海缆敷设船舶退扭设施及平面布置

海缆敷设船舶退扭设施及平面布置李昊【摘要】针对现今因政府加大基础建设投资，加速沿海一代电网改造工程的进行，以及通讯产业的大力发展，使得海底电缆敷设这一市场得到急速的扩容，企业订单增多这一现状，如何在各种复杂施工条件、环境下，结合不同的船舶特性，合理有效地设置海缆储缆、退扭设施，并进行相应的船舶施工设备的布置。【关键字】海底光电缆敷设施工、储缆盘、退纽架、施工船平面布置1引言随着国家应对经济危机措施的深入，政府加大了对基础设施建设的投入。随着经济的复苏，各行各业对用电的需求与日俱增，人们对电力系统供电质量的要求日益严格，国内的能源供应正面临了新一轮的挑战。尤其在沿海地区，伴随着大量的海洋资源的开发和利用，特别是大港油田、春晓油气田等的建设，大量新兴的海上风力发电设施的落成，使得供用电系统对电缆的需求迅猛增长；同时，随着互联网技术的日新月异，中国沿海岛屿的军队和民间对高速网络传输的需求逐渐加大，3G等新兴通讯技术的实用化，使得市场对海底通讯光缆的需求也日益增大。由此可见，海底光电缆的制造及施工已成为一个巨大的市场，伴随着竞争加剧以及市场的规模化、标准化，这一行业的各方各面均面临着巨大的机遇和挑战。海底光电缆施工，尤其是超大截面海底电缆施工，对施工船舶的要求较高，对施工船舶的抗风能力，大流速下的船体稳性要求较高。而在当今中国，沿海地区已经开始大力发展110KV以上等级海缆，其重量更是达到了每千米35吨至70吨，允许最小弯曲半径也要达到3至4米，而部分超高压海底电缆，如220KV甚至500KV的海底电缆，其重量以及最小弯曲半径将会更大。虽然西方已经有万吨乃至数万吨的海缆敷设施工船存在，但由于其施工成本极高，同样敷设一根10公里的110KV海底电缆，其价格可能比国内的单位高出数倍，因此，大量运用国外的施工船舶和力量并不适合我国的国情。因此，在吸取国外优秀经验的同时，应结合自身的条件，摸索出一条适合当前国内发展的道路，利用现有的船舶资源，通过合理、科学的设计、管理，构建安全可靠的理论，与实践相结合，成为了现阶段海底光电缆敷设船设计的重中之重。2海底电缆的退扭目前的海底电缆主要分为浸渍纸包电缆、自容式充油电缆、挤压式绝缘（交联聚乙烯绝缘、乙丙橡胶绝缘）电缆、“油压”管电缆以及充气式（压力辅助）电缆等几大类型，其整个制造过程同一般电力电缆基本相同，但在电缆机械强度和防腐要求上有所特殊，并要求电缆长度尽量延长；同时海底电缆的包装不同于其它电缆，一般是将电缆盘绕于一个储缆盘或回转台上，以备装运到敷缆船，由敷缆船将电缆运到敷设地区。一般来说，电缆自身允许的最大扭转角度在每米11度至12度之间，虽然电缆在某道工序，会使导体或合股时的单体产生扭转（通常发生在成缆或分割导体的合并过程中），这样会使单体产生应力，这种现象对电缆或导体不利，但厂商通常会在电缆的成缆过程中消除这股应力，因此，运输和盘放过程中产生的扭力，尤其是由水平输送带输送至电缆盘这一过程，成为电缆内部扭力主要产生的途径，而为了克服这一扭力，需要海缆在过驳以及敷设施工时，依靠一定的高度进行退扭操作（高度视电缆外径确定），以消除电缆内部的应力，防止应力过大造成铠装膨胀甚至绝缘破损。3海底电缆退扭设施由于电缆过驳、敷设过程中需要释放其内部的扭力，各种退扭设施应运而生。常规的路上电缆由于总体截面较小，敷设条件较好，距离较短，一般采用直立滚筒式的缆盘进行储缆，且电缆本身在出厂时已经利用一定的退扭设备进行退扭以消除应力，所以在敷设作业时难度较小；而海缆由于需要克服水下恶劣的环境，且敷设难度较大，施工过程中的可控制范围较少，带有大量的不确定性，因此单就退扭这一层面来说，难度较大，一般需要特殊的设施来协助电缆进行退扭，使电缆在敷设过程中尽量将应力释放，防止电缆在敷设过程中打扭、绕小圈，甚至因应力过于集中，造成钢丝铠装膨胀，绝缘损坏。一般来说，国内外海底电缆敷设较为常用的退扭方式，均是在海底电缆敷设施工船上装设固定的退纽架来对海缆进行退扭操作。退纽架作为海底电缆敷设施工船的常规设施，已经得到了广泛的应用，随着近年来海缆市场的不断扩大和规模化，技术的不断积累和提升，退纽架本身也在经历着不断的进化与发展。当今世界的海缆工程船舶，无论自航或非自航，无论施工船采用哪种布局方式，电缆存放区一般都是一样的，无非是利用大小两个缆圈，将电缆约束在一个环状区域内，储缆区的布置一般要考虑到海缆自重，最大允许侧压力和海缆最小弯曲半径，因此储缆区的设计，必须在满足电缆容载要求的前提下，兼顾施工船甲板设备的布置，既要能盘放下所有的海缆，并使海缆所受侧压力在最大值以下，又要合理控制盘放海缆的最小弯曲半径，防止电缆内部铅包、绝缘层因过度挤压受损破裂，而且缆盘本身的尺寸要严格控制，确保施工船主甲板有足够空间承载。综上所述，电缆盘设计须要考虑的技术参数，主要有电缆总长度（L）、电缆盘绕最小允许弯曲半径（r）、电缆允许最大承载侧压力（F侧）、电缆单位重量（G1）、电缆外径（中）。电缆盘设计时，可由这些参数推算出电缆允许堆放的最大层数（n=F侧/G1），得出电缆盘放的最大允许高度（h=nX中），同时这个数值也是电缆盘外圈的最小高度，进而可以得出电缆盘内圈的最小高度（H=h+0.5m）。电缆允许盘放高度算出后，即可根据公式：R=【2中XL/（nXnXc）+r2】/2来计算电缆盘外径，其中C为电缆盘放系数，一般取C=0.91；当然，也可将电缆截面视作正方形看待，直接取电缆截面直径作为边长来计算。上述算法除了在针对电缆进行储缆区设计外，也可用于已有储缆盘的电缆承载容量验算，以确定能否容纳足够电缆。储缆盘定型后，将结合实际情况，确定以哪种布局设置退纽架。常见的海缆施工船，一般分为纵向布局和横向布局两种。3.1纵向布局退纽架纵向布局，即储缆区、退纽架、布缆机、埋设机在一条轴线上，沿施工船长轴方向进行布局。这种布局方式较为简单，空间利用率高，适应性强，在储缆区占用甲板面积较大的情况下，这种布局方式比较常用，但由于受到缆盘和甲板布置的限制，纵向布局均为单缆盘设计，即一艘施工船仅能布置一个电缆存盘区，因此当进行多根电缆施工时，应在电缆过驳装船前就计算好施工的先后顺序。同时，由于施工船采用纵向布局，侧面受力面积较大，在进行海缆施工时，船体受横浪影响较大，且敷设作业时采用拖轮等进行顶推纠偏时效率较低，施工船容易受风、流影响发生侧向偏移。尽管有上述缺点，但由于技术成熟，同吨位船舶中能比横向布局更节省甲板空间，装载更大重量的电缆，因此该种布局仍被广泛的应用，尤其是一些自航型海缆敷设船，因动力设置等的原因，也仅能使用该种布局。这种布局下，退纽架一般采用龙门架上设置退扭设施的形式进行架设，退扭高度视电缆允许最大纵向拉力和最小退扭高度进行设置，一般都在15米至20米左右；整个退扭系统一般都以花架或军用导梁加工制作，具有重量轻，强度高的特征，一般还在龙门架顶端加设钢丝网片等形成可供站立行走的工作面，以方便安装滚轮，连接钢丝绳或便于吊装整个设施时进行操作。接收、限制电缆的板烟斗状框架通过绗架连接悬垂于储缆盘中央，退纽架本体以“n型”跨过龙门架，一般以45度角引伸至布缆机入口，并在下部出口设置滚轮和限位装置限制电缆弯曲半径，防止电缆损坏。为限制电缆，退纽架上一般都设置大量的滚轮和限位装置，防止电缆在布缆机拖曳时滑出退纽架。图1常见的纵向布局海底光电缆敷设施工船3.2横向布局退纽架近年来，由于海缆制造工艺的成熟，设备的完善，海缆成缆率逐渐提高，各种大容量、高电压等级的海缆也在不断推陈出新，像110KV以上三相统包交联聚乙烯绝缘海缆、220KV单相充油海缆等均先后被运用到实际的施工建设当中，由于海缆重量的增加，使得对海底电缆敷设施工船载重能力的要求越来越高，不少企业也相继淘汰1000吨以下的作业船舶，逐渐投入3000吨以上，乃至5000吨以上级别的海底电缆敷设施工船。由于船舶吨位增大，相应的甲板可利用面积也大大增加，空间的富余，使得海缆敷设船能够进行更科学的改造与布置，而退扭一敷设系统横向布局，得到了发展的空间和舞台。早先，横向布局的海缆施工船多应用于海底光缆的敷设；由于海底光缆由于最小弯曲半径较小，且光缆直径、单位重量相对海缆来说非常小，一般5公里海底光缆盘放后的占地面积仅在20平方米左右或更小，弯曲半径的限制要求也只有1.5米左右，重量则为15至20吨，因此，考虑到横向布局的施工船舶在抗横向水流的情况下更为理想，利用拖轮进行顶推纠偏作业时效率更高，在条件允许的情况下，中、小型施工船舶更热衷于使用横向布局进行短距离海底光、电缆的敷设作业。在上述情况下，“T”字型退纽架应运而生。“T”字型退纽架实质上就是一个简化的龙门架型退纽架。由于对应的是小型的海缆或光缆，退纽架所受荷载较小，不必使用龙门架之类的大型结构来确保稳定，一般只要一个立柱型绗架配合缆线承载用的构架即可。“T”字型退纽架的设置位置需要考虑施工船上海缆入水槽的位置，同时由于退纽架本身有一个必须的退扭高度，且上部绗架向两端延伸出去，电缆进入退纽架后从另一侧下行，扭转90度之后进入布缆机，而缆盘因体积及考虑到施工船的重心问题一般布置在长轴中轴线上，因此退纽架一般是呈一定的角度斜向安置，并依靠导轨将缆线引向布缆机。图2“T”字型退纽架的实际布置由于船舶吨位加大，施工船的装载能力也显著上升，5000吨级海缆敷设船能轻易装载1500吨以上的海缆，折合长度可达30至50公里，且由于甲板面积较大，可以设置两个储缆区，这样在敷设多根海缆时，可以灵活调配施工顺序。在面对大截面、高电压等级的海缆时，由于海缆变粗，单位重量增加，造成内部应力变大，常规的退纽架难以达到规定的退扭高度，而螺旋型退纽架能够将退扭高度轻易提升到20米以上，正好能解决退扭高度这一难题。螺旋型退纽架，顾名思义，退纽架利用绗架搭建，形成一个螺旋型，从缆盘中心螺旋上升至最高点后，再逐渐降低高度，直至盘绕全甲板面，从原理上来讲，实际上螺旋型退纽架起了一个类似松开最上层电缆的作用，将电缆的内部应力消化在退扭这一环节上。螺旋型退纽架一般配合双储缆圈布置，由于考虑到施工船重量分配等问题，一般都是沿施工船短轴对称布置，退纽架板烟斗垂直悬挂在缆圈中心正上方，以电缆最小弯曲半径为基准螺旋上升至最低退扭高度，随后下降，直至退纽架出口，从俯视角度观察，其基本形态为一个小半圆，连接一个大的1/4圆弧，而垂直立面则是一个类似“仃，的形态，通过两个面的弧线，结合成一个螺旋型的结构，该结构的每一个面和弧线均需要满足电缆的最小弯曲半径。当然，螺旋型退纽架也有其缺点。由于结构复杂，其整体刚性较差，推纽高度和结构强度之间也存在矛盾，需要在设计时考虑到实际的使用情况选取平衡点，而且由于整个设施体积较大，也大大增加了迎风面积，使得施工船对风的抗性减弱，抗风等级降低，削弱施工船的气候适应性。同时由于螺旋型退纽架追求较高的退扭高度，使得施工船的桥梁通过性能大幅度降低，且对海缆过驳造成较大的影响，再加上施工船的大型化，船宽加大，船对船电缆过驳时，甚至需要过驳辅助船或浮吊船提升布缆机高度，方能完成过驳作业。图3常见的横向布局双缆盘螺旋退纽架海底光电缆敷设施工船3.3旋转式电缆盘退扭系统固定式电缆盘存在大量先天不足，而电缆之所以需要在敷设施工时进行退扭作业，有很大程度上是由固定的缆盘，以及电缆从电缆输送带水平传送全电缆盘造成的，同时，避免电缆输送时产生扭力也是一种手段，因此，退扭系统的一个大的发展方向就是制造可动的旋转式缆盘，以最自然的方式释放盘绕的电缆，而且，对退扭高度，允许扭转角度有严格限制的充油电缆更是需要旋转式电缆盘的配合，方能施工。缆盘的动力系统，不论是油压控制，还是电动马达，均需要能够做到无级变速，随时调整旋转速度，因为在角速度恒定的情况下，电缆盘内外圈的线速度是不同的，其速度变化呈波状起伏，因此，旋转式电缆盘首先要做到的就是能够以恒定线速度进行旋转，同时还要协调布缆机的布缆速度、施工船锚泊系统的牵引速度等，这在计算机大量普及的现代，还是相对容易做到的。

其次，海上施工不同于其他情况，由于普遍受到风、流的影响，施工船随时出于晃动状态，因此转盘的中心轴需采用特殊的活动结构设置（类似大型的万向轴），确保在一定的晃动下能保持平衡。由于缆盘承载重量极大，国外的有些施工船舶甚至能够承载7000吨以上的电缆，因此其动力设置非常重要，除了输出功率需要满足要求外，驱动马达一般图4主动旋转式电缆托盘简图平衡滚轮（48只均布）中心转轴图4主动旋转式电缆托盘简图平衡滚轮（48只均布）中心转轴承缆转盘