在選擇鎧裝單線直徑和根數(shù)時(shí)，需要滿足96%～99%的內(nèi)護(hù)層表面覆蓋率或根據(jù)具體使用特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在節(jié)距和鎧裝材料相同的條件下，較大直徑的鎧裝單線能夠提供更高的機(jī)械穩(wěn)定性。經(jīng)過磨損后，較大規(guī)格的鎧裝單線剩余金屬比率較高，因此其強(qiáng)度也較大。相比之下，較小規(guī)格的鎧裝單線具有更長的抗彎曲疲勞壽命。

與靜態(tài)臍帶纜相比，動(dòng)態(tài)臍帶纜更容易失效，并且在設(shè)計(jì)、制造、檢測時(shí)具有更高的難度。動(dòng)態(tài)臍帶纜不僅需要具備常規(guī)靜態(tài)臍帶纜的靜態(tài)機(jī)械性能，還須在動(dòng)態(tài)環(huán)境下承受載荷時(shí)具備良好的動(dòng)態(tài)機(jī)械性能、抗動(dòng)態(tài)疲勞性能。

設(shè)計(jì)鎧裝臍帶纜時(shí)，首要保證其機(jī)械強(qiáng)度，應(yīng)滿足在制造、操作、運(yùn)輸、安裝和運(yùn)行過程中所有工況下載荷的要求。

1）破斷力

臍帶纜不僅需要承受自身質(zhì)量，還須應(yīng)對船體在海面晃動(dòng)產(chǎn)生的額外慣性力。金屬鎧裝臍帶纜通常采用鍍鋅鋼絲作為鎧裝元件，而水下生產(chǎn)系統(tǒng)用無鎧裝鋼管臍帶纜則以鋼管作為承力元件。鋼絲鎧裝的力學(xué)性能較為復(fù)雜，本文中僅討論鋼絲鎧裝臍帶纜的力學(xué)性能。

動(dòng)態(tài)鎧裝臍帶纜通常具有兩層或兩層以上異向絞合的鎧裝鋼絲。在受軸向拉力時(shí)，各層鋼絲會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，內(nèi)外層鎧裝由于絞合方向相反而產(chǎn)生相反的力矩。力矩的大小取決于鋼絲截面積和至纜芯的距離。相較于內(nèi)層鎧裝，外層鎧裝通常具有更多的根數(shù)或更大的外徑，會(huì)產(chǎn)生更大的扭轉(zhuǎn)力矩，可以通過調(diào)整螺旋角度來平衡內(nèi)外層鎧裝的力矩。

鎧裝臍帶纜的破斷力計(jì)算可分為端部受約束和端部自由旋轉(zhuǎn)兩種情況。當(dāng)端部受約束時(shí)，外層鎧裝由于承受較高的應(yīng)力會(huì)首先斷裂，而內(nèi)層會(huì)緩慢延伸至斷裂；當(dāng)端部自由旋轉(zhuǎn)時(shí)，外層鎧裝可能會(huì)出現(xiàn)松散現(xiàn)象，此時(shí)內(nèi)層將承受較高的應(yīng)力。因此，若端部自由旋轉(zhuǎn)或操作不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電纜的破斷力下降，并導(dǎo)致內(nèi)層鋼絲首先斷裂。

影響鎧裝臍帶纜破斷力的主要因素有：①鎧裝鋼絲之間或與外部介質(zhì)的磨損，導(dǎo)致鋼絲截面直徑減小，從而降低破斷力；②鎧裝鋼絲受到腐蝕作用，進(jìn)而影響其有效截面面積；③H2S導(dǎo)致鎧裝鋼絲變脆，CO2加速鋼絲腐蝕；④不正當(dāng)操作或是液壓預(yù)緊導(dǎo)致鎧裝臍帶纜發(fā)生過度扭轉(zhuǎn)，可能使其破斷強(qiáng)度降低30%；⑤使用接頭盒導(dǎo)致錨固位置鎧裝破斷強(qiáng)度降低至90%；⑥鎧裝臍帶纜在斜槽中擺動(dòng)；⑦物理損傷，如打扭、鎧裝層刮傷和凹陷等。

2）安全工作載荷

鎧裝臍帶纜的安全工作載荷是指在不影響功能單元（如銅導(dǎo)體、光單元、屏蔽層，以及鎧裝材料、護(hù)套材料等）正常工作的情況下，在彈性變形范圍內(nèi)所能承受的最小軸向拉伸張力。根據(jù)DNVGL-RP-F401—2017的規(guī)定，鎧裝臍帶纜中各功能單元的安全工作載荷系數(shù)取決于實(shí)際承載力與材料的屈服應(yīng)力和90%的極限承載力中較小值的比值。推薦安全工作載荷系數(shù)見表2，實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常會(huì)采用更高的安全系數(shù)。

表2 動(dòng)態(tài)鎧裝臍帶纜安全工作載荷系數(shù)

3）最小彎曲半徑

鎧裝臍帶纜的彎曲半徑是指電纜在彎曲狀態(tài)下不受損傷或降低性能的最小半徑。過度彎曲可能會(huì)發(fā)生打扭、受損而縮短使用壽命，甚至?xí)l(fā)生傳輸信號相互干擾、串音等現(xiàn)象。

鎧裝臍帶纜由多種功能單元優(yōu)化組合而成，在彎曲過程中會(huì)出現(xiàn)兩種狀態(tài)：曲率較小時(shí)，各單元受到摩擦作用，整體彎曲而不相互滑移；曲率逐漸增大時(shí)，各單元所受合力大于摩擦力，開始出現(xiàn)相對滑移。

基于簡化模型，理論推導(dǎo)多層絞合結(jié)構(gòu)在拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)耦合作用下的應(yīng)變計(jì)算模型。該模型能夠計(jì)算不同曲率下絞合關(guān)鍵單元的應(yīng)變分布，并考慮滑移和不滑移狀態(tài)。

4）剛度

臍帶纜的剛度是指其抵抗彈性變形的能力，是衡量臍帶纜力學(xué)性能的重要指標(biāo)，主要包括拉伸剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度。

①拉伸剛度。在研究鎧裝臍帶纜的拉伸行為時(shí)，需要綜合考慮軸向變形和纜芯徑向收縮引起的變形。當(dāng)鎧裝鋼絲在發(fā)生軸向應(yīng)變時(shí)，會(huì)對纜芯產(chǎn)生徑向壓力。鎧裝鋼絲是主要承擔(dān)拉伸載荷的單元，纜芯則具備一定的徑向支撐能力?？紤]鎧裝鋼絲受拉伸時(shí)對纜芯的擠壓作用，則纜芯的徑向剛度是一個(gè)重要的輸入?yún)?shù)。通常假設(shè)纜芯為均質(zhì)聚合物材料，如低密度聚乙烯或高密度聚乙烯圓截面，可通過經(jīng)典彈性力學(xué)理論估算其徑向剛度。

②扭轉(zhuǎn)剛度。對于海洋裝備用動(dòng)態(tài)鎧裝臍帶纜等細(xì)長柔性體，通常會(huì)同時(shí)受到拉伸和扭轉(zhuǎn)的影響，二者互相耦合。

③彎曲剛度。在鎧裝臍帶纜彎曲行為分析中，通常將整體結(jié)構(gòu)視為螺旋單元纏繞在柱單元結(jié)構(gòu)上。鎧裝臍帶纜總的彎曲剛度為所有螺旋單元與柱單元的和，其彎曲行為分為無滑移階段和全滑移階段。在曲率半徑較小時(shí)，各單元無法克服靜摩擦作用，因此相對固定；隨著曲率增加，各單元逐漸開始相對滑移。

臍帶纜在水下安裝運(yùn)行時(shí)容易受到風(fēng)、浪和流等多種外部因素的影響，對其性能有重要影響。

流是指海水在一定方向上發(fā)生的大規(guī)模流動(dòng)，其形成原因包括潮汐洋流、風(fēng)海流、大洋環(huán)流、補(bǔ)償流等多種情況。根據(jù)大量風(fēng)速儀記錄數(shù)據(jù)，某點(diǎn)上的瞬時(shí)風(fēng)速可以分為長周期部分（歷時(shí)十分鐘以上）和短周期部分（歷時(shí)數(shù)秒以內(nèi)）。

長周期部分通常偏離結(jié)構(gòu)物的自振頻率，主要產(chǎn)生靜力作用；而短周期部分與結(jié)構(gòu)物的自振頻率接近，具有動(dòng)力作用效應(yīng)。海洋中存在各種形式的波動(dòng)，不僅可以發(fā)生在海洋表面，還存在于海洋的不同密度層之間，具有不同的波動(dòng)尺度、機(jī)理和特性，呈現(xiàn)出復(fù)雜的波動(dòng)現(xiàn)象。

海洋波動(dòng)是海水運(yùn)動(dòng)的重要形式之一。根據(jù)觀測記錄，主要為波動(dòng)周期在1～30s期間的海浪，其波動(dòng)能量極大，是導(dǎo)致船舶、平臺(tái)等海洋工程結(jié)構(gòu)物受損和變形破壞的主要因素。

對海洋裝備和海洋工程結(jié)構(gòu)而言，波浪載荷是其受到的主要載荷，波浪載荷的參數(shù)選取直接影響到海洋裝備和海洋工程結(jié)構(gòu)的操作、安全性和建造成本。此外，浮動(dòng)船體和洋流引起的周圍流體次生運(yùn)動(dòng)也是海底結(jié)構(gòu)件疲勞損傷的主要因素。

其中，渦激振動(dòng)是影響臍帶纜疲勞壽命的因素之一。當(dāng)臍帶纜處在垂直入射的水流中時(shí)，兩側(cè)會(huì)形成交替向下游流動(dòng)的漩渦。當(dāng)漩渦的脫落頻率接近或是整數(shù)倍的結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，臍帶纜會(huì)處于共振狀態(tài)，即渦激振動(dòng)。渦激振動(dòng)時(shí)，圓柱的運(yùn)動(dòng)軌跡通常呈“8”字形。隨著水流速率的增加，橫向振幅逐漸增大，因此橫向振動(dòng)對管線的疲勞損傷具有重要的作用。

渦激振動(dòng)受到多種參數(shù)的影響，目前在渦激振動(dòng)問題的研究中尚未建立可靠的相似理論，以實(shí)現(xiàn)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)際線纜振動(dòng)之間的對應(yīng)。

海底臍帶纜所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜，容易受到浪、流等水動(dòng)力的影響，為確保臍帶纜在海底穩(wěn)定運(yùn)行，穩(wěn)定性分析至關(guān)重要。目的是限制臍帶纜在初始安裝位置的運(yùn)動(dòng)，避免其在垂直方向漂浮或下沉，并校核側(cè)向穩(wěn)定性。外徑質(zhì)量比是衡量海底穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

影響臍帶纜海底穩(wěn)定性的因素主要包括：①臍帶纜在海水中的質(zhì)量；②海底的摩擦力；③各種環(huán)境荷載，如浪、流等；④不良的工程地質(zhì)現(xiàn)象。

動(dòng)態(tài)疲勞損傷是指構(gòu)件材料受交變載荷作用一定次數(shù)后，結(jié)構(gòu)發(fā)生失效的現(xiàn)象。循環(huán)載荷（應(yīng)力）通常小于材料的破斷強(qiáng)度（屈服應(yīng)力）?？蛊谠O(shè)計(jì)是動(dòng)態(tài)鎧裝臍帶纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一，柔性動(dòng)態(tài)海底電纜需要不斷承受海洋環(huán)境載荷作用，同時(shí)船體運(yùn)動(dòng)會(huì)促使動(dòng)態(tài)海底電纜在船體連接位置反復(fù)彎折。這些載荷加速了動(dòng)態(tài)鎧裝臍帶纜應(yīng)力集中區(qū)域的裂紋形成、擴(kuò)展，最終破壞結(jié)構(gòu)的完整性。

1）疲勞載荷

疲勞載荷是指動(dòng)態(tài)海底電纜在服役過程中承受的所有循環(huán)載荷，包括成纜制造、運(yùn)輸、安裝和在位運(yùn)行中的載荷。

根據(jù)ISO 13628-5標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)鎧裝臍帶纜疲勞載荷的來源主要為：①波浪載荷直接作用或引起船體運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致海纜隨波響應(yīng)；②船體自由運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致纜線的偏移；③穩(wěn)態(tài)洋流下線纜的渦激振動(dòng)；④生產(chǎn)周轉(zhuǎn)和安裝過程中受到的循環(huán)載荷；⑤運(yùn)行過程中的循環(huán)載荷，包括附著在海底電纜上的生物載荷。

2）疲勞失效

動(dòng)態(tài)鎧裝臍帶纜的失效通常發(fā)生在金屬單元上。銅導(dǎo)體上的疲勞損傷起始于兩根相互擠壓的銅絲之間的微小磨損。當(dāng)銅導(dǎo)體接觸面之間磨損時(shí)，通常形成黑色的氧化層。隨著彎曲載荷的幅值和頻率增加，氧化層厚度增加，導(dǎo)體表面凹陷深度增加。此時(shí)，銅導(dǎo)體的脆性特征顯著，其承載能力隨之降低。接觸銅導(dǎo)體之間的疲勞損傷情況見圖1，圖中A為導(dǎo)體接觸面之間的氧化層，并伴有裂紋的出現(xiàn)，B為緊壓導(dǎo)體之間的塑性變形現(xiàn)象。

圖1 接觸銅導(dǎo)體疲勞損傷

與銅導(dǎo)體疲勞機(jī)理類似，鋼絲的疲勞裂紋起始于相鄰鋼絲的接觸點(diǎn)，鎧裝鋼絲的疲勞損傷現(xiàn)象見圖2，在接觸點(diǎn)形成凹陷，并在反復(fù)擠壓滑移的狀態(tài)下，微裂紋開始出現(xiàn)，并以半圓形式向內(nèi)擴(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)截面的承載能力降低。同時(shí)，鎧裝鋼絲更容易受到腐蝕。依據(jù)挪威船級社（DNN）相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，在腐蝕環(huán)境下，鋼絲的疲勞性能會(huì)顯著降低。

圖2 鎧裝鋼絲疲勞損傷

3）S-N曲線

材料的疲勞性能可以通過作用時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變范圍（S）和到破壞時(shí)的壽命（N）之間的關(guān)系來描述，即S-N曲線。其中，壽命N定義為在給定應(yīng)力比（R）和恒幅載荷作用下的破壞循環(huán)次數(shù)。

疲勞破壞可以分為裂紋萌生、擴(kuò)展和斷裂3個(gè)階段，不同材料的疲勞破壞階段呈現(xiàn)現(xiàn)象和所對應(yīng)載荷的比例不一致。因此，S-N曲線的定義基于以下兩個(gè)假設(shè)：

①對于高強(qiáng)度、中強(qiáng)度鋼等脆性材料，裂紋從萌生、擴(kuò)展至小尺寸圓截面試件的斷裂時(shí)間很短，并且裂紋萌生時(shí)的尺度較小，難以觀察。因此，以整個(gè)過程中的載荷變化作為指標(biāo)是合理的；②對于延展性較好的材料，裂紋萌生后會(huì)有相當(dāng)長的擴(kuò)展階段，伴隨著5%～15%的強(qiáng)度下降。裂紋的出現(xiàn)也會(huì)伴隨剛度下降，同時(shí)對應(yīng)的應(yīng)變也發(fā)生變化。因此，可用應(yīng)變變化量來確定裂紋是否擴(kuò)展。

目前，國內(nèi)外光纖和光纖單元的制造技術(shù)比較成熟，許多線纜生產(chǎn)廠家較為熟悉絕緣和護(hù)套的擠出工藝和裝備。臍帶纜在制造過程中難度較大的工序是成纜和鎧裝，尤其是對于大長度臍帶纜。本文將重點(diǎn)探討這兩道工序。

在成纜過程中，絞合方向可分為左向和右向。通常最外層的成纜方向?yàn)橛蚁颉?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"/>

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用節(jié)徑比來估量成纜節(jié)距的大小較合適。因不同電纜的纜芯直徑差異較大（如生產(chǎn)系統(tǒng)用臍帶纜和ROV用臍帶纜相比），僅提及節(jié)距不能準(zhǔn)確估算電纜的各項(xiàng)性能，因此引入節(jié)徑比，即節(jié)距長度與成纜直徑的比值。節(jié)徑比越大，線芯在彎曲時(shí)的變形越大，成品的柔軟性越差，但強(qiáng)度會(huì)增大，電纜外徑和絞入率變小，直流電阻也會(huì)減小，從而提高生產(chǎn)效率，減少材料用量。選擇合適的成纜節(jié)距，可以使成品電纜具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和彎曲性，并減少變形、皺折。

線芯成纜時(shí)，線芯之間均存在一定間隙，需要采用水密材料進(jìn)行填充，以保證成纜的圓整度和成品的防滲水、防滲油性能。在成纜完成及收線前，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要對絞合后的線芯繞包一層或多層金屬或非金屬包帶，可以起到包扎、屏蔽等作用，并在工藝上便于下一道工序的加工。

對于水下生產(chǎn)系統(tǒng)用臍帶纜和比較長的ROV用臍帶纜，成纜設(shè)備均較為龐大。單元數(shù)較少的可以使用立式成纜機(jī)，占地面積少，單元多的則須采用大型臥式成纜機(jī)。JDR大型立式成纜機(jī)和大型臥式成纜機(jī)見圖3。

圖3 JDR大型成纜機(jī)

動(dòng)態(tài)纜的鎧裝工藝對于高強(qiáng)度金屬鎧裝臍帶纜至關(guān)重要，與其他靜態(tài)纜有著顯著區(qū)別。高強(qiáng)度鋼絲鎧裝的制造過程中，通常需要采取一系列處理措施，包括鋼絲預(yù)變形去應(yīng)力前處理、鋼絲絞合后變形去應(yīng)力處理，以及鋼絲絞合后預(yù)拉伸處理等工藝步驟。

1）高強(qiáng)度鋼絲預(yù)變形去應(yīng)力前處理工藝

為了消除高強(qiáng)度鋼絲在絞合過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，需要在鋼絲成形前對其進(jìn)行預(yù)先變形，即預(yù)先形成螺旋狀。需要在絞線機(jī)的絞籠收線裝置后、鋼絲絞合模前精確設(shè)計(jì)和安裝預(yù)變形器（即預(yù)扭頭），預(yù)變形器裝置見圖4。

圖4 預(yù)變形器裝置圖

輪間距為預(yù)變形器的工藝參數(shù)，需要通過計(jì)算分析，并結(jié)合實(shí)際預(yù)變形效果進(jìn)行反復(fù)校正，最終確定合適的參數(shù)值。選擇合適預(yù)變形高度非常重要，預(yù)變形高度過小，則無法有效消除鋼絲絞合應(yīng)力；預(yù)變形高度過大，則會(huì)降低金屬鎧裝臍帶纜的機(jī)械性能，同時(shí)影響金屬鎧裝臍帶纜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用壽命。

2）高強(qiáng)度鋼絲絞合后變形去應(yīng)力處理

為進(jìn)一步消除鋼絲絞合后的殘余應(yīng)力，并改善鋼絲絞合結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量，需要進(jìn)行后變形處理，即在鋼絲絞合模和牽引輪之間，設(shè)置幾組水平和垂直的輥輪，使絞合后的鋼絲經(jīng)過反復(fù)彎曲和徑向壓縮。

后變形器裝置見圖5。后變形器的輥輪個(gè)數(shù)越多，牽引力增大，不僅可以使鋼絲絞合更加緊密，同時(shí)使鎧裝層表面更加圓整且不松散，顯著提高了金屬鎧裝臍帶纜的卷繞、彎曲和耐疲勞等機(jī)械性能。

3）高強(qiáng)度鋼絲絞合預(yù)拉伸后處理

電纜制造完成后，內(nèi)鎧單線會(huì)嵌入下層護(hù)套中，是不穩(wěn)定的狀態(tài)。在工作負(fù)載作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的表面應(yīng)力，甚至?xí)^材料的屈服強(qiáng)度。為了保證鋼絲鎧裝ROV用臍帶纜沿長度方向的穩(wěn)定性，需要施加預(yù)應(yīng)力，使其達(dá)到與后續(xù)工程使用時(shí)相近的受力狀態(tài)。

圖5 后變形器裝置圖

拉伸負(fù)荷根據(jù)金屬鎧裝臍帶纜的最小斷裂強(qiáng)度確定。只有在承受足夠大的拉伸負(fù)荷時(shí)，金屬鎧裝臍帶纜才能消除鋼絲絞合應(yīng)力，達(dá)到自然穩(wěn)定的狀態(tài)。通過合理的預(yù)拉伸后處理，消除金屬鎧裝臍帶纜的鋼絲絞合缺陷，改善鋼絲受力均勻性，提高其彈性模量和疲勞壽命。預(yù)拉伸后處理裝置見圖6。

圖6 預(yù)拉伸后處理裝置圖

預(yù)拉伸時(shí)間包含兩方面，一是從零加載到設(shè)定預(yù)拉伸負(fù)荷所用的時(shí)間，即加載時(shí)間；二是在設(shè)定預(yù)拉伸負(fù)荷作用下的持續(xù)時(shí)間，即保載時(shí)間。保載是為了更徹底地消除金屬鎧裝臍帶纜的鋼絲絞合應(yīng)力，通常保載時(shí)間越長，消除效果越好，但保載時(shí)間也不宜過長，以免影響生產(chǎn)效率。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)用臍帶纜一般采用常規(guī)強(qiáng)度的鎧裝鋼絲，無需預(yù)成型和預(yù)處理。對于非金屬絲加強(qiáng)的鎧裝成纜機(jī)，需要盡可能多的放線裝置，有時(shí)甚至需要上百個(gè)主動(dòng)放線裝置，以提高纖維張力的一致性。非金屬管或非金屬鎧裝層外往往編織一層高強(qiáng)度非金屬絲保護(hù)層，此時(shí)需要采用多放線裝置的大型臥式編織機(jī)。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)及ROV系統(tǒng)作為復(fù)雜的有機(jī)組成，每個(gè)組成部分均起著非常重要的作用。水下臍帶纜配套使用的附件包括絞車、升沉補(bǔ)償裝置、承重頭、光電滑環(huán)和水密接插件等。附件性能的優(yōu)劣，對臍帶纜系統(tǒng)的正常運(yùn)行起著非常關(guān)鍵的作用。

在水下ROV或拖體吊放和回收過程中，水下ROV或拖體鎧裝臍帶纜需承擔(dān)載荷。為連接鎧裝臍帶纜與水下ROV或拖體，必須使用承重頭，其作用是一端通過夾具或灌膠方式連接至水下ROV或拖體的鎧裝臍帶纜，另一端則通過法蘭等方式與水下ROV或拖體固定。

承重頭需要具備較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗腐蝕性能。鎧裝臍帶纜的斷裂大多發(fā)生在承重頭處，因此承重頭的力值設(shè)計(jì)通常要求不小于鎧裝臍帶纜的破斷力。

水密接插件是水下環(huán)境中用于傳輸電源和信號的連接器，在海洋科學(xué)研究、海洋石油及天然氣鉆探與生產(chǎn)、水下工程設(shè)備、水下傳輸及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、深海機(jī)器人及國防等諸多領(lǐng)域，均具有十分廣泛的應(yīng)用。使用范圍主要包括水下ROV或拖體、AUV、海洋儀器、深海油氣開發(fā)、水下探測、水下攝像機(jī)、水下潛標(biāo)、水下拖體和水下檢測等。

根據(jù)功能劃分，水密接插件可以分為水下光纖接插件、水下電接插件和水下光電復(fù)合接插件等3類。根據(jù)安裝和使用環(huán)境的要求，可以分為干插拔和濕插拔兩類。

干插拔水密接插件只能在空氣中進(jìn)行插拔操作，連接后再放入水中使用。在需要維修、更換或增減水下設(shè)備時(shí)，必須將設(shè)備浮出水面才能進(jìn)行電連接器的分離和連接，操作耗時(shí)、費(fèi)力且成本高。

濕插拔水密接插件能夠在水下環(huán)境中進(jìn)行插拔操作，快速進(jìn)行水下環(huán)境中設(shè)備的組裝、增減和更換等工作，特別適用于水下作業(yè)裝備，如脫落電纜、潛水設(shè)備、水下攝像機(jī)、海上油田上的電器設(shè)備、高壓水閥門、壓力變送器、水下電話，以及快速搶修設(shè)備等。

干插拔水密接插件主要采用橡膠塑模密封和金屬殼體O型圈密封技術(shù)。橡膠塑模密封連接器的可靠性取決于密封材料性能和接插件插拔的可靠性。目前，橡膠塑模密封連接器已基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，代表性進(jìn)口公司有subconn和seacon等。金屬殼體O型圈密封連接器已廣泛應(yīng)用于軍用產(chǎn)品研究和民用產(chǎn)品開發(fā)中，在淡水和海水0~500m深度范圍內(nèi)能夠有效密封。

濕插拔水密連接器主要采用充油壓力平衡式連接器技術(shù)，其工作原理是插頭跟插座首先對接密封，然后繼續(xù)擠壓，排除外部流體和污染物，通過各自的通道完成連接器的對接。

水下ROV或拖體臍帶纜的纜芯通過承重頭后，在水密接頭盒內(nèi)與水下ROV或拖體預(yù)留線相連接。在水密接頭盒內(nèi)，鎧裝臍帶纜的纜芯動(dòng)力單元和信號單元分別與水密接插件插座相連接，水下ROV或拖體各設(shè)備配備有水密接插件的插頭，通過插拔實(shí)現(xiàn)動(dòng)力和信號的通斷。在深水區(qū)，水密接頭盒通常與液壓補(bǔ)償裝置聯(lián)調(diào)工作，以減少殼體所承受的水壓，從而降低密封的要求。

水下臍帶纜終端（UTA）是臍帶纜端部最關(guān)鍵的硬件設(shè)備，為臍帶纜的鋼管、電纜、光纖提供終端接口，并充當(dāng)臍帶纜的吊裝、倒運(yùn)以及安裝支持結(jié)構(gòu)，包括臍帶纜本體、上部接線箱、牽引頭、I/J型管密封、頂部防彎器、防彎器連接器、臍帶纜終端接頭、限彎器、電/光纖接頭跨接管等部分。水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下終端分布見圖7。

圖7 水下生產(chǎn)系統(tǒng)水下終端分布示意圖

水下臍帶纜終端的深海環(huán)境載荷復(fù)雜惡劣，對連接系統(tǒng)的承載能力提出了更高的要求。需要分析在各生產(chǎn)工況下終端的軸向載荷能力、剪切載荷能力、彎矩能力和扭矩能力，以及不同吊裝提升方式對其承載能力的影響。