CN113437704B - 海缆水下修复方法和海缆 - Google Patents

Abstract

一种海缆水下修复方法，包括步骤：裁切海缆防护层中待修复的金属丝，预留出修复空间；将连接件与待修复的金属丝一一对应连接；所述连接件与所述金属丝部分重叠，所述连接件与所述金属丝之间通过螺栓连接的方式连接；或者，所述连接件的端部与所述金属丝的端部相对设置，所述连接件与所述金属丝之间通过冷压焊接的方式连接，压接方向为所述连接件的轴向方向。上述海缆水下修复方法通过冷压焊接的方式或螺栓连接方式使连接件与金属丝一一对应连接，修复过程可以直接在水下进行，既能保证修复后金属丝的原有机械性能，又能降低修复过程中的成本及维修周期。本申请还提供一种应用上述修复方法的海缆。

Description

海缆水下修复方法和海缆

技术领域

本申请涉及海底电缆技术领域，尤其涉及一种海缆水下修复方法和应用该方法修复的海缆。

背景技术

随着海上风力发电、海上油气等海上活动的大力发展，海底电缆的应用变得越来越广泛，但是随之而来也会出现比较多的问题，如发生故障和社会负面影响，便会影响海缆的使用甚至停止运行，这将造成非常大的经济损失。通过资料统计表明，95％的海缆损坏是由于人类进行渔业、航运等活动造成的，主要为捕捞渔具、船锚等造成的外力损坏。

在海底这种特殊环境下，海缆主要是受到机械方面的外力损坏，因此海缆防护层中的铠装金属丝首先受到损坏，从而降低海缆自身的保护性能及使用寿命。现有的海缆损坏修复方法主要是将受到破损的海缆打捞起来，然后放置于船舶上进行修复，无论是海底电缆的电气性能还是机械性能出现问题都需要动用船舶进行打捞维修；如果仅仅是铠装金属丝发生损坏而绝缘线芯未发生破损，动用大量的船舶会使得维修成本大大增加，同时将正常的绝缘线芯打捞切除，然后重新连接也增加了绝缘维修的风险。

发明内容

鉴于上述状况，本申请提供一种海缆水下修复方法和应用该方法修复的海缆，通过冷压焊接的方式或螺栓连接方式使连接件与金属丝一一对应连接，修复过程可以直接在水下进行，既能保证修复后金属丝的原有机械性能，又能降低修复过程中的成本及维修周期。

本申请的实施例提供一种海缆水下修复方法，包括步骤：裁切海缆防护层中待修复的金属丝，预留出修复空间；将连接件与待修复的金属丝一一对应连接；所述连接件与所述金属丝部分重叠，所述连接件与所述金属丝之间通过螺栓连接的方式连接；或者，所述连接件的端部与所述金属丝的端部相对设置，所述连接件与所述金属丝之间通过冷压焊接的方式连接，压接方向为所述连接件的轴向方向。

在一些实施例中，所述连接件与所述金属丝之间通过螺栓连接的方式连接的步骤包括：所述金属丝在断口处的两端开设第一孔，所述连接件的两端开设对应所述第一孔的第二孔，所述第一孔与所述第二孔同轴设置；螺栓组件贯穿所述第一孔和所述第二孔，并锁紧所述连接件与所述金属丝的重叠部分。

在一些实施例中，所述螺栓组件包括螺栓主体和紧固件，所述主体贯穿所述第一孔和所述第二孔，所述紧固件设于所述螺栓主体的端部并抵持所述连接件的表面，所述螺栓主体安装时受预紧力作用。

在一些实施例中，所述第一孔的直径为4-6mm，相邻两个所述第一孔之间的距离至少为8mm，所述第一孔与所述金属丝的端部边缘的距离至少为10mm。

在一些实施例中，沿所述金属丝的延伸方向，所述连接件40的一端与所述金属丝的重叠区域的长度大于或等28mm。

在一些实施例中，所述冷压焊接的压力范围是500-1000Mpa。

在一些实施例中，所述海缆水下修复方法进一步包括步骤：将多根绝缘绳缠绕至海缆表面，并包覆所述连接件和所述金属丝，形成外护层。

本申请的实施例还提供一种海缆，上述实施例所述的海缆水下修复方法应用在该海缆中，所述海缆包括芯部、绝缘护套、防护层和外护层，所述绝缘护套设于所述芯部的外表面，所述防护层包覆所述绝缘护套，所述防护层包括多根金属丝和连接件，所述连接件连接待修复的金属丝。

在一些实施例中，进一步包括螺栓组件，所述金属丝的截面形状为矩形，所述金属丝的截面宽度为6-8mm，截面厚度为2-3mm，所述连接件与所述金属丝部分重叠设置，所述螺栓组件贯穿并锁紧所述连接件与所述金属丝的重叠部分。

在一些实施例中，所述金属丝的截面形状为圆形，所述金属丝的直径为3-6mm，所述连接件的材料和截面形状与所述金属丝相同，所述金属丝与所述连接件通过冷压焊接的方式连接，所述冷压焊接的压力范围是500-1000Mpa。

本申请提供的海缆水下修复方法通过冷压焊接的方式或螺栓连接方式使连接件与金属丝一一对应连接，修复过程可以直接在水下进行，既能保证修复后金属丝的原有机械性能，又能降低修复过程中的成本及维修周期。

附图说明

图1为海缆在一实施例中的结构示意图。

图2为图1所示海缆的局部结构放大图。

图3为图2所示结构中连接件与金属丝连接后的截面结构示意图。

图4为海缆在一实施例中的结构示意图。

图5为图4所示海缆的局部结构放大图。

图6为图5所示结构中连接件与金属丝的连接结构示意图。

图7为海缆水下修复方法在一实施例中的流程图。

主要元件符号说明：

海缆	100
		芯部	10
绝缘护套	20
		防护层	30
金属丝	31
		第一孔	311
连接件	40
		第二孔	41
螺栓组件	42
		螺栓主体	421
紧固件	422
		垫片	423
外护层	50

具体实施方式：

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设置于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请提供一种海缆水下修复方法，包括步骤：裁切海缆防护层中待修复的金属丝，预留出修复空间；将连接件与待修复的金属丝一一对应连接；所述连接件与所述金属丝部分重叠，所述连接件与所述金属丝之间通过螺栓连接的方式连接；或者，所述连接件的端部与所述金属丝的端部相对设置，所述连接件与所述金属丝之间通过冷压焊接的方式连接，压接方向为所述连接件的轴向方向。

上述海缆修复方法通过冷压焊接的方式或螺栓连接方式使连接件与金属丝一一对应连接，修复过程可以直接在水下进行，既能保证修复后金属丝的原有机械性能，又能降低修复过程中的成本及维修周期。

本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

请参阅图1至图7，在一实施方式中，海缆100包括芯部10、绝缘护套20、防护层30和外护层50。绝缘护套20设于芯部10的外表面。防护层30包覆绝缘护套20，防护层30包括多根金属丝31，用以实现海缆100的铠装防护，提升海缆100的机械性能。外护层设于防护层30的外表面，为海缆100的最外层结构。本申请实施例中的海缆水下修复方法应用于上述海缆100中，以修复海缆100的防护层30和外护层50。所述海缆修复方法包括步骤：

S1：裁切海缆防护层中待修复的金属丝，预留出修复空间。

具体地，海缆100受到机械损伤时，防护层30和外护层50被破坏。直接在水下对外护层50和防护层30的破损处进行裁切，梳理防护层30中待修复的金属丝。

S2：将连接件与待修复的金属丝一一对应连接，修复海缆的防护层。

具体地，连接件40的材料与金属丝31的材料相同，每根待修复的金属丝31的断口处连接一连接件40。连接件40与金属丝31的连接过程直接在水下进行，无需将海缆100打捞出水面。在本申请的其中一实施例中，所述连接件40的端部与所述金属丝31的端部沿厚度方向部分重叠，并在重叠区域对连接件40和金属丝31钻孔，随后在孔内设置螺栓组件42，以使所述连接件40与所述金属丝31之间通过螺栓连接的方式连接，从而修复待修复的金属丝31。或者，在本申请的其中一个实施例中，所述连接件40的端部与所述金属丝31的端部相对设置，沿连接件40的轴向方向对连接件40与金属丝31的连接处施加压力，使连接件40与金属丝31的连接处产生径向塑性变形，形成紧密接触的金属焊缝，让所述连接件40与所述金属丝31之间通过冷压焊接的方式连接，达到修复断裂金属丝31的目的。

S3：修复外护层，覆盖连接件与金属丝。

具体地，外护层50包括多根绝缘绳，所述绝缘绳包括但不限于聚丙烯绳等材料。所述绝缘绳缠绕在防护层30的外表面，并完全包覆防护层30，以形成外护层50。连接件40与待修复的金属丝31连接完成后，将多根绝缘绳的一端伸入破损处的外护层50内部，接着将绝缘绳在海缆100表面均匀缠绕，直至外护层50的破损处被覆盖，使连接件40与金属丝31均被包覆在绝缘绳形成的外护层中，再利用防水胶带进行粘接固定绝缘绳，完成外护层50的修复过程。

下面将结合具体实施例对连接件40与金属丝31的连接方式进行具体说明。

请参阅图1、图2和图3，在一实施例中，防护层30中的金属丝31为截面形状大致为矩形的扁金属丝。金属丝31的宽度范围是6-8mm，厚度范围是2-3mm。扁金属丝抗拉强度及伸长率试验应符合GB/T 4909.3-2009的规定，扁金属丝原始标距为250mm，试样长度为300mm，拉伸速度为200mm/min。扁金属丝的技术要求如表1所示。

表1扁金属丝技术要求

在本申请的实施例中，金属丝31的材料为铜或铜合金，宽度尺寸优选为7.5mm，厚度尺寸优选为2.5mm。扁金属丝试验结果如下表2所示。在其他实施例中，金属丝31也可以选用其他机械性能和耐腐蚀性能好的材料，满足使用需求即可，本申请不对此进行限定。

表2扁金属丝试验结果

在本实施例中，连接件40的材料和截面结构与金属丝31相同，连接件40的长度大于待修复的金属丝31的断口长度。为了满足安装要求，连接件40的长度至少为100mm。在连接金属丝31与连接件40之前，金属丝31断口处的两端分别开设第一孔311。所述第一孔311的直径为4-6mm。在本实施例中，第一孔311的数量为四个，对称设于金属丝31断口处的两端，即金属丝31的每端设有两个第一孔311。相邻两个第一孔311之间的距离至少为8mm，以减少孔与孔之间由于距离过小而出现应力集中的问题。沿金属丝31的延伸方向，第一孔311与金属丝31端部边缘的距离至少为10mm，以减少孔与端部边界之间由于距离过小出现的应力集中问题。沿金属丝31的延伸方向，连接件40的一端与金属丝31的重叠区域长度为L，其中L≥28mm，从而使连接件40的一端与金属丝31的重叠区域面积至少为210mm²，以提升连接件40与金属丝31连接处的机械强度，减少连接处断裂的问题。在其他实施例中，第一孔311的数量还可以多于或少于四个，满足设计需求即可，本申请不限定于此。

将连接件40与金属丝31连接时，连接件40的相对两端设有对应所述第一孔311的第二孔41。所述第二孔41的数量与所述第一孔311的数量一一对应。第二孔41的直径与第一孔311的直径相同。沿金属丝31的厚度方向，将连接件40的端部与金属丝31的端部重叠设置时，第二孔41与第一孔311同轴设置。螺栓组件42包括螺栓主体421和紧固件422。螺栓主体421同时贯穿第一孔311和第二孔41，以连接金属丝31和连接件40。紧固件422连接于螺栓主体421的端部并抵压连接件40的表面，以使金属丝31和连接件40紧密贴合，锁紧金属丝31和连接件40的重叠部分。进一步地，所述螺栓组件42还可以包括垫片423，所述垫片423设于所述连接件40表面与所述紧固件422之间，用于防止所述紧固件422松脱。螺栓组件42安装至连接件40和金属丝31的连接处时，螺栓主体421受拉力，螺栓主体421与第一孔311和第二孔41之间的间隙在拉力作用下保持不变，以减少螺栓主体421的晃动，提高连接件40与金属丝31的连接处的稳定性，从而提升修复质量，延长海缆100的使用寿命。

安装螺栓组件42时，螺栓主体421受预紧力F^/作用，以避免螺栓主体421在受拉力的同时受剪切力的作用。在本申请的实施例中，螺栓主体421为铜制螺栓，型号为M5，屈服极限为375MPa，横截面积为14.2mm²。在其他实施例中，螺栓主体421还可以选用其他材料和尺寸，屈服极限可以大于375MPa，满足设计需求即可，本申请不限定于此。预紧力F^/的计算方法如下式：

F^/＝(0.6～0.7)σ·S

式中：σ——铜制螺栓屈服极限，单位为兆帕(MPa)；

S——为铜制螺栓截面积，单位为平方毫米(mm²)。

预紧力F^/的最大值为0.8σ·S。

通过上式可以计算出螺栓主体421受的预紧力F^/为3195-3727N，最大值为4260N。

在海缆工作过程中，螺栓主体421受外载荷F_R。由于螺栓主体421在安装时受预紧力作用，连接件40与金属丝31之间的接合面在螺栓组件42的夹紧力作用下产生摩擦力，夹紧力产生的摩擦力与外载荷F_R平衡，螺栓主体在预紧力作用下不受外力时，预紧力F^/与外载荷F_R之间的关系式如下式：

式中：F^/——预紧力，单位为牛(N)；

K_f——可靠系数，一般为1.1～1.4；

F_R——外载荷，单位为牛(N)；

z——螺栓个数；

μ_s——接合面摩擦系数，0.2；

m——接合面数。

结合预紧力的计算结果，通过上式可以计算出螺栓主体421不受外力时外载荷F_R的最大值为1549N。

螺栓主体421在实际运用过程中既受预紧力又有工作拉力的作用，所以当螺栓主体421受工作载荷F时，螺栓的应力幅如下式：

式中：F——外力，单位为牛顿(N)；

——系数，0.2～0.3；

d——螺栓直径，单位为毫米(mm)；

σ_a——应力幅，单位为兆帕(MPa)。

[σ_a]——许用应力幅，单位为兆帕(MPa)。

许用应力幅[σ_a]计算公式如下式：

式中：σ——铜制螺栓屈服极限。

经过上述公式可也计算得出螺栓主体421的许用应力幅为107.14MPa～125MPa，并可以进一步计算出螺栓主体421可以承受的外载荷F≤(14017N～24531N)，根据扁金属丝的技术要求及试验情况显然可知螺栓主体421的机械强度大于扁金属丝的机械强度。

本实施例中，待修复的金属丝31与连接件40连接修复后，修复试验结果如下表3所示。进行测试的修复组合件整体长度为300mm，试验拉伸速度为200mm/min。

表3扁铜丝修复试验结果

试验完成后可以发现修复组合件的拉断力大小基本稳定在5800N左右，为要求值的85％左右，能基本满足修复后金属丝的技术要求及海缆正常运行条件。

请参阅图4、图5和图6，在一实施例中，防护层30中的金属丝31为截面形状大致为圆形的圆金属丝。圆金属丝的直径为3-6mm。连接件40的截面形状和材料与圆金属丝相同。待修复的金属丝31与连接件40直接在水下进行冷压焊接连接时，连接件40的两端分别与待修复圆金属丝的断口的两端相对设置，接着将待修复的圆金属丝一端与连接件40的一端分别加紧于冷焊设备的夹持组件中，并伸出适当长度。所述金属丝31伸出夹持组件的长度至少为15mm。调整连接件40或金属丝31的位置，使连接件40与金属丝31的端部对齐后，冷焊设备沿连接件40的轴向施加压力，使连接件40和金属丝31的连接处产生径向塑性变形，形成紧密接触的金属焊缝，实现连接件40与金属丝31之间的冷压连接。连接件40的两端可以使用一台冷焊设备依次与待修复的金属丝31连接，也可以使用两台冷焊设备同时压接连接件40的两端。在本实施例中，冷压焊接的压力范围是500-1000Mpa。冷焊设备包括但不限于手持式冷焊机。冷压焊接完成后，还可以对连接件40和金属丝31之间的焊缝进行打磨，以提高修复后金属丝31的表面质量。

本申请的实施例通过压接的方式对圆金属丝进行修复，可以保证连接件与金属丝的连接处具有原有圆金属丝的抗冲击强度、抗腐蚀性能等，操作过程简单方便。压接完成后对连接处的金属丝进行打磨，基本保证原有圆金属丝的表面状态，使海缆修复部分更圆整、美观。针对扁金属丝，本申请的实施例是通过螺栓连接的方式进行修复，该连接方式的连接强度稳定可靠，此外螺栓连接结构简单，装拆方便，使用时不受被连接件的材料限制，可多次装拆。

本申请的海缆水下修复方式针对不同金属丝制定不同对策进行修复，通过机械方式的压接及螺栓连接既能保证修复后金属丝的原有机械性能，又能降低修复过程中的成本及维修周期。

以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种海缆水下修复方法，其特征在于，包括步骤：

裁切海缆防护层中待修复的金属丝，预留出修复空间；

将连接件与待修复的金属丝一一对应连接；

所述连接件与所述金属丝部分重叠，所述金属丝的截面形状为矩形，所述金属丝的截面宽度为6-8mm，截面厚度为2-3mm，沿所述金属丝的延伸方向，所述连接件的一端与所述金属丝的重叠区域的长度大于或等于28mm，所述连接件与所述金属丝之间通过螺栓连接的方式连接，包括：

所述金属丝在断口处的两端开设第一孔，所述连接件的两端开设对应所述第一孔的第二孔，所述第一孔与所述第二孔同轴设置；多个所述第一孔对称设于所述金属丝断口处的两端，所述第二孔与所述第一孔一一对应设置；相邻两个所述第一孔之间的距离至少为8mm，所述第一孔与所述金属丝的端部边缘的距离至少为10mm；

螺栓组件贯穿所述第一孔和所述第二孔，并锁紧所述连接件与所述金属丝的重叠部分；

所述螺栓组件包括螺栓主体和紧固件，所述主体贯穿所述第一孔和所述第二孔，所述紧固件设于所述螺栓主体的端部并抵持所述连接件的表面，所述螺栓主体安装时受预紧力

作用；

所述预紧力

的计算方法如下式：

其中：

为所述螺栓主体的屈服极限；S为所述螺栓主体的截面积。

2.如权利要求1所述的海缆水下修复方法，其特征在于，所述第一孔的直径为4-6mm。

3.如权利要求1所述的海缆水下修复方法，其特征在于，所述海缆水下修复方法进一步包括步骤：

将多根绝缘绳缠绕至海缆表面，并包覆所述连接件和所述金属丝，形成外护层。

4.一种海缆，其特征在于，权利要求1-3任一项所述的海缆水下修复方法应用在该海缆中，所述海缆包括芯部、绝缘护套、防护层和外护层，所述绝缘护套设于所述芯部的外表面，所述防护层包覆所述绝缘护套，所述防护层包括多根金属丝和连接件，所述连接件连接待修复的金属丝。

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