海洋生产及探测装备在海洋资源开发、科学研究、环境保护监测和深海探索等领域发挥着重要作用，主要包括水下生产系统装备、深海机器人和水下拖曳系统。

　　水下生产系统是开发海洋油气资源的关键装备，涵盖了所有水下油气生产、集输、外输、分配、分离、增压、海管连接（管道组件）、水下设备间跨接、水下注入（如水、气、化学药剂）等设备，以及相应的控制系统、保护系统和支撑结构。深海机器人，主要包括载人潜水器（HOV）、有缆遥控潜水器（ROV）和无缆自治潜水器（AUV），能够在水下移动，并使用各种工具完成水下作业，是深海探测装备体系的重要组成部分；水下拖曳系统包括水下声纳、水下传感器、分析仪器和采样器等设备，主要用于数据或样品的采集，在水下环境监测、水工结构检查、海洋资源调查等方面具有特殊用途。

　　通常情况下，海洋生产及探测装备需要通过脐带缆与水面、陆地建立连接。本文对海洋开发中深海探测装备、水下生产系统和ROV等设备用脐带缆技术进行了详细梳理，包括结构功能设计、静态和动态机械性能设计，以及附件和终端设计。

　　水下脐带缆集光纤通信、遥控指令传递、视频影像传输、电力远供、输送工作液体和气体等多种功能，用于水下设备之间的光电传输纽带。不仅能够向水下设备传递载荷、能量、信息和物质，还能够承受深海环境下的高压、高盐度和低温等极端条件，具备耐海水腐蚀和耐磨损的能力。

　　单根脐带缆的使用长度通常在几百米到几千米之间，并且不同型号和不同作业水深的水下设备对脐带缆有不同的技术要求。因此，脐带缆技术复杂且生产制造难度较高。

　　水下生产系统用脐带缆的主要作用包括：①为水下阀门执行器提供液压动力通道；②为控制盒和电动泵等提供电能；③为水下设施和油井提供遥控及监测数据传输通道；④为油井提供所需流体（如甲醇和缓蚀剂等化学药剂）；⑤将井下原油和天然气向平台或陆上输送。

　　根据使用要求，水下生产系统用脐带缆通常分为动态缆和静态缆。在同一工程中，动态缆和静态缆的缆芯结构相同。动态缆需要承受更大、更复杂的机械力，其铠装设计要求高于静态缆。静态缆的敷设长度可达数十千米，因此必须减小其质量和体积，以满足生产、运输、施工和成本需求。动态缆在安装和运行过程中易受到风、浪、流和浮体运动的影响，需要进行局部和整体力学分析，以保证寿命周期内的安全运行。相比之下，静态缆通常只需要考虑海底稳定性等问题。

　　根据结构，水下生产系统用脐带缆可以分为钢管脐带缆、热塑软管脐带缆、电力脐带缆和综合功能脐带缆。钢管脐带缆在抗压溃性、强度和耐化学性能方面表现优异，且液体无渗漏，但是存在弯曲半径大、易受疲劳破坏、成本高、操作困难和交货时间长等限制。相比之下，热塑软管脐带缆具有成本低廉、易操作和弯曲半径小等优势，然而其抗压溃性较低、耐化学性能较差，容易发生液体渗漏和在内压下膨胀等现象。

　　其中，超级双相不锈钢管具有响应低延迟性和输送介质无渗透性的特点，是大长度脐带缆设计的首选；在浅水域动态使用环境或需要反复收卷释放设备中，热塑性软管具备较好的柔韧性和较小的弯曲半径，是最佳选择。两者各具优势，在实际应用中常常混合使用。

　　ROV用脐带缆具备多种综合功能，包括动力传输、光纤通信、铜缆通信、遥控指令传递、视频影像传输，以及ROV拖体收放等，此外还具有较高的强度与质量比、灵活的弯曲特性、优良的耐腐蚀和耐磨损性能、优异的反复收放能力，能够满足深海机器人和深海探测装备的工作需求。

　　应用场景不同，ROV用脐带缆的产品结构也会有所不同。在深海钻探中，需要采用高强度、高耐腐蚀性的脐带缆，来承载钻井平台的负载和能源供应；而在深海生物探测中，则需要使用柔软、轻便的脐带缆，以避免对海洋生态造成损害。

　　根据铠装结构，ROV用脐带缆可以分为金属铠装脐带缆和非金属铠装脐带缆。金属铠装脐带缆常用于连接工作母船和放置深海机器人的中继器，而非金属铠装脐带缆则常用于连接中继器和深海机器人。

　　根据使用环境，脐带缆主要有浅海观察型水下机器人用脐带缆、作业型水下机器人用脐带缆和全海深机器人用脐带缆。不同类型的脐带缆具有不同的特点和应用场景，选择合适的脐带缆能够提高深海机器人的性能和可靠性。

　　其中，一般的水下观测型水下机器人脐带缆和水下测试传感器用脐带缆结构较为简单，满足数据传输和较低功率的电能供给即可；水下作业型机器人脐带缆则结构比较复杂，工作的水深范围由浅海至深海，最深处可达6000m。

　　水下作业型机器人用脐带缆应用最为广泛，但其对设计和制造能力要求较高，尤其是大长度生产，国际上生产厂家较少。为了满足强度和重力要求，全海深机器人用脐带缆的铠装通常采用非金属铠装。

　　随着国外ROV等潜水器技术的日益成熟，ROV用脐带缆技术不断发展。国外生产厂家有挪威Nexans、美国Rochester、英国JDR Cable Systems、美国Storm Products Company、英国INTERKAB和BPP-Cables等公司。国内用户主要包括国家海洋局下属研究所、中科院声系统研究所、国土资源调查系统、中船重工系统、中船工业系统和中海油系统等单位。

　　脐带缆广泛应用于不同的领域，包括水下生产、检查、监视、搜索与识别、安装与回收、清理、海洋科学考察、全球定位、搜索、救援遇难舰船、解救受困潜水艇，以及中继通信等。在不同的使用环境下，需要考虑弯曲、张力卷绕、磨损和腐蚀等影响因素。

　　2）张力卷绕。在脐带缆放缆过程中，内部张力不断变化，各部件之间的几何关系随放缆幅度的变化而改变，产生卷绕运动，引起内部摩擦。

　　3）磨损。脐带缆的卷绕运动会造成两种形式的磨损，一是脐带缆内部部件之间的磨损，二是脐带缆与收放装置之间的磨损。磨损会导致脐带缆某一点持续恶化，直至故障。磨损率受多种操作因素影响，如放缆速率、张力、滑轮布置形式，以及脐带缆的弯曲半径等。收放设备的不当选择或安装，会加速脐带缆外表面的磨损。

　　4）腐蚀。海水腐蚀主要对金属产生影响，尤其是钢丝。如常见的双层铠装脐带缆在海水中会慢慢地被电解溶解，导致内层钢丝受到海水侵蚀。

　　5）打圈或扭结。当脐带缆受到拉力，形成圆圈后，随着半径不断缩小，易发生缠结现象，进而导致永久变形。

　　6）压扁。脐带缆在受到风浪影响时，如果受力的缆圈压在另一缆圈上，或下层脐带缆受到过度卷绕张力的压迫，可能会在绞车滚筒上发生挤压的情况。高度集中的压力可能会导致金属承力单元和其他部件的永久变形。

　　脐带缆通常由多个功能单元依据尺寸组合，形成多层同心结构，以维持良好的对称度、圆整度和同心度。相邻层之间通常采用包带缠绕紧固，以保持缆芯的紧凑度和圆整度，增强抗侧压能力，减少受压状态下的径向收缩，并提高耐疲劳性能。

　　铠装不仅为水下设备回收和吊放提供载荷支撑，且保护内部结构单元免受外部机械和环境的损伤。在收放过程中，为防止因受力而打扭，铠装结构通常设计成扭矩平衡结构。此外，铠装外面通常覆有保护层，以防海水腐蚀影响性能。针对含有软管的水下生产系统用脐带缆，软管外护套通常钻有小孔，可将渗入的液体或气体排出，避免海水压爆脐带缆。

　　水下生产系统用脐带缆的设计、制造和质量规范须符合GB/T 21412.5—2017《石油天然气工业水下生产系统的设计和操作第5部分：水下脐带缆》（同1SO 13628-5）标准。目前，ROV 用脐带缆没有相应的国际和国内设计标准，主要基于理论计算和长期经验积累的产品设计参数，用以进行动态运行和结构应力分析。为保证ROV用脐带缆的纵向密封性，需要在缆芯中填充适当的纵向水密材料，填补各结构单元间的间隙，以实现空间占位和良好的阻水、阻油效果。

　　水下脐带缆性能要求取决于其工作条件。整体分析环境荷载作用下，脐带缆的极值荷载、疲劳荷载，并验证其稳定性等。水下脐带缆的整体分析内容和分析软件见表1。

　　ROV用脐带缆整体分析的难点在于环境载荷有不确定性、脐带缆有几何变形，以及浮体和环境载荷间高度非线性耦合。目前，国外少数厂家已经建立了完整的技术体系，涵盖了ROV用脐带缆的设计、使用和安装，而国内仍存在差距。

　　局部分析是脐带缆设计的关键。脐带缆的传统设计通常依赖于原型试验给出电缆结构的响应和性能，存在成本高昂和耗时较长的缺点。随着计算机的快速发展，结合部分试验结果，进行数值模拟，已成为脐带缆结构分析设计的主流手段。

　　脐带缆由多个功能单元、填充和护套等组成。其中，各单元的设计需要考虑其在海洋环境中的工作条件，如海水温度、压力、腐蚀性等因素，同时也需要考虑其与设备之间的接口设计，以实现有效的数据传输和控制。因此，在设计水下脐带缆时，需要综合考虑各单元的功能和特点，以确保设备能够稳定可靠地运行。

　　脐带缆的功能单元一般包括动力单元、光纤单元和通信电缆单元，此外，大多数水下生产系统用脐带缆还包含管单元。

　　①动力单元。根据水下装备的供电需求，如单相工作电压、三相工作电压、供电功率等参数计算额定电流，通过额定电流计算导体的直流电阻，从而计算和选择适当的截面积。

　　②光纤单元。根据传输容量、带宽和波长等需求，选择合适的光纤类别、光纤芯数等。设计不锈钢管光单元时，需要考虑光纤的保护材料和光单元数量等因素。为提高不锈钢管光纤单元的防护能力，通常在外挤制一层塑料护套。

　　③通信电缆单元。根据不同频率下的工作电容、衰减和特性阻抗等要求，进一步考虑通信单元的类型、导体芯数或对数、导体标称截面积和屏蔽形式等。

　　④管单元。根据水深、功能、质量、强度和柔软度等要求，确定管单元的材料、壁厚、外径，以及保护层的材料和结构，以提高脐带缆的防腐、强度、耐磨等性能。

　　缆芯由多个组成单元绞合而成，各个组成单元间须填充聚合物、硅橡胶和固化聚氨酯等材料，以保证缆芯的紧密度。对于有水密要求的脐带缆，需要填充水密材料。在缆芯制作过程中，通常会使用金属或非金属带将其绕包扎紧。缆芯分为渗漏型和护套型两种类型，其中渗漏型线芯适用于油井钻探等特殊环境，而护套型线芯则具有更好的防水性能和支撑作用。

　　为满足水下装备对脐带缆机械性能的要求，需要设计铠装结构以承担机械荷载。铠装结构一般采用具有较高的强度和耐腐蚀性的金属/非金属材料。非金属纤维材料作为承力元件时，需要考虑其力学性能和化学稳定性等因素。金属承力元件一般选择高强度镀锌钢丝，而其他元件承担的拉伸强度很小，可以忽略。因此，只需要计算主要承力元件的拉伸强度。

　　钢丝铠装一般为两层螺旋绞合，有时也采用3层、4层和5层的铠装，设计时应注意绞合方向、绞合角度、绞合节距和铠装单线根数等。

　　①绞合方向（通常表示为左向和右向）。内铠装层为右向、外铠装层为左向的布置形式，最早用于石油行业的承荷探测电缆。外层右向、内层左向的铠装，也可以提供相同的使用特。