海底电力电缆铠装结构机械强度分析及设计

ｒ ｅｃ ｌｓ ｓ ｏａｄａｗｒ ａ ｒ ｇｔ ｔｅｃｂｅ ｓ ｒｎ ｔ ｍ ｍ ｅ，ｈ ｒ ｏ ｎ ｔｓ ｎｓｌ ｇ ｕｉａ ｐ ｌ ｉ ａ ｅ）ｉ ｔ ｄ ｉ ｒ ｉ ａ ｌ ｎ ｂ ｅ ｍｏ ｎ Ｏ ｈ ．Ａ ｓ ｅｇ ｅ ｂ ｒ ｔｅａ ｒ ｇｗ ｈｔ ｄ ｎｉ ｄｎｌ ｕ— ａｔ ｈ ｍｉ ｉ ａ ｏ ｔ
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（ ｉｇ ｕｍａ ｎ ａｌ Ｒ ｓａｃ ｓｔ ｅ Ｎｎ ｂ ０ ０ Ｃ ａ Ｎｎｂ Ｓ ｂ ｒ ｅＣ ｂｅ ｅｅｒｈＩ ｔｕ ， ｉｇｏ３５ ４ ， ￣ｎ ） ｅ ｉ ｎ ｉｔ １
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强度设计 的关键 。
（ ）忽 略层 间 和层 内的摩 擦 ， 略 层 间 的互相 ４ 忽 作用 力 ， 间可完 全滑 动 。 层
１２ 每层铠 装覆盖 的密 集度 ．
收 稿 日期 ：０ ００ －６ ２ １ － １ ９
根据铠装 覆 盖密 集 程 度 的不 同， 同 的海 缆节 相 圆半 径可 以有 不 同的铠装 钢丝 根数 。通 常选 取 的铠
装覆 盖 密集 度 在 ９ ％ 一１０ ， 为在 这 个 范 围 内 ０ ０％ 因
基金项 目： 国家科技支撑 计划项 目第 ２子课题 “ 大长度 ２０ｋ ２ Ｖ光 电复合交联 电缆 工艺技 术 与关键 装备 的研究 （０７ Ａ ＩＢ ２ ” ２０ Ｂ Ｅ ９ ０ ） ．
作者简介 ： 夏 峰 （９ ５一） 男 ， １８ ， 宁波海缆研究院院长．
ｄ
． ｒ ｄ
式中， ￡为总层 数 ；、 ｉｄ为层 数序 号 （ ，， ， ， ； １２ ３ … ）Ａ 为铠 装 横 截 面 积 （ ； 为 铠 装 屈 服 强 度 ｍｍ ） Ｓ
（ ａ。 ＭＰ ）
装 的拉 伸刚度 减小并 不 明显 ，０ 时 的拉伸 刚度 约为 ｌ。
０ 时 的 ０９ 。 ．４倍 ； 当缠 绕角 度从 ｌ 。 ０ 增大 到 ２ 。 ， ０ 时 铠
前， 须对 设计 过程 中所 用 的理论 作基本 假定 ， 以明确 其需要 满足 的必要条 件 。 １ １ 海缆铠 装设计 的基本 假定 … ． （ ）同一 截 面上 的所 有铠 装钢丝 有相 同的伸长 １ 和扭转 等变形 量 ， 即平截 面假定 ； （ ）海缆 在初 始无受 力状 态时层 问没有 摩擦 ； ２ （ ）铠装 钢丝 所发 生的力 学行为 皆在 弹性 范 围 ３
生一 个使铠 装螺旋 松 开 方 向的扭 矩 ， 即与 铠装 层 绞 合方 向相反 的扭矩 。在 一端 固定另 一端可 以 自由转 动 的情 况下 ， 这个扭 矩会造 成不 同层 铠装松 紧不 一 。 这就意 味着在 受拉 的情况 下 ， 的铠 装层 将 承 受 比 紧
（ ａ ； 内核组 份 的整 体抗 拉刚度 （ Ｎ） ＭＰ ）ＡＥ 为 Ｍ 。
铠装结构具有更好的稳定性。根据几何关系， 可以
作者地址 ： 江 宁 波 市 高 新 区 扬 帆 路 ９ ９弄 ｔ号 浙 ９
［ １００ ． ３ ５４ ］
得到一个近似计算铠装覆盖密集度 ｃ 的方法 ， 其误 差在设 计允许 的范 围 内 Ｊ ：
２ １ 年 第 ３期 ０１
Ｎｏ ３ ． ２ １ ０１
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ：６２６ ０ （０ １ ０ ４０８ ） １７ －９ １ ２ １ ）３ ）０ ４４
Ａｎａｙｓｓ ａ ｄ ｓｇ ｏ ｈ ｅ ｈａ ｃ Ｓ ｒ ｎ ｔ ｏ ｈｅ Ａｒ ｒ ｎ ｎ Ｓｕ ｌ ｉ ｎ Ｄｅ ｉ ｎ ｆｔ ｅ Ｍ ｃ ｎｉ ｔ ｅ ｇ ｈ ｆｔ ｍｏ ｉ ｇ ｉ ｂｍａ ｉ ｗｅ ｂｌｓ ｒｎｅ Ｐｏ ｒ Ｃａ ｅ
． ．
图 ｌ 铠装拉伸 刚度与缠绕角度的关 系
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。 。
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．
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…
从 图 Ｉ可知 ， 缠 绕 角度 从 ０ 增 加 到 １ 。 当 。 ０ 时铠
ｉ＝１ ｄ） ｄ ｄ （≠ｄ）
足海缆 对强度 和 刚度 的要 求 。
２ １ １ 缠绕 角度 与拉 伸 刚度 的关 系 ． ．
式 中 ， ｃ 为铠 装 覆 盖 密集 度 （ ） ／ 为 每 层 铠 装 钢 ％ ；， ７ ｉ
丝 根数 ； 铠装层 的节圆半径 （ ｍ） ｏ 为缠 绕 角 Ｒ为 ｍ ； ｌ 度（） 。 。必须 说 明 的是 ， 学 设 计 中 的铠 装 角度 与 力
内；
受 比正常敷设时更大的荷载 ， 这些都对其机械强度
提 出了更 高 的要求 。 由于海 缆的功 能单元 结构相对 固定 ， 原则 上不作 为承 载单元 ， 而且 提高海 缆机械 强 度 一般采 用 的方 法是在 海缆 功能单 元外增加 一层 或 者多层钢 丝铠装 ， 因此 铠装 的设 计就 成 为 海缆 机 械
电缆行业所 定义 的铠装 螺旋 升角互 为余 角 ； 同时 ， 在 确定 铠装覆 盖密集 度 的条 件下 ， 可 以根 据 铠装 层 也 的节 圆半径 和缠绕 角度得 到 每层铠装 钢 丝的根 数 。
１ ３ 扭 转平衡 与应 力平衡 ． 如上 所述 ， 为使 铠装结 构有较 大 的轴 向刚度 ， 同
ｌ ｇ ｆｒ ｅ ａ ｄ ｐ ｏ ｉ ｅ ｃ ａ ｉ ｒ ｔｃ ｉｎ ｆ ｒｔ ｅ ｉ ｓ ｌｔ ｄ ｃ ｎ ｕ ｔｒ ｄ ｆ ｅ ｎ ｔ ｉ ｓ ｅ ｓ ｂ ｒ ｅ ｃ ｌｓ Ｉ ｉ ｃ ｒ ｖｄ ｓｍｅ ｈ ｎ ｃ ｐ ｏｅ ｔ ｏ ｎ ｕ ａｅ ｏ ｄ ｃ ｓ ａ ｂ ｒｕ ｉ ｎ ｉ ｕ ｍａ ｉ ａ ｅ ． ｎ ｎ ｏ ｎ ｏ ｈ ｏ ｎ ｉ ｓ ｄ ｎ ｂ
２ １ 年第 ３期 ０１
Ｎ ． ２ １ ｏ３ ０１
电 线 电 缆
Ｅ ｅ ｔ ｃ Ｗｉ ｌｃ ｒ ｒ ｉ ｅ＆ Ｃ ｂ ｅ ａ ｌ
２１ ０ １年 ６月
Ｊ ｎ ２ １ ａ ．，０ １
海底 电力 电缆 铠 装结 构 机 械强 度分 析 及设 计
夏 峰 ， 陈 凯 ， 张永 明
度 ， 装 一般 被 设 计 成 螺 旋 缠 绕 于 海 缆 内核 外 的形 式 。文 中主 要 论 述 了 海 缆 机 械 强度 设 计 方 法 ， 别 是 铠 装 铠 特
的理论计 算设计方法。
关键 词 ： 底 电 力 电 缆 ； 装 ； 海 铠 机械 强度 ； 曲柔 度 ； 计 弯 设
中圈分 类号 ：Ｍ２７ ９ Ｔ ４ ．
电 线 电 缆
Ｅｌｃ ｒｃ Ｗ ｉｅ ＆ Ｃａ ｌ ｅ ｔｉ ｒ ｂｅ
２ １ 年 ６月 ０１
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×１０ ０％
（） １
度 ， 同时弯曲的柔度也较低 ； 但 当铠装缠绕角度变大
时 ， 导致 结果正 好反 之 。因此 ， 其 只有通过 合理选择 铠装 的结构设 计参 数 ， 能找 到最优 的平衡 点 ， 才 以满
ｏ ｄ ｒｔ ｒ ｖｄ ｒ ｅ ｃ ｂ ｅ ｓ ｆ ｃｅ ｔ ｅ ｉ ｉ ｔ ，ｔｅ ａｍｏ ｎ ｓ ａｌ Ｏｄ ｓｇ ｅ ａ ｓｈ ｌｃ ｌ ｕ ｄ ａ ｏ ｎ ｒ ｅ ｐ ｉ ｅ ｆ ａ ｌ ｕ ｉｉ ｎ ｘ ｂｌ ｙ ｈ ｒ ｒ ｇ ｉ ｕ ｕ ｙ Ｓ ｅ ｉ ｄ ｔ ｔｉ ｉ ｅｉａｌ ｗｏ ｎ ｒ ｕ ｄ Ｏ ｏ ｏｔ ｈ ｌ ｆ ｉ ｉ ｓ ｌ ｎ ｈ ｔ ｙ ｔ ｅ ｆｎ ｔ ｎ ｕ ｉ ｆｓ ｂ ｒ ｅ ｃ ｌ ｓ Ｉ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｈ ｅ ａ ｔｏ ｓ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｍａｎ ｙ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｈ ｃ ｏ ｎ ｔ ｏ ｕ ｍａｉ ａ ｅ ． ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｔ ｕ ｈ ｒ ｉｃ ｓ ｅ ｉｌ ｈ ｅ ｉｎ ｏ ｔ ｃ ａ ｉ ｕ ｉ ｓ ｎ ｂ ｆ ｈ ｓｒ ｎ ｔ ｆｓ ｂ ｒ ｅ ｃ ｌ ｓ ｓ ｅ ｉｌ ｅ ｄ ｓｇ ｆｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ｔ ａｃ ａ ｉｎ ｏ ｅ ａ ｍｏ ｎ ． ｔ ｇｈ ｏ ｕ ｍａ ｎ ａ ｅ ，ｅ ｐ ｃａｌ ｔ ｅ ｉｎ ｏ ｈ ｏ ｅｉ ｃ ｕ ｔ ｆｔ ｒ ｒ ｇ ｅ ｉ ｂ ｙｈ ｈ ｃ ｌｌ ｏ ｈ ｉ Ｋｅ ｒ ｓ ｕ ｍａ ｉ ｅ ｐ ｗｅ ａ ｌ ； ｒ ｒ ｇ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｓ ｅ ｇｈ ｆ ｘｂ ｌ ｙ ｄ ｓｇ ｙ ｗｏ ｄ ：ｓ ｂ ｒ ｎ ｏ ｒｃ ｅ ａ ｍｏ ｎ ； ｃ ａ ｉ ｔ ｎ ｔ ； ｅ ｉ ｉ ｔ ； ｅ ｉｎ ｂ ｉ ｒ ｌ ｉ
对于 两 端 固定 的线缆 而 言， 伸 刚度 为 ｋ 拉 （ Ｎ） 计 算公 式如 下 Ｊ Ｍ ， ：
ｋ ＝∑ ｎ ｓ ＋ ｃ ｉＥ ＡＥ Ａ
（） ３
式 中 ， 为铠装层 层 数 ； 内核 组份 ； ｉ ｃ为 Ｅ为 弹性模 量
时 又有较 好 的弯 曲柔度 ， 常将 其 设计 成 为 螺 旋缠 通 绕形 式 。这种结 构会使 得铠 装在受 到拉 伸载荷 时产
０ 引
言
１ 海缆铠装预设计
由于钢丝 铠装 为 螺旋 绞合 的复 杂 结 构 ， 机械 其 强度 的计算非 常 困难 。在 对海缆 进行机 械强度 设计
随着 我 国海 洋 经 济 的快 速发 展 ， 电 压等 级海 高 底 电力 电缆 （ 以下 简 称 海 缆 ） 到 了广 泛 应 用 。 由 得 于海缆 的外径 不断 增 大 ， 求 海 缆本 身 具 有更 高 的 要 机械强度 ， 以便 承受重 力荷 载 ； 同时 海缆在敷 设 以及 运 行 中 ， 其是 海缆发 生故 障需要 打捞修理 时 ， 承 尤 将
（ 宁波海缆研究 院 ， 浙江 宁波 ３５４ ） １０ ０
摘要 ： 现行 的能有效提 高海底 电力电缆 （ 简称海缆） 机械 强度的 方法是增加钢 丝铠装层 。铠装 作为一种 强度 单元， 主要起 到承受轴 向拉力和为海缆 内核 中的电以及光单元提供机械保护 的作用 。为 了使 海缆有足 够的柔
同时铠装 的根数 与缠 绕角 的关 系可表示 为 ：
２－Ｒ Ｏ Ｏ Ｃ ｒ Ｃ Ｓ ｒ ｌ
ｎｉ — ～
，． 、
斗
图 １为铠 装 拉伸 刚度 与 缠 绕 角 的关 系 （ ： 注 拉
伸 刚度 比值 为 “ 量纲 ” 设缠 绕角 度为 ０时 的拉 伸 无 ， 。
刚度 为 Ｉ０ 。 ． ）
相反 的缠绕 方 向。
为 了提高 结构 的承 载效 率 ， 们希 望 每层 铠 装 我 都 承受 与之屈 服强度 成 比例 的载荷 。这就是 应力 的
平衡 。
Ｋ ａｐ等 学者 已经 证 明 Ｊ只 要满 足 公 式 （ ） ｎｐ ， ２，
海缆 的扭 转 以及 应力平 衡就 可 以近似地得 到 满足 ：
松 的铠装 层更 大的应 力 ， 成应力 分 布不均 ， 造 显著 降 低 了海缆 的抗拉 能力 。 同时在海缆 两端 的扭 转 自由 度都 能被 限制 的情况下 ， 如果 没有 足够 的拉力 ， 这个 扭矩 还会使 海缆 产 生局 部 弯 扭 和打 结 等 失稳 变 形 。 为 了减小 因铠装 螺旋缠 绕所 产生 的扭矩 以及避 免存 在 的失 稳风 险 ， 常将 多层 铠 装设 计 成 相 邻层 互 为 通