海洋工程电缆研究(毕业论文doc).doc

目录摘要 . 2绪论 .错误！未定义书签。第 1 章 海洋工程电缆 . 4 1.1 海洋工程用电缆介绍 . 4 1.2 海洋工程电缆的品种系列 . 4 1.3 海洋工程用电缆技术性能 . 8 1.4 海洋工程用电缆选择 . 11第 2 章 典型海洋工程电缆介绍 . 13 2.1 NEK 606 中的 RFOU 和 IEEE 1580 中的 Type P 软电缆 . 13 2.2 海洋工程用脐带电缆 . 14第 3 章 海底光缆和海底光电复合缆 . 16 3.1 海底光缆 . 16 3.2 海底光电复合缆 . 19第 4 章 海洋工程电缆和海底光缆的发展概况和前景分析 . 22 4.1 海洋工程电缆发展概况及前景分析 . 22 4.2 海底光缆发展概况及前景分析 . 23 4.3 对海洋工程电缆和海底光缆的展望 . 25致谢 . 26参考文献 . 27 摘要 随着我国海洋事业的快速发展，海洋开发用电缆的应用越来越广泛，同样需求也会越来越大。 这对于我国的海洋开发用电缆的发展是个难得的机遇。我国的海洋开发用电缆虽然发展速度较快，但相比于国外发达国家还是有一定的差距。本文主要介绍了海洋工程用电缆和海底光缆的结构、性能、应用、现状和发展前景。对我国的海洋开发用电缆做了简单系统的介绍和分析，并介绍了几种典型海洋开发用电缆。关键词：海洋开发用电缆、海洋工程用电缆、海底光缆、发展前景 AbstractWith the rapid development of Chinas ocean career ocean exploitation by cable usedmore widely the same demand has increased. This for our countrys Marinedevelopment with the development of the cable is a rare opportunity. Chinas oceandevelopment by cable though developing fast but compared with the developedcountries in foreign countries or at a distance. This article mainly introduced theocean engineering with cable and of undersea optical cable structure performanceapplication the present situation and development prospect. The development ofChinas ocean with cable to a simple introduction and analysis of the system andintroduces several typical Marine development by cable.Keywords: Marine development by cable ocean engineering with cable underseaoptical cable the development prospect 绪论 我国有漫长的海岸线和广阔的海域，岛屿众多，海防任务艰巨。海洋工程电缆系统可以为岛屿和大陆间、岛屿间的通信、国土防卫、海中信号发送等提供稳定可靠的平台。因此随着开发利用海洋、国防等诸方面需求的不断增加，海底光缆组成的系统在军事、民用领域有着非常广阔的应用前景。 21 世纪是海洋开发的新世纪，是发展海洋经济的新时代。海洋占地球面积的三分之二，然而人类的开发活动至今却主要局限在占地球面积三分之一的陆地上。开发海洋、发展海洋经济是整个人类生存和社会发展极为现实的必由之路。海洋有三个重要的组成部分：岩石圈、水圈和生物圈。岩石圈就是海底，水圈就是海水本体，生物圈就是生活在海洋里的各种生物。海洋资源与海洋产业，包括海洋生物资源、海水资源、海洋空间资源、海底矿产资源、能资源石油、天然气、天然气水合物和海底热能等，以及深海生物基因资源等。其中海底石油与天然气勘探和开采，要建造很多石油平台， 电缆是必备的配套产品，且数量庞大，持久时间长。随着世界各国对海洋资源的大力开采，海洋工程迅速发展，使得海洋工程用电缆的需求不断扩大， 同时对其提出了更高的技术要求。这就要求我们不断地研究创新，从失败中总结教训，从成功中吸取经验，以便开发出技术含量更高的产品，满足海洋工程的配套新要求。 光纤作为迄今为止不可替代的通信媒介，是通信系统的基础和首选， 已成为关系国家可持续发展的战略性产业。 从近年来光纤光缆的应用发展趋势看，光纤通对海底光缆的依赖程度进一步增加。海底光缆简称:海缆通信具有通信质量稳定可靠，保密性好，隐蔽性好，抗毁、抗干扰等特点，无论是平时，还是战时，作为隔海通信手段，都具有其他任何通信手段所无法替代的优势。随着海缆在全球范围内的广泛使用和上百万公里海缆线路的铺设， 大容量海底光缆系统在现代社会的信息超高速公路中扮演了非常重要的角色。 台湾海峡发生地震造成海底光缆断裂，引发互联网、国防通信、数据业务等大面积阻断事件，引起了人们对海缆进一步的广泛关注。 第 1 章 海洋工程电缆1.1 海洋工程用电缆介绍 海洋工程用电缆是指配套在海洋工程项目上的特种电缆，如各类钻机模块，采油平台等项目所用的动力、控制和仪表电缆。其显著的技术特点为高机械强度、耐油污、防泥浆、防紫外线、成束阻燃防火、耐高温、耐低温等。 海洋工程用电缆根据采用的标准、结构设计以及相关的技术性能要求的不同主要分为两大类，即主要客户是欧洲市场的挪威NEK606： 2004标准电缆和客户群为北美的IEEE45：2002和IEEEl580：2001标准电缆。NEK606标准主要是无卤交联聚乙烯和无卤乙丙橡胶绝缘电缆，而IEEEl580则主要是交联聚烯烃Type P和乙丙橡胶Type E绝缘系列电缆。1.2 海洋工程电缆的品种系列 海洋工程用电缆，覆盖了平台采油和气用各种常规作业电缆，也包括海底油、气资源钻探用电缆以及其他海底沉船、寻宝、地质和矿藏等探测电缆。海洋工程电缆设计并不太复杂，但制造技术较难，必须先具备大型装备，进行加工管道等元件的绞合成缆，其次是大型装铠设备，还有是特种试验设备。 海洋工程电缆，已经形成一个独立的电缆产品体系，从功能和结构来看，包括信号、同轴、双绞线组、高电压、大电流、光纤、流体、气体、钢丝铠装、芳纶加固棒铠装、中性浮力比重基本与海水相等、脐带缆和各种类型的复合缆。还有用于移动运行车ROV、拖曳声纳、潜艇声纳、海洋地质调查、海洋石油勘探、海洋石油地震系统、水下摄像、埋设电缆装备、海底工作站、海洋传感器等。尽管海洋工程电缆看起来似乎琳琅满目，实质上仍然不出电力、控制、信号、仪表、通信、视频、数字传输和光传输等功能范畴。不少场合需要结合使用条件，电缆具有复合结构和综合性能，并常需规定电缆直径的上限值。 1. 石油平台常用电缆 按照使用场合或功效，大致可分为以下几种，实际上结构和功能存在交叉： 1 水上使用电缆 水上使用电缆，一般用于已电力、控制和仪表为主，电压大多数为 1000 V级以下，有部分为 3300 V。铜导体截面范围，大多在 0.550 mm2 ，截面不一定按照铜导体标准系列，需按照电缆直径上限值调整，可采用交联聚乙烯、乙丙橡胶绝缘，电缆护套大多数采用耐水解的聚氨酯弹性体，基本不需铠装，一般也不需要有芳纶复合加强构件，见图 1-1a。 2 浅水使用电缆 浅水使用电缆，虽然敷设在水中，但水深很浅，所以也不需铠装和加强构件，电缆功能和结构与水上使用电缆差不多，见图 1-1b。 3 带状电缆 带状电缆使用数量较少，但便于电缆收放卷绕，有的以钢丝绳为主，见图1-1c。 4 铠装电缆 铠装电缆是指镀锌双钢丝铠装电缆，钢丝外挤包护套， 其材料可用高密度聚乙烯、聚氨酯、低烟无卤聚烯烃等，这类产品常标有电缆允许承载吨位值。电缆内部结构按用途而定，现代铠装电缆已经过很大的改革，具有很多综合功能，其中也包括光纤，见图 1-1d。 5 承重电缆 承重电缆是指芳纶加强件承担负重的电缆， 有芳纶复合棒、芳纶纤维绳挤包护套和芳纶纤维编织三种类型，比铠装电缆有更多的优点，目前还是价格较贵。碳纤维的应用，今后也有可能，见图 1-1e。 6 综合光缆 光缆应用，将会引起更大的改革，虽有单纯的光缆，实际上多数产品结构，仍属于光-电综合缆，其中包括数据传输线组或同轴对，大多数光-电综合缆，用芳纶复合棒或芳纶纤维绳挤包护套或芳纶纤维编织加强，外护套大多挤包聚氨酯，是前沿品种之一，见图 1-1f。 7 管道检测用电缆，具有综合结构，包括同轴对，多个双绞线组，部分需有缠绕铝和聚酯复合带构成单元屏蔽，有的需要镀锡铜线编织总屏蔽，这部分电缆根据它的负重条件，设置芳纶加强构件或玻璃丝加强构件或芳纶纤维编织加强，电缆护套材料，应根据周围环境而定，有高密度聚乙烯、热塑弹性体、无卤阻燃聚烯烃、交联聚乙烯、阻燃聚氨酯等，见图 1-1g。 8 电视电缆 电视电缆用于监测场合，通常包含多个同轴对，还包含控制芯、通信线对和仪表芯，必要时需由铜线编织构成总屏蔽，有需要时由芳纶纤维编织构成加强层，见图 1-1i和j。 图 1-1 石油平台部分常用电缆示意图2. 水下探测用电缆1 移动运行车ROV脐带缆和中性电缆 随着水下作业深度越来越深，作业精度提高， 移动运行车ROV已广泛应用。现代的 ROV，采用了更高清晰度的摄像和声纳，大容量、高带宽、低损耗的光纤传输成为主流，2-6 根光纤加多根电源加少量铜导体信号线，成为 ROV 缆的内部标准配置，中层采用高密度聚亚胺脂PUR，可在水下 6000 m 工作，脐带缆外 TMS层采用多层不锈钢丝铠装承重， 与 ROV 之间的中性缆， 内层由芳纶纤维承重，外层采用耐压发泡材料，以保证光-电缆与海水的比重基本相同。2 声纳电缆随着声学、数字、测控技术的高速发展，过去常用的多芯铠装拖曳电缆，已经不能满足声纳系统的要求， 一系列完整的新型声纳电缆已经问世，如铠装同轴电缆，应用于侧扫声纳、鱼群探测声纳、吊放声纳等；光电拖曳缆，应用于现代先进的合成孔径声纳及主被动声纳阵列系统中；双绞线电缆用于舷侧声纳系统中，内部导线由 4 根屏蔽电源线和 3 个 4 线组组成。3 光电拖曳电缆随着探索深度增加，水下拖曳设备体积和重量的不断增加和数据容量的不断增大，拖曳缆的设计要求也越来越高。根据目前市场的要求，安全工作载荷和破断力以及缆的外径可按要求选择定制，光-电拖曳电缆具有良好的拖曳特性。经典的拖曳缆设计，有三根光纤和三根电源芯，外层由三层铠装钢丝组成，外径仅为17.30mm，工作拉力却可达 6 吨。4 海洋地球物理和地震电缆 高性能的海洋地震炮缆， 内部包含各种不同孔径的高压气孔，耐压力等级分3000psi、2000psi 以及更小，结构中包括44122 芯的双绞或四绞数据线，以控制气枪的开合， 双钢丝铠装承重的破断拉力可达 60 吨，最外为 PUR 外护套，起防水及保护作用。海底地震仪OBS脐带缆，内部有电源线、信号线、单模或多模光纤，外层可为双层/三层不锈钢钢丝铠装，也可用?悸谙宋庸碳埃狭纱?77 吨。5 同轴电缆科学考察船以及 CTD 调查、吊放声纳等，长距离的铠装同轴缆是最常使用的，特性阻抗一般为 50 或 75，通过信号搭载方式，中心导体可为水下设备供电及双向传输信号；由两层或三层钢丝铠装，或芳纶纤维加固件承重；不采用编织铜线屏蔽，改用缠绕的编织屏蔽带，以预防吊放物体过重，造成缆在通过滑轮时横向压力过大，使屏蔽层受挤压断裂， 造成特性阻抗及抗电磁干扰等电气性能下降。 图 1-2 水下探测用电缆示意图6 最新深海移动运行车ROV用光-电缆和柔软光缆 图 1-3 最新深海移动运行车ROV用光-电缆和柔软光缆1.3 海洋工程用电缆技术性能1.3.1 NEK606 标准电缆性能指标 挪威NEK 606作为海洋工程用电缆的权威标准，其对电缆的技术性能指标要求除了需IEC60092359对热固性无卤材料SHF2的规定外，还重点强调了低烟、无卤、阻燃防火、耐油和耐泥浆。1. 低烟、无卤性能 由于海洋工程的环保要求，同时为避免火灾中毒性气体带来的“二次灾害”，NEK606要求海洋工程用电缆必须低烟无卤，满足国际电工委员会IEC相关标准的规定。具体的性能指标见表1-l。 表1-1 NEK606电缆低烟、无卤技术指标 项目 单位 技术指标 烟中透光率（IEC61034） 60 氟含量IEC 60684-2 01 卤酸气体含量IEC60754-1 05 酸气含量IEC60754-2 Ph值 S/mm 43 电导率 102. 耐油 耐油性能是海洋工程用电缆最基本的技术要求，NEK606标准要求其必须满足IEC 60092359对热固性无卤材料SHF2浸热油IRM 902后的指标，见表1-2。 表1-2 NEK606标准电缆耐油及耐泥浆技术指标 项目 单位 技术指标 浸IRM 902热油后的机械性能 温度 100±2 时间 h 24 抗张强度变化率，最大值 ±40 断裂伸长率变化率，最大值 ±40 浸IRM 903后的机械性能 温度 100±2 时间 h 7×24 抗张强度变化率，最大值 ±30 断裂伸长率变化率，最大值 ±30 体积膨胀率，最大值 ±30 重量增加率，最大值 ±30 浸水基溴化钙溶液后的机械性能 温度 70±2 时间 h 56×24 抗张强度变化率，最大值 ±25 断裂伸长率变化率，最大值 ±25 体积膨胀率，最大值 ±20 重量增加率最大值 ±15 浸油基钻液后的机械性能 温度 70±25 时间 h 56×24 抗张强度变化率，最大值 ±25 断裂伸长率变化率，最大值 ±25 体积膨胀率最大值 ±20 重量增加率，最大值 ±153. 耐泥浆 海洋工程，尤其是各类采油平台，因其作业环境的恶劣性及钻液的腐蚀性，为保证设备使用性能与安全，延长使用寿命，电缆必须耐泥浆。耐泥浆电缆护套材料为防泥浆热同性无卤聚烯烃SHF Mud，其除具备SHF2的全部性能外，更需符合表2的技术要求。4. 阻燃/防火性能 阻燃防火性能一直是电缆重点强调的技术性能， 海洋工程用电缆由于使用环境油污的易燃性， 高温性，对此更是重视。其要求阻燃电缆必须满足IEC 60332322：2000描述的A类成束阻燃，防火电缆则需符合IEC 60331系列标准，如电缆外径不大于20mm，则采用IEC 6033121：1999的描述，即750，90min；如电缆外径大于20mm， 则需满足IEC 6033131：2002的规定，即830，120min，以保证火灾情况下电路通畅。1.3.2 IEEEl580 标准电缆性能指标 与NEK606标准的侧重点不同，IEEE 1580重点强调了电缆的柔软性、耐高温及耐低温、耐气候、抗油、耐磨等性能。1. 柔软性 由于海洋平台的敷设空间较小，为获得更小的弯曲半径，便于敷设，节省空间，IEEEl580推荐海洋工程用电缆导体采用符合ASTM B33或IEC 60228标准的5类导体。尤其对于大截面动力电缆，采用5类导体不但易于敷设，同时更加柔软，弯曲性能较好，更适于钻井作业需求。2. 耐高温及低温 为满足寒冷地区使用电缆的需求，保证作业，IEEE 1580提出了电缆耐低温的要求， 具体分为低温卷绕和低温碰撞性能， 2 采用的试验标准为CSA C22 No3，相关的温度为低温碰撞一35、低温卷绕一40。电缆经过CSA C 222 No试验后，不应出现龟裂。 根据资料统计，目前设计的海洋工程用电缆可达到的最低温度性能指标通过了一55低温弯曲试验和一40低温碰撞的试验，以满足某些特殊地区的作业气候要求。 除耐低温性能要求外，IEEE 1580和IEEE45对电缆的耐高温性能也提出了要求，将海洋工程用电缆导体最高额定工作温度划分为90， 1 950C， 10和1254个等级，以满足不同场合、不同设备设计的需要。其中海洋工程中用于勘探钻井的采油平台作业设备部分都需125的交联聚烯烃绝缘单芯软电缆以及110多芯动力软电缆Type P，以满足大功率电动机载流需要。 耐高温性能不仅确保了电缆在设备作业过程中高温环境的安全， 同时也增加了电缆的额定载流量。这样一来，使得在负载电流一定时，可采用更小截面积的电缆，从而在保证电缆性能的基础上获得较小的电缆外径，较轻的电缆重量，方便电缆敷设，节省平台空间。3. 耐日光老化 很多海洋工程项目的电缆敷设在室外，如果设备作业在热带或亚热带海域，电缆必须是耐日光老化的，不然使用寿命会大打折扣， 为此采用IEEE1580标准海洋工程电缆的客户一般也要求电缆具有耐气候老化性能。 耐气候老化性能?话悴捎肬L62，ULl581或MILDTL一24643的要求进行验证，具体的性能指标见表3。4. 耐油和高机械强度 耐油性能作为海洋工程用电缆的通用性能，IEEE 1580电缆同样进行了要求。除此外，IEEE1580对电缆的机械耐磨性能有着很高的要求，因此符合IEEE 1580的海洋工程用电缆均有着优越的抗拉机械性能，见表1-3。5. 无卤电缆护套特性 除上述各种性能外，对于环保型电缆，如护套为热固性无卤聚烯烃系列材料则其还需满足表1-4的要求。 表1-3 IEEE 1580标准电缆部分技术性能 项目 单位 技术指标 耐气候性能1 000h 老化前抗张强度的百分比 80 老化前断裂伸长率的百分比 80 老化前的机械性能 抗张强度，最小值 Mpa 8.9 断裂伸长率，最小值 300 浸油试验 .