1、本科毕业论文（20 届）海底脐带缆电场与载流量有限元分析计算所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -海底脐带缆电场与载流量有限元分析计算摘要随着经济的快速发展，能源需求的加大使能源供需矛盾日益突出，为缓解这种矛盾，加快海洋油气资源开发已成为国家战略需求，而脐带缆作为水下生产系统不可或缺的重要部分受到国内外各界的关注。由于计算电场和载流量的传统方法无法满足实际需求，计算误差较大，且脐带缆结构复杂，传统方法已不适用。因此本文采用有限元法对脐带缆的电场和温度场进行分析，利用 ANSYS 软件进行仿真，选用两种具有代
2、表性的脐带缆结构，计算他们的电场强度，并对比不同结构，不同绝缘材料对其影响。仿真结果表明，上述因素的改变对电场分布影响不大但对载流量影响较明显，载流量计算中，同样对比这两种结构对载流量的影响，并且将绝缘护套换用导热系数不同的材料，通过仿真结果分析他们对载流量的影响。仿真的结果表明 ANSYS 软件的计算精度比较高，计算结果也是合理的。论文给出了脐带缆设计的相关分析方法，对工程实际应用具有一定的参考价值。 关键词 脐带缆，有限元法，电场，温度场，载流量哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Electric Field and Ampacity Analysis of Submarine Umbi
3、lical Cables Based on Finite Element MethodAbstractWith the rapid development of economic and increase of energy demand, the contradiction between supply and demand has become increasingly prominent. To solve the contradiction, accelerating the development of offshore oil and gas resources has becom
4、e a national strategic need. Umbilical cables are concerned by various circles at home and abroad for its indispensable part of subsea production systems.The traditional method of calculating electric field and carrying capacity can not meet the actual demand with its large deviation and complex str
5、ucture of umbilical cables. The finite element method was used in this thesis to analyze the electric field and thermal field of the umbilical cables, by ANSYS software simulation. Two typical umbilical cable structures were applied to calculate the electric field strength and compare the effects of
6、 different insulation materials and different structures. It was shown in the results that the different factors have less impact on the electric field but a greater impact on carrying capacity. In the carrying capacity calculation, the same comparison of these two structures on ampacity was done, a
7、nd switch insulation jacket to the thermal conductivity of different materials, then analyzed the effects of these on ampacity by simulation results. It is shown in all above results that the calculation accuracy of ANSYS is relatively high and the results are also reasonable. The related analysis m
8、ethods of umbilical cables design were given in this thesis and they had a certain reference value for engineering applications.Keywords Umbilical cables; finite element method; electric field; thermal field; ampacity 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 脐带缆基本结构 .21.3 脐带缆国
9、内外研究与应用现状 .31.3.1 国外研究与应用 .31.3.2 国内研究与应用 .61.4 脐带缆主要电气性能要求 .71.4.1 电气性能要求 .71.4.2 电气设计流程 .81.5 本文主要研究内容 .9第 2 章 脐带缆电场分析与临界绝缘厚度理论计算 .112.1 电场有限元分析理论基础 .112.1.1 各类电场数值计算方法特点 .112.1.2 电场 FEM 法基本原理 .132.1.3 电场 FEM 工程仿真软件选择 .142.2 电场 ANSYS 分析过程 .162.2.1 电场 ANSYS 分析流程图 .162.2.2 电场 ANSYS 分析步骤 .162.3 脐带缆电缆
10、单元临界绝缘厚度理论计算 .232.3.1 临界厚度理论计算流程 .232.3.2 电缆线芯最大场强计算 .232.3.3 电缆运行中承受过电压 .242.3.4 电缆临界绝缘厚度计算与选择 .262.4 本章小结 .28第 3 章 脐带缆温度场分析与载流量理论计算 .293.1 温度场有限元分析理论基础 .293.1.1 温度场有限元计算原理 .293.1.2 温度场 FEM 工程仿真软件选择 .323.2 温度场 ANSYS 分析过程 .323.2.1 流程图 .323.2.2 分析过程 .333.3 基于 FEM 法脐带缆载流量计算 .38哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -3.3.1
11、 传统热路法稳态载流量计算简介 .383.3.2 稳态载流量 FEM 法计算： .403.4 本章小结 .41第 4 章 不同缆芯结构脐带缆电热性能 FEM 计算 .424.1 脐带缆缆芯截面类型 .424.2 不同缆芯截面脐带缆电场分析 .434.2.1 不同缆芯结构的电场计算结果 .434.2.2 缆芯材料选择与电场计算结果 .444.3 不同缆芯截面脐带缆温度分布与载流量计算结果 .454.3.1 不同缆芯截面温度分布计算结果 .454.3.2 不同绝缘与护套材料载流量计算 .464.4 结果讨论分析 .484.4.1 不同缆芯结构电场分析 .484.4.2 不同缆芯结构载流量分析 .4
12、84.5 脐带缆电热性能 FEM 分析要点 .484.6 本章小结 .50结论 .51致谢 .52参考文献 .53附录 A .54附录 B .55附录 C .56哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景课题来源于国家高技术研究发展计划（863 计划） （2009AA09Z301）“水下生产系统脐带缆关键技术研究” 委托子课题。随着我国经济的快速发展，能源需求越来越大，能源供需矛盾日益突出，为了缓解能源供需矛盾，加快海洋油气资源开发已成为国家战略需求。随着海上油气田开发水深的不断增加，水下生产系统及其主要部件以其显著的技术优势、可观的经济效益得到国内外各大石油公司以及
13、各相关制造厂商的广泛关注 1。脐带缆是水下生产系统的关键组成部分之一，是水下生产作业设备的生命线，主要作用是为水下生产系统提供电气液压动力、化学注入通道，同时为上部模块控制信号以及水下生产系统提供数据传输通道。长期以来，我国所使用的脐带缆全部依赖进口，对这一方面的关键技术研究尚属空白，尚不具备脐带缆系统设计、分析、生产等关键技术的能力，因而在一定程度上制约了我国深海油气田的开发 2。针对这种需求，国家加大对脐带缆的技术研究，在“十一五”期间，国家“863”计划“水下生产系统脐带缆关键技术研究”课题组采取产、学、研相结合的形式，针对南海典型环境开展了对脐带缆关键技术的研究，确定目标脐带缆的各方面
14、功能要求。脐带缆开发研究中其结构的力学与电气性能分析是关键技术之一，力学研究应针对动态、静态缆的静力学与动力学方面进行分析，确保电缆结构的拉伸强度、涡激振动、疲劳断裂强度等性能达到应用要求；电气性能方面主要分析水下工作时，脐带缆的载流量、各部分温度分布、材料耐电强度，确保脐带缆使用中绝缘可靠、温度分布与载流量合理，为脐带缆绝缘结构设计奠定理论基础 3。开展水下生产脐带缆系统关键技术研究，建立具有自主知识产权的关键技术体系，培养掌握脐带缆设计、分析、制造等关键技术的技术人员，将进一步提升我国在深海油气开发装备方面的自主研发能力，为我国海洋深水油气田的开发提供技术支撑。同时，对于推进水下生产系统其
15、它关键设备的国产化、高效开发深水油气田以及保障我国能源安全具有重要的战略意义。哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -1.2 脐带缆基本结构水下生产系统脐带缆（Umbilical Cables）一般由电缆（动力缆或信号缆） 、光缆（单模或多模光缆） 、液压或化学药剂管和护套、填充绳等部分组合而成，可以为水下油气田开发生产设备提供电能、液压、化学药剂、控制信号及水下生产系统监测数据，起到水下设备与海洋平台、岸上设备紧密联系的重要纽带作用。脐带缆在海洋石油与矿物资源开采中获得了广泛的应用，如海缆中的电力缆、控制缆、拖拽缆、遥控水下机器人缆等。由于脐带缆是海洋工程中一种集电力传输、数字信号和视频信号传输
16、以及气体或液体输送等多功能于一体的综合型电缆，因而对电气、机械等方面都具有许多特殊的要求。电缆单元的额定电压根据用户的实际需要确定，通常可为450/750V、0.6/1kV、1.8/3kV 和 3.6/6kV，电力传输功率大，能给海底动力设备提供强大的电力；电缆整体具有结构稳定、性能优良的电磁兼容设计，能确保电缆具有良好的信号传输质量；外护套材料采用耐水性能优异的热塑性弹性体材料，机械强度高，耐磨性好；电缆的水密封性能优异，要求电缆具有高可靠性和耐用性；电缆的铠装层可设计成扭矩平衡的钢丝铠装结构，电缆本体具有良好的自然垂性，不易发生扭转；电缆的最小弯曲半径一般为电缆直径的 10 倍。目前几类典
17、型的脐带缆结构及水下生产应用情况如图 1-1 所示。（a）脐带缆结构 （b）脐带缆端面（DUCO 公司）哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -（c）典型脐带缆结构（耐克森挪威公司）（d）脐带缆水下应用图 1-1 脐带缆结构与水下生产应用1.3 脐带缆国内外研究与应用现状1.3.1 国外研究与应用国外在脐带缆设计、制造及安装方面具有十分明显的优势，应用脐带缆的时间长、范围广，而且有着非常丰富的经验。最早的安装并运行的脐带缆是巴西石油公司在 MARLIM SUL 铺设的脐带缆，水深 990 米，由DUCO 公司设计生产，于 1997 年 6 月 1 日安装，于 1999 年开始运行，并且自从那时到现
18、在的 10 多年时间里，脐带缆的应用以十分迅猛的速度扩展开来。目前，大约有 60%以上分布在环大西洋，主要有墨西哥湾、巴西、挪威、安哥拉等；还有 30%分布在南亚地区，主要有印度尼西亚、澳大利亚等地；其余地方非常少 2。国外设计与制造脐带缆的具有代表性的公司主要有 Oceaneering Multifelx、Nexans 、Aker Kvaerner 以及 DUCO 等。这些大型公司拥有较完备的设计理论系统，开发了相应的专用分析软件和测试系统，集设计、制哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -造、试验、安装和监测等方面于一体。目前在深度为 1500m 处铺设脐带管的技术较为成熟，Nexans 公司
19、已铺设深度超过 1800m。国际发达国家水下生产系统脐带缆技术已较为成熟，国外很多学者采用解析和数值方法对脐带缆整体和截面进行分析，具有较完善的设计理论与分析方法。此外国外各大厂家均有自己的设计和分析软件，如 Nexans公司的 UFLEX 软件，Aker Solutions 公司的 USAP 软件，满足各公司设计和分析的要求，并有较完善测试系统保证产品的安全性。但总体来说，超深海域的脐带缆的设计理论以及铺设技术尚处于试验和完善阶段。下面对国外几个代表性公司的脐带缆基本情况作如下介绍：（1）Oceaneering Multifelx 公司 是水下生产系统脐带缆主要供应商之一，该公司具备生产热塑
20、管、电缆、高抗压溃柔性管、金属管及其组合脐带缆的能力。同时，还能够生产修井脐带缆、水下防喷器脐带缆以及飞线脐带缆，能够提供相关配件 2。Oceaneering Multiflex 生产的部分脐带缆如图 1-2 所示。（a）水下动力脐带缆 （b）钢管脐带缆（c）热塑管脐带缆 （d）修井脐带缆图 1-2 Oceaneering Multifelx 生产的部分脐带缆（2）耐克森（Nexans）公司 全球领先的电缆制造商，以生产钢制脐带缆为主。1993 年，该公司将超双相不锈钢管脐带缆引入市场，并应用哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -于 Statjord 和 Sleipner 项目中；1995 年，
21、该公司又成功将动态超双相不锈钢管脐带缆应用于墨西哥湾。该公司生产的脐带缆单位质量最大为135kg/m，最大外径为 213mm2，Nexans 公司生产的部分脐带缆如图 1-3所示。（a）水下动力脐带缆 （b）钢管脐带缆 （c）综合服务脐带缆图 1-3 Nexans 公司生产的部分脐带缆该公司生产的海底脐带缆产品的主要特点： 注液小钢管之间紧密相连，且螺旋角度较大（与 Aker 公司相比） 多用钢管，且钢管一般有护套以防止摩擦 多采用铠装加强（3）Aker Solutions 公司 该公司在 Moss 和 Alabama 两个城市设有生产加工基地，所生产的脐带缆有很多非铠装结构，主要有钢管脐带缆、综合生产脐带缆和深水脐带缆 2。Aker Solutions 公司生产的部分脐带缆如图 1-4 所示。
