水下电缆张力计算方法详解

水底电缆不论用盘装或散装成圈状，均潜存有铠装退扭力。水底电缆敷设和陆地电缆敷设的主要区别是前者由其自重在一定高度自由沉降于水底，当积累在自由沉降段中的退扭力大于它的自重，电缆在水中自行退扭，形成电缆打结，因此敷设水底电缆需保持一定张力。此外为了保证水底部分电缆的自由沉降弯曲不小于允许弯曲半径，也需计算敷设水底电缆时的张力。

1.退扭力和张力

水底电缆因结构和钢丝铠装不同，形成它的刚度各异。为了将水底电缆自制造厂运送至施工地点，电缆经常盘装或堆成圈状或筒装。当电缆自直线状态盘绕成圈形，电缆自身逐渐旋转，在每一个圈绕周长一周电缆要旋转360°，也即是将钢丝铠装旋紧或旋松（通常用旋紧方向，防止旋松后胀破钢丝的外护层），这些因电缆旋转的铠装捻紧力，也即是电缆的潜在退扭力，当电缆自圈状再转变成直线状态时（如自电缆敷设船施放电缆时），潜在的退扭力有促使电缆旋转恢复其原状的趋势。因为退扭力是由不同钢丝结构和不同盘绕方式形成，较难用计算方式表达，因此计算张力是至少保持不小于电缆在水中自由悬挂部分的重量。保持张力和入水角的关系可按下式计算：

式中 T——电缆的张力（N）；

W——电缆在水中单位重量（kg/m）；

d——水深（m）；

α——入水角（°）（见图14-4-2）。

图14-4-2 电缆的入水角

敷设电缆时的入水角可按下式计算：

式中 H——沉降常数，；

g——自由落体加速度（9.8m/s²）；

C——电缆表面毛糙系数，麻护层为1.5；

ρ——水的密度（kg/m³）；

D——电缆外径（m）；

V——电缆船的速度（m/s）。

2.弯曲半径和张力

水底电缆自敷设船自由沉入水底处在悬垂轨迹线上，出现有上下两个弯曲，保持张力也是为了保证弯曲半径是否在允许范围内，上弯曲是电缆入水的自由弯曲，一般用放线弧形滑滚槽，容易控制，下弯曲是电缆沉入水底自由接触水底时的弯曲，如图14-4-3所示。弯曲半径和退扭力的关系，可按式（14-4-3）和式（14-4-4）计算。

图14-4-3 弯曲半径和退扭力(www.xing528.com)

图中 T为保持允许弯曲半径的张力（N），

d为水深（m）；

L为悬垂轨迹电缆长度（m），

θ为保持允许弯曲半径的入水余角（°）；

R为上弯曲半径（m）；

R₀为下弯曲半径（m）。

其中

式中 T₀——退扭力（N）；

W——电缆在水中单位重量（kg/m）。

如上节所述，由于退扭力无法计算，需先设定各种退扭力T₀，然后验算相应的弯曲半径和张力。但也应注意T₀不应设定得过大，一般小于10kN，否则得出过大的张力，使电缆悬挂在海底凹凸不平的峰顶上，日久受到潮流的冲击，峰顶部分的电缆因疲劳而损坏。

3.弯曲半径和张力计算例子

[例题] 设水底电缆在水中单位重量为29.7kg/m，允许弯曲半径不小于3m，试求在不同水深时必须保持的电缆张力。

解：按式（14-4-4），有

T₀=9.8WR₀=9.8×29.7×3N=873N

当T₀=873N时，不同水深时需保持电缆的张力见表14-4-10。

表14-4-10 不同水深需保持电缆的张力