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【技术交流】海底电缆捆绑式施工关键装备介绍

风电技术2019-10-15 08:47:24


摘   要:本文对海底电缆捆绑敷设施工船舶、海缆存储设备进行了介绍,为海缆捆绑敷设施工提供技术储备。


关键词:海底电缆  捆绑式施工  敷缆船  转盘



1 简介


  海底电缆工程建设施工难度大,需要投入大量资金,而同步敷设两条海底电缆能够减少工作量,降低施工成本,缩短施工工期,但需要在海缆入水前进行捆绑,施工工艺和施工装备比敷设单条海底电缆复杂。该施工方式在部分国外高压直流海底电缆项目中已有应用,积累了一定的施工经验,但在国内尚无应用,目前也无相关施工装备,因此需要开展相关研究,为海缆捆绑式施工提供技术储备。


2 典型海缆捆绑敷设工程


  目前国内还没有海缆捆绑施工经验,国外相关施工技术已应用多年,经验丰富。表 1为相关国外海缆捆绑施工工程,最大水深2600m,最大长度580km,最大输送容量1400MW,最高电压等级±600kV。图 1为Basslink工程海缆捆绑敷设施工[1]。


图 1 Basslink工程海缆捆绑敷设施工



3 海缆参数


  本文以±500kV直流海底电缆为例对海缆捆绑施工装备进行研究,海缆如图 1所示,海缆外径15cm,重量为70kg/m。


图 2 海底电缆结构


4 海缆捆绑敷设施工船舶


  海缆敷设船是海缆敷设施工作业过程中最重要的装备,是本世纪前后发展起来的一种新船型,国内尚无此类船只,国外也为数不多。


  由于海底电力电缆捆绑敷设难度大,如果海缆敷设船选择不合适,船上设备不能满足敷设要求,将会导致海缆敷设失败,因此需要在施工前做好详细的计划,充分考虑海缆参数、海缆路由特征以及敷缆船的施工能力,合理选择敷缆船以及其他辅助设备,以成功地完成海底电缆捆绑敷设。


  选择海缆敷设船时一般需要考虑如下几点[2]:

  1) 装载能力(转盘、电缆仓、卷筒);

  2) 精确定位能力(如DGPS);

  3) 保持准确位置的能力,例如,锚泊系统或动态定位系统(DPS);

  4) 接头房;

  5) 控制室;

  6) 电缆张紧设备;

  7) 紧急切断设备;

  8) 水下机器人(ROV)和遥控设备;

  9) 其他设备;

  10) 直升机停机坪。


  对于长距离、高电压等级海底电缆捆绑敷设,主要需要考虑敷缆船的装载能力,即敷缆船所能装载海底电缆重量的最大限额,包括船舶载重能力、容积能力。装载能力大的敷缆船单次可装载更长的海缆,从而减少海缆接头数量。


  目前世界上有装备各种设备的敷缆船,它们的装载能力各不相同[3]。表 3列出了装载能力超过3000t的海缆敷设船。可以看出,其中装载能力超过5000t的敷缆船数量有限。



  表 4是不同装载能力转盘容积和装载海缆体积对比,可见转盘容积均能满足要求。


5 海缆敷设退扭技术


  通常小截面、长度短的海底电缆能用标准电缆盘或特制电缆盘来装载和运输,而大截面、长度长的海缆则需要储存在有动力的转盘或者盘在电缆仓中。目前,我国大多数海缆敷设船均采用被动收放线储缆装置,海底电缆在船舶内储缆盘中每盘一圈海缆自身也会扭转360度,应力会分布在海缆本体和外铠装上,且部分应力会慢慢传输,随着应力累积到某一点时,海缆的外铠装会出现灯笼状现像,尤其是对于大截面高电压等级海底电缆引出问题相对突出。这就要求在海缆过驳和敷设时采取某种方式将盘放的环形应力逐一解开,防止应力释放不均或累积,造成海缆损伤。


  目前有两种方式能够实现海缆敷设前的退扭,一种是抽高式海缆退扭,另一种是旋转式海缆退扭[4]。


  5.1. 海缆敷设退扭方式


  5.1.1. 抽高式海缆退扭


  现在国内使用最多的海缆退扭方式是抽高式退扭,技术比较成熟。抽高式海缆退扭方式的电缆盘是一个托盘的形式。电缆盘绕逐层进行,盘放方向一般为俯视顺时针方向。盘放顺序遵循先内后外、先下后上的总体原则。大直径电缆一般先由里圈开始,逐圈盘放至外圈;第二层再由外圈盘放至里圈,如此逐层反复进行。


图 3 抽高式海缆退扭(纵向布局方式)


图 4 抽高式海缆退扭(横向布局方式)


  抽高式海缆退扭方式的主要特点是电缆盘不转动,而是固定在敷缆船的甲板上,把海缆抽高到一定的高度,使海缆释放掉盘绕时产生的旋转应力,然后通过布缆机的牵引,将海缆敷设到海底。其优点是适用于各种型号的海缆敷设,缺点是海缆在退扭架上过渡可能会有所损伤,由于退扭架庞大而笨重,安装和拆卸都很困难,费用也很高,最关键的问题是用此种方法退扭,海缆上必然会有残余的旋转应力,不能实现完全退扭。


  5.1.2. 旋转式海缆退扭


  旋转式海缆退扭方式的海缆盘是缆轴的形式。旋转式海缆退扭方式的过缆方式主要是工厂码头直接装运。海缆从工厂车间中出来通过码头的传送带直接将海缆输送到电缆施工船上的海缆盘上,海缆盘绕逐层进行,盘放顺序遵循蛇形盘放、从里到外的总体原则。大直径电缆一般先由下开始,逐步向上盘绕,至缆轴顶部,第二层再由上向下盘绕,直至缆轴底部,如此逐层反复进行。


图 5 旋转式海缆退扭


  旋转式海缆退扭方式和抽高式海缆退扭方式相比,省去了庞大而笨重的退扭架,节省了动复员费用。其最大特点是海缆盘的下面装有回转机构,自身带有驱动装置,能够配合布缆机敷设海缆的速度,调节自身旋转速度,将海缆释放,并且能够实现完全退扭。此种退扭方式虽能完全退扭,但由于电缆盘直径较大,重量较重,所以稳定性不好控制。


  5.2. 海缆敷设退扭方式选择


  通过前面对海底电缆退扭方式的介绍,可知两种海缆退扭方式各有优缺点,工程适用性各不相同。两种退扭方式对比详见下表。



  通过对比可以看出,抽高式海缆退扭方式需要使用庞大笨重的退扭架,且不能实现海缆完全退扭,仅适用于截面积1000mm2以下的海缆退扭;而旋转式海缆退扭方式采用速度可调的转动电缆盘,能够配合布缆机的敷设速度调节自身旋转速度,能够实现海缆完全退扭,不需要庞大笨重的退扭架,节省大量空间和费用,适用于各种截面的海缆退扭,特别是在大截面海缆退扭方面具有独特优势。因此大截面海底电缆只能采用旋转式退扭方式。


6 海缆捆绑敷设存储形式


  由于大截面海底电缆只能采用旋转式退扭方式,因此只能采用垂直轴卷筒或者转盘。对于海缆捆绑式施工,海缆存储形式主要有四种[3]:垂直轴卷筒、单转盘、双转盘、同轴双转盘。


  6.1. 垂直轴卷筒


  采用单垂直轴卷筒在装载海缆时需要成对进行装载,且需要吊机配合,但不需要装备专业的电缆操作臂,如图 6所示。进行海缆捆绑式敷设施工时,海缆可以从垂直轴卷筒上同步输出、同步捆绑、同步敷设。


图 6 垂直轴卷筒


  6.2. 单转盘


  采用单转盘进行海缆捆绑式施工时,转盘分成内圈和外圈两部分,如图 7所示。两条海缆分别放置于内圈和外圈中。此方法需要电缆铠装绞向相同。在从工厂向海缆敷设船装载海缆时可先装载一条,然后再装载另一条,或同时装载两条海缆,但两条海缆的送缆速度不同。较好的方法是先将一条海缆盘绕在外圈部分,然后将另一条海缆通过悬挂绕圈装置盘绕在内圈部分内。因为转盘旋转盘绕第一条海缆时,第二条海缆以每转一圈扭转小于一次地半盘绕状态放置电缆。在电缆敷设时,此过程相反,两根电缆能以相同的速度敷设在海底,而无残余扭转。这样,两条电缆就能敷设和捆扎在一起,然后能一次埋地。


图 7 分为内外两部分的单转盘


  采用单转盘进行海缆同步捆绑敷设时,必须采用不同的放缆设备。一般外圈电缆在电缆厂内无扭转盘绕在转盘上,因此在敷设时可以用可固定的取缆摇臂放缆。内层电缆必须与外层电缆以相同速度达到敷设滑轮,其取缆速度与转盘速度无关,而是由鹅颈状的取缆摇臂将电缆导出,并由海缆敷设船装备的张紧器以对应于外圈电缆的出缆速度牵拉电缆,以便两条海缆能够同步敷设。然而由于外层电缆实际上由转盘旋转放缆,内层电缆每圈从转盘中退绕时只释放部分扭转,因此该方法成为“半圈绕”方法[5]。


  6.3. 双转盘


  如果海缆敷设船甲板空间足够,可以装备两个独立的转盘,如图 8所示。双转盘可以更好地控制两条海缆以相同的速度进行敷设,但是占甲板空间较大。


图 8 甲板装备两个转盘


  为了减小转盘对敷设船甲板空间的占用,还可采用在甲板和船舱分别装备一个转盘的方式,如图 9所示。


图 9 甲板和船舱各装备一个转盘


  6.4. 同轴双转盘


  目前最先进的海缆捆绑敷设转盘是同轴双转盘,如图 10所示。同轴双转盘和分成内外两部分的单转盘外形相似,转盘分成内圈和外圈两部分,但内圈和外圈两部分由两个独立同轴转盘组成,在敷设海缆时两个转盘可以以不同速度旋转,保证两条海缆以相同速度敷设,且两条海缆均能完全退扭。


图 10 同轴双转盘


7 总结


  海缆捆绑式施工技术难度大,对敷设船和海缆存储设备的要求高,目前国内尚无应用,也无相关施工装备,本文对海底电缆捆绑敷设施工船舶、海缆存储设备进行了介绍,为海缆捆绑敷设施工提供技术储备。


参考文献:

[1] Irish-Scottish Links on Energy Study (ISLES) Construction and Deployment Report[R]. 2012

[2] ABB. NORDLINK Pioneering VSC-HVDC interconnector between Norway and Germany[R]. 2015

[3] NP Ventikos. Submarine power cables: laying procedure, the fleet and reliability analysis[J]. 2013

[4] Irish-Scottish Links on Energy Study (ISLES) Technology Roadmap Report[R]. 2012

[5] 王运安. 滩海铺管敷缆船总体设计[J]. 海岸工程杂志.2003,22(3):38-45

[6] Tomas Worzyk. Submarine Power Cables Design, Installation, Repair, Environmental Aspects[M]. 2009


作者简介:

李士喜,男,国家二级安全评价师、国家注册安全工程师、ISO55001资产完整性管理主任审核员。参与起草国家标准《高压海底电缆风险评估导则》。主要专业领域为:海上风电资产完整性管理、海上施工风险分析、海洋结构物安全评估、海底电缆风险咨询等。


陶海成(1986-),男,天津大学工学硕士,中级工程师。主要专业领域为:海底电缆风险辨识与风险控制、海底电缆安装和修复。


万科,男,清华大学工学硕士,法国工程师学院MBA。现任英国London Offshore Consultant大中华区总经理,全国特种作业机器人标准工作组(SAC/SWG13)委员。主要专业领域为:海洋工程风险辨识与风险控制、海事保险技术顾问、能源生产设施可靠性工程、电磁与超声先进无损评估技术。


来源:《风电技术》2018年第二期



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