Cáp điện ngầm dưới biển phải được gia cố để có các đặc tính cơ học phù hợp với các yêu cầu vận hành dưới biển. Nghiên cứu này khảo sát một cách số học về các đặc tính cơ học của cáp điện ngầm dưới tác dụng của độ bền kéo, độ xoắn và lực nén xuyên tâm. Cáp mấy lõi là phù hợp nhất cũng phải được xác định theo sự thay đổi của độ cứng kéo (khả năng chịu lực kéo), độ cứng xoắn (khả năng chịu lực xoắn) và áp suất nén xuyên tâm (khả năng chịu lực nén của nước).
1. Cáp ngầm 1 lớp giáp hay 2 lớp giáp?
Phần này mô tả hai loại cáp ngầm: cáp ngầm bọc thép một lớp và hai lớp. Các đặc tính cơ học, bao gồm độ cứng kéo, độ cứng xoắn và hành vi bảo vệ ruột dẫn, của các loại cáp này đã được nghiên cứu. Ngoài ra, mối quan hệ khớp nối giữa lực xoắn và lực căng đã được kiểm tra đối với các loại cáp này.
Kết quả thử nghiệm về độ bền kéo và lực xoắn của 2 mẫu cáp trên như sau:
- Lực kéo căng (N/m): Đối với cáp ngầm 1 lớp giáp là 2.70 × 108 và cáp ngầm 2 lớp là 2.72 × 108. Sai số lần lượt là 4.6% và 5%;
- Lực xoắn (Nm): Đối với cáp ngầm 1 lớp giáp là 2.35 × 108 và cáp ngầm 2 lớp là 2.37 × 108. Sai số lần lượt là 15.7% và 17.3%, momen xoắn (do tải trọng kéo) của mẫu 2 lớp cao hơn mẫu 1 lớp tới 25.6%.
Kết luận mẫu cáp ngầm 2 lớp giáp mang lại ưu điểm cao hơn mẫu cáp ngầm 1 lớp giáp.
2. Cáp ngầm 2, 3, 4 hay 5 lõi?
| Kết cấu | 2 Core | 3 Core | 4 Core | 5 Core |
|---|---|---|---|---|
| Đường kính ruột dẫn (mm) | 32.6 | 26.6 | 23.0 | 20.6 |
| Chiều dày cách điện (mm) | 9.7 | 8.0 | 6.9 | 6.2 |
| Chiều dày lớp bọc chì (mm) | 1.9 | 1.5 | 1.3 | 1.15 |
| Tổng đường kính lõi (mm) | 117.8 | 104 | 100.8 | 101.8 |
| Số sợi | 77 | 68 | 66 | 67 |
| Đường kính tổng của cáp (mm) | 135.8 | 122 | 118.8 | 119.8 |
a. So sánh lực kéo căng và độ xoắn
Độ bền cơ học của cáp ngầm chủ yếu liên quan đến lớp giáp bên trong của nó. Do đó, độ bền cơ học, độ bền kéo và độ cứng xoắn của cáp tăng lên khi số lượng sợi trong lớp giáp của cáp tăng lên.
Kết quả như sau: Độ bền kéo và độ cứng xoắn của mẫu cáp hai lõi cao hơn đáng kể so với ba mẫu còn lại, cụ thể:
- Độ cứng kéo và độ cứng xoắn của mẫu hai lõi cao hơn mẫu ba lõi lần lượt là 8,15% và 29,18%;
- Sự khác biệt giữa độ cứng kéo và độ cứng xoắn của các mẫu ba, bốn và năm lõi lần lượt là trong khoảng 4% và 7%;
- Do sự sắp xếp của các dây dẫn, các giá trị đường kính ngoài và độ cứng của mẫu năm lõi cao hơn một chút so với giá trị của mẫu bốn lõi.
b. So sánh độ biến dạng xuyên tâm
Cáp ngầm dưới biển phải chịu tải trọng nén cao, có thể tạo ra các biến dạng xuyên tâm vào lõi. Phần này mô tả tầm quan trọng của việc cáp ngầm có thể chịu được biến dạng xuyên tâm khi chịu áp lực nước biển hay không. Nếu một lõi trong cáp bị biến dạng xuyên tâm quá mức, nó có thể không còn khả năng truyền tải điện một cách hiệu quả và tăng chi phí bảo trì cho cáp.
Kết quả cho thấy cáp ngầm có ít lõi hơn thì thể tích chất độn nhiều hơn, khả năng chịu áp lực xuyên tâm thấp hơn và kết quả sẽ có giá trị biến dạng do lực nén xuyên tâm cao hơn.
Cụ thể: Độ biến dạng của cáp 2, 3, 4, 5 lõi lần lượt là 2.36 × 10 −6 mm, 1.65 × 10 −6 mm, 1.39 × 10 −6 mm, 1.22 × 10 −6 mm.
- So với mẫu 3 lõi, mức độ biến dạng xuyên tâm của mẫu 2, 4 và 5 lõi cao hơn lần lượt là cao hơn 43,03%, thấp hơn 15,7% và thấp hơn 26,06%.
- Mức độ biến dạng xuyên tâm của mẫu 2 lõi gần gấp đôi so với mẫu 5 lõi.
Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng dưới cùng một áp suất nén hướng tâm, số lượng lõi cao hơn tương ứng với độ biến dạng do lực nén hướng tâm thấp hơn.
c. So sánh ứng suất tiếp xúc
Ứng suất tiếp xúc của lõi cáp có thể được sử dụng để xác định phần nào ứng suất hướng tâm cao nhất mà cáp phải chịu. Hình dưới đây minh họa sự phân bố ứng suất tiếp xúc cho các mẫu 2, 3, 4 và 5 lõi. Ứng suất tiếp xúc lớn nhất đã được ghi nhận tại điểm nối của ruột dẫn và lớp cách điện.
- Các mức ứng suất tiếp xúc tối đa thu được đối với cáp 2, 3, 4 và 5 lõi lần lượt là 1265,9, 1046,2, 960,78 và 924,69 Pa.
- Ứng suất tiếp xúc của mẫu cáp 2 lõi cao hơn 20,99% so với mẫu 3 lõi.
- Ứng suất tiếp xúc của mẫu 4 và 5 lõi lần lượt thấp hơn 8,16% và 11,6% so với mẫu 3 lõi.
d. Ảnh hưởng kết hợp của lực kéo, xoắn và lực nén
Cáp 2 lõi có độ bền kéo và độ cứng xoắn cao nhất nhờ có số lượng sợi trong lớp giáp bảo vệ nhiều nhất, đi cùng với đó là khả năng chịu áp suất nén hướng tâm tương đối thấp so với các mẫu còn lại, do đó cần kết hợp các tác động đồng thời của những chỉ số này để đánh giá ảnh hưởng 1 cách đồng bộ lên cáp.
Kết quả như sau: Khi áp suất nén xuyên tâm cao hơn 100 MPa, độ bền kéo của cáp 2 lõi tương tự như 3 mẫu còn lại, cáp 5 lõi ít bị giảm độ bền kéo nhất dù tăng áp suất nén lên.
Tóm lại áp suất nén hướng tâm (của nước) sẽ làm giảm độ bền kéo và tăng nguy cơ nứt cáp, tương tự áp suất nén tăng cũng làm giảm độ cứng xoắn của cáp.
Nghiên cứu tương tự bên dưới cũng cho kết quả tương tự.
- Ảnh hưởng của độ xoắn và lực nén lên độ bền kéo của cáp: Tỷ lệ nghịch;
- Ảnh hưởng của độ bền kéo và lực nén lên độ xoắn của cáp: Tỷ lệ nghịch.
Kết hợp đo lường và đánh giá ảnh hưởng lẫn nhau của các chỉ số trên, các nhà nghiên cứu tổng hợp lại thành thang đo đánh giá sau (thấp nhất tương ứng kém nhất, cao nhất tương ứng tốt nhất):
| Đặc tính | 2 lõi | 3 lõi | 4 lõi | 5 lõi |
|---|---|---|---|---|
| Độ cứng kéo | 4 | 3 | 1 | 2 |
| Độ cứng xoắn | 4 | 3 | 1 | 2 |
| Biến dạng xuyên tâm | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Ứng suất tiếp xúc | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Tác động kết hợp | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Chi phí | 1 | 2 | 4 | 3 |
Tham khảo: International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
