کابل‌های زیردریایی در محیط‌های زیر آب

با توسعه سریع منابع آب‌های عمیق و مهندسی دریا، کابل‌های زیردریایی، به عنوان یک واسطه انتقال مهم که تأسیسات زیردریایی را به هم متصل می‌کند، به طور فزاینده‌ای مورد توجه قرار گرفته‌اند. محیط اعماق دریا پیچیده و متغیر است و شرایط نامساعدی مانند ولتاژ بالا، نمک زیاد و دمای پایین، الزامات بالاتری را برای مواد و ساختار کابل ایجاد کرده است. این مقاله بر روی کابل زیردریایی مدل HYJQF41-F تمرکز دارد و به طور سیستماتیک عملکرد مواد و طراحی ساختاری آن را تحت سطوح ولتاژ 35 کیلوولت، 66 کیلوولت و 220 کیلوولت مطالعه می‌کند. از طریق آزمایش عملکرد مواد، تجزیه و تحلیل قابلیت اطمینان ساختاری و مطالعات موردی کاربرد عملی، راه‌های مؤثر برای بهبود عملکرد و قابلیت اطمینان کابل‌های زیردریایی بررسی شده و پشتیبانی فنی برای توسعه انرژی در اعماق دریا و مهندسی دریا ارائه می‌شود.

تحقیق و تحلیل خواص مواد کابل‌های زیردریایی

۱.نمای کلی از مواد کابل

کابل انتقال در اعماق دریا مدل HYJQF41-F به عنوان مرجع قلب کابل استفاده می‌شود. ماده مس کاتدی با خلوص تا 99.95٪ از ویژگی‌های امپدانس پایین و راندمان هدایت عالی ساخته شده است که انتقال انرژی برق با راندمان بالا را تضمین می‌کند. لایه عایق از پلی اولفین شبکه‌ای (XLPE) به عنوان ماده سازنده استفاده می‌کند و مقاومت ولتاژ آن می‌تواند به میزان شگفت‌انگیز 40 کیلوولت بر میلی‌متر برسد که بسیار بیشتر از ولتاژ عملیاتی اسمی کابل‌های برق 35 کیلوولت، 66 کیلوولت و 220 کیلوولت است و در نتیجه ویژگی‌های عایق الکتریکی عالی را تضمین می‌کند [1]. لایه محافظ از پلی اتیلن با مقاومت بالا (HDPE) برای نشان دادن مقاومت عالی در برابر خوردگی دریایی و محافظت فیزیکی استفاده می‌کند. استحکام کششی آن به 24 مگاپاسکال می‌رسد که برای مقابله با تغییرات زمین و فشارهای مکانیکی بستر دریا کافی است. برای مشاهده نمودار شماتیک ساختار سیم در اعماق دریا، لطفاً به شکل مراجعه کنید.

۲. آزمایش عملکرد مواد در محیط اعماق دریا

به منظور ارزیابی جامع خواص مواد کابل‌های زیردریایی مدل HYJQF41-F در محیط‌های عمیق دریا، روش‌های آزمایش زیر در این مطالعه اتخاذ شد:

(1) آزمایش تحمل ولتاژ بالا: نمونه کابل، محیط ولتاژ بالای اعماق دریا را در آزمایشگاه شبیه‌سازی می‌کند و به طور مداوم ولتاژ 35 کیلوولت را به مدت 100 ساعت اعمال می‌کند تا پایداری و ولتاژ شکست لایه عایق را تشخیص دهد.

(2) آزمایش مقاومت در برابر خوردگی: لایه محافظ HDPE کابل به مدت 96 ساعت در محلول 3.5٪ NaCl خیسانده شد و مقاومت در برابر خوردگی ماده با اندازه‌گیری میزان کاهش وزن ارزیابی شد.

(3) تست عملکرد مکانیکی: انجام تست خمش در دمای 1000 درجه سانتیگرادوای سیروی نمونه کابل، شعاع خمش 10 برابر قطر کابل تنظیم می‌شود تا انعطاف‌پذیری و دوام ماده ارزیابی شود.

(4) آنالیز ریزساختار: آنالیز ریزساختار هسته رسانا، لایه عایق و لایه محافظ کابل با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) انجام می‌شود. نتایج خاص آزمایش عملکرد مواد کابل زیردریایی مدل HYJQF41-F در جدول زیر نشان داده شده است.

اصول طراحی ساختار کابل زیر دریا طرح طراحی خط انتقال زیر دریا بسیار مهم است، زیرا عملکرد مداوم و پایدار کابل را در محیط اعماق دریا تضمین می‌کند. طراحی کابل باید با تعدادی از استانداردها، از جمله مقاومت مکانیکی، ایزولاسیون الکتریکی، پایداری شیمیایی و سازگاری با محیط مطابقت داشته باشد. از نظر پایداری مکانیکی، کابل باید بتواند در طول عملیات در طول نصب در زیر دریا، کشش، فشار و بارها را تحمل کند. طراحی ایزولاسیون الکتریکی باید تضمین کند که هادی‌ها به طور پایدار در محیط‌های ولتاژ بالا منتقل می‌شوند و از تلفات انرژی و خرابی‌های الکتریکی جلوگیری می‌شود. پایداری شیمیایی مستلزم آن است که ماده بتواند در برابر مواد خورنده در آب دریا مقاومت کند تا عملکرد طولانی مدت آن بدون تغییر باقی بماند.

۳. تحلیل داده‌ها و بحث

طبق ارزیابی داده‌های تجربی، اجزای مورد استفاده در کابل دریایی نوع HYJQF41-F در شرایط اعماق اقیانوس، ناپایداری شدیدی از خود نشان دادند. با آزمایش ولتاژ بالا تأیید شد که بخش عایق پلی‌اتیلن شبکه‌ای شده، ضمن تحمل مداوم ولتاژهای بالا، پایداری خود را حفظ می‌کند و هیچ کاهش عملکردی رخ نمی‌دهد. نتایج ارزیابی مقاومت در برابر خوردگی، بار دیگر عملکرد ماده لایه محافظ پلی‌اتیلن با چگالی بالا را در محیط غوطه‌وری مداوم در دریا تأیید کرده است. نسبت کاهش وزن ناچیز آن، توانایی عالی ضد خوردگی این ماده را نشان می‌دهد. داده‌های بازرسی خواص مکانیکی، توانایی این ماده را در سازگاری با شرایط متغیر در اعماق دریا نشان می‌دهد. خاصیت ارتجاعی و دوام عالی سیم‌ها، پایداری مراحل نصب و بهره‌برداری را تضمین می‌کند. این اطلاعات، پشتوانه محکمی برای ساختار و انتخاب مواد سیم‌ها فراهم می‌کند و همچنین مبنای نظری برای توسعه و بهبود آینده مواد خط انتقال در اعماق دریا فراهم می‌کند.

طراحی سازه و ارزیابی قابلیت اطمینان کابل‌های زیردریایی

۱. اصول طراحی سازه کابل زیردریایی

مفهوم خطوط انتقال در اعماق اقیانوس بسیار حیاتی است. این امر عملکرد طولانی مدت و پایدار سیم‌ها را در شرایط اعماق دریا تضمین می‌کند. ساختار خط باید مجموعه‌ای از معیارها را شامل شود که شامل مقاومت مکانیکی، عایق الکتریکی، پایداری شیمیایی و مناسب بودن با محیط زیست می‌شود. در زمینه قابلیت اطمینان مکانیکی، سیم‌ها باید بتوانند در برابر کشش، فشردگی و بارها در طول آسفالت دریایی مقاومت کنند. هنگام طراحی عایق الکتریکی، لازم است اطمینان حاصل شود که کابل می‌تواند سیگنال را به طور قابل اعتمادی در شرایط ولتاژ بالا منتقل کند، مصرف برق را کاهش دهد و از خرابی تجهیزات الکتریکی جلوگیری کند. دوام شیمیایی مستلزم موادی است که در برابر عوامل فرسایش در اقیانوس مقاومت کنند تا از آسیب دیدن اثرات ماندگار آنها اطمینان حاصل شود.

۲. روش تحلیل قابلیت اطمینان سازه

ارزیابی پایداری سازه‌ای روشی کلیدی برای تعیین این است که آیا کابل‌های دریایی می‌توانند عملکرد عادی خود را در طول عمر مفید مورد انتظارشان حفظ کنند یا خیر. روش‌های تحلیل حالت و اثر شکست (FMEA) می‌توانند برای تشخیص انواع نقص‌های بالقوه در سازه‌های سیمی و اندازه‌گیری تأثیر بالقوه این نقص‌ها بر عملکرد کلی سیستم مورد استفاده قرار گیرند. از فناوری مدل‌سازی عددی (FEM) برای شبیه‌سازی ویژگی‌های ساختاری سیم‌ها در شرایط کف اقیانوس برای تخمین نقشه فشار و دوره دوام اجزا استفاده می‌شود. تحلیل احتمال و تکنیک‌های آماری نیز معمولاً در شناسایی پایداری سیم مورد استفاده قرار می‌گیرند. آن‌ها با ایجاد مدل‌های توزیع دوام برای تخمین احتمال خطا و عمر مورد انتظار سیم‌ها تخمین زده می‌شوند. کاربرد جامع این تکنیک‌های ارزیابی می‌تواند پایداری سازه سیمی را به طور کامل بررسی کرده و پشتیبانی نظری محکمی برای بهبود طراحی و کنترل خطر ارائه دهد.

۳. طرح بهسازی سازه‌ای

با توجه به نتایج ارزیابی پایداری تکتونیکی، می‌توان یک طرح بهینه‌سازی تکتونیکی هدفمند برنامه‌ریزی کرد. به عنوان مثال، برای انواع خرابی‌های پرخطر که در طول تجزیه و تحلیل حالت خرابی و ضربه (FMEA) شناسایی می‌شوند، می‌توان با ضخیم‌تر کردن لایه محافظ سیم یا تنظیم ترکیب مواد برای افزایش مقاومت آن در برابر خوردگی و چقرمگی فیزیکی، آن را بهبود بخشید. داده‌های به‌دست‌آمده از مطالعه FEA به بهبود جزئیات طراحی سیم، مانند تغییر اندازه لایه عایق و لایه محافظ، به منظور هماهنگی ویژگی‌های الکتریکی سیم با پتانسیل بار فیزیکی کمک می‌کند.

مطالعه جامع عملکرد مواد و سازه‌های کابل زیردریایی

۱. تحلیل ریزساختار مواد کابل زیردریایی

ویژگی‌های میکروسکوپی کابل‌های نوری دریایی نقش کلیدی در عملکرد کلی آنها ایفا می‌کنند. ریزساختار هسته رسانا، لایه عایق و پوسته محافظ سیم‌های دریایی HYJQF41-F با استفاده از روش‌های پیشرفته توصیف مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) عمیقاً بررسی شده است. مشاهده ساختارهای میکرومقیاس مواد رسانا نشان داد که مس به‌دست‌آمده از الکترولیز دارای اندازه ذرات کریستالی یکنواخت، خط مرزبندی مشخص و بدون نقص قابل توجه است [3]. این ویژگی برای بهبود راندمان انتقال جریان و کاهش مقدار مقاومت مفید است. نتایج بررسی ریزساختار نشان داد که پلی‌اتیلن با چگالی بالا، ماده‌ای برای لایه محافظ، آرایش زنجیره‌ای نسبتاً منظمی را در سطح مولکولی نشان می‌دهد و سطح تبلور قابل توجهی دارد. این ویژگی برای افزایش مقاومت لایه محافظ در برابر فرسایش شیمیایی و ترک‌خوردگی ناشی از تنش محیطی بسیار مفید است. ریزساختار مواد کابل زیردریایی، به شکل مراجعه کنید.

۲. تحقیق در مورد عملکرد دینامیکی سازه کابل زیردریایی

در عمل، خطوط انتقال در اعماق اقیانوس به ناچار توسط عناصر دینامیکی مانند جزر و مد و جریان‌های اقیانوسی مختل می‌شوند و ویژگی‌های دینامیکی ساختار آنها به ویژه حیاتی است. شرایط اعماق دریا در آزمایشگاه برای آزمایش خمش چرخه‌ای، کشش و ارتعاش سیم‌ها بازسازی شد. آزمایش‌های پیچشی دوره‌ای در محیطی که نوسانات زمین در کف اقیانوس را تقلید می‌کند، نشان داد که تحت عمل پیچشی مداوم، کابل همچنان یکپارچگی ساختاری خود را بدون آسیب حفظ می‌کند و حداقل شعاع مجاز پیچش آن شش برابر قطر کابل است. داده‌های حاصل از آزمایش کشش نشان داد که سیم‌ها ساختار را دست نخورده نگه داشته‌اند و مقاومت کششی عالی را تحت ۱۲۰٪ از حداکثر کشش طراحی نشان داده‌اند. در آزمایش ارتعاش، هیچ آسیبی به عایق یا لایه محافظ تحت بارهای نوسانی در محدوده فرکانس از ۱ هرتز تا ۱۰ هرتز مشاهده نشد که مقاومت عالی آن در برابر ارتعاش را تأیید کرد.

۳. ارزیابی قابلیت اطمینان بلندمدت کابل‌های زیردریایی

ارزیابی استحکام بادوام کابل‌های دریایی بسیار مهم است. با توجه به اینکه این موضوع به عملکرد پایدار آن در تمام طول عمر مورد انتظار مربوط می‌شود، طرحی برای گمانه‌زنی در مورد طول عمر سیم ایجاد و بر اساس داده‌های واقعی موقعیت دریایی تجزیه و تحلیل شد. داده‌های تجربی نشان می‌دهد که وقتی طول عمر از پیش تعیین‌شده روی بیست سال تنظیم می‌شود، مقدار مقاومت ایزولاسیون سیم در بیش از ۵۰۰ مگا اهم پایدار است که به طور قابل توجهی از سطح مشخص شده در مشخصات فراتر می‌رود. یکپارچگی سیم را می‌توان فوراً با ردیابی و جمع‌آوری مداوم داده‌های عملیاتی تعیین کرد. تجزیه و تحلیل پایداری بادوام نشان می‌دهد که پس از انتخاب دقیق ساختار و مواد، سیم دریایی نوع HYJQF41-F توانایی عملکرد مداوم در شرایط اعماق دریا را دارد تا حداقل ۳۰ سال عملکرد بدون وقفه را تضمین کند.

از طریق کاوش عمیق ساختار داخلی مواد، نظارت بر تغییرات عملکرد در زمان واقعی و شناسایی مداوم پایداری، سازگاری و استقامت سیم‌ها در مناطق دریایی خشن نشان داده می‌شود. با نگاهی به آینده، بهبود مستمر مواد و ساختار خطوط انتقال زیردریایی، ناگزیر پایه محکم‌تری را برای استخراج و کاربرد منابع دریایی ایجاد خواهد کرد.       شانگهای لنشنگ کابل می‌تواند نیازهای مختلف کابل شما را برآورده کند.