高壓海底電纜長距離穿越航道的可行性研究

李誠

摘 要 通過實驗測定并選取高壓海底電纜內穿鋼制護管的摩擦阻力系數。基于模型實驗結果估算海纜拖拉狀態下的摩擦阻力，評估分析海纜長距離穿越渤海海域某現有航道方案的可行性，并在此基礎上，通過實驗結果推算出不同型號海纜可實施拖拉穿越的長度，為海纜穿越相關工程項目提供理論基礎與實驗依據。

關鍵詞 海底電纜 長距離穿越 摩擦阻力系數

中圖分類號：TM247.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）07-0007-03

隨著我國海洋經濟的發展興起，海底電纜因承擔岸電供電、海上風力發電、海島與大陸聯網等功能[1]，具有極高的建設研究價值、經濟活動價值和社會利用價值。

海底電纜工程作為世界公認最為復雜的大型工程[2]，是通信、電力等領域不可或缺的推動者，它具有影響廣泛、工程造價貴等特點，其施工方案的科學性、可行性至關重要。根據渤海油田首個岸電應用示范項目的前期研究方案，敷設兩條電壓等級為110kV和35kV的海纜需穿越現有港口航道。在項目初期了解到，該航道已制定擴建方案待實施，計劃將航道加大挖深并對一條穿越航道的現有原油海管在交越區域實施局部下沉改線，對主航道區內海管施加3m以上厚度的人工拋石回填。海纜下沉改線和回填的施工日期遠早于岸電應用項目可實施海纜全線敷設的計劃日期。

對于海底電纜的安裝條件分析，目前國內已有多位學者進行過相關研究。閆宏生等采用簡化模型，提出了合規的海底電纜安裝環境條件，進而分析影響因素，總結出相關參數對海底電纜正常鋪設的影響規律;汪雅薇等分析了海底電纜的安裝條件，總結出相關參數影響海纜張力及彎曲半徑的規律。為避免航道二次開挖的工程成本以及二次禁航帶來的社會經濟成本等影響，實現按期通航，工程上海纜在穿越航道區域應與改線原油海管同期施工。由此形成的鋪纜方案為借海管下沉改線工程施工契機在海管管溝內預埋鋼制護管，后期在岸電項目施工階段通過預埋護管內部拖拉海纜實現穿越航道。[3]

為論證該鋪纜方案的可行性，需要計算海纜穿護管時牽引力大小是否超出海纜最大允許拉力，以避免施工過程中由于載荷過大造成海纜永久性損傷。但由于開展該方案可行性研究所需的基礎數據在以往類似工程實踐中缺少相關記錄，無法選取較為真實的摩擦系數并估算出海纜拖拉牽引過程中施加的摩擦力，因此設計本文實驗進行摩擦阻力系數測定。

1 拖纜方案與計算理論

1.1 海纜長距離穿越航道方案介紹

方案計劃在海管下沉改造工程實施期間隨改線后原油管道同管溝鋪設兩條空心鋼制護管并在兩端加以密封防淤，再與改線后管道一并進行拋石回填保護，使航道先按期恢復通航。后期在保持主航道通航的狀態下在主航道兩側實施海纜牽拉內穿鋼管施工：開啟航道下方預埋的空心鋼管兩端的密封蓋板，借助管內預留的牽引鋼纜，在護管的一側由施工船舶施加牽引力，另一側敷纜船送纜，通過將海纜在護管內拖拉的方式實現穿越航道。

1.2 摩擦力計算

為進行海纜在鋼制護管內的牽引力計算，首先需要針對方案中鋼制護管路由長度和摩擦力實驗用管進行初步規劃。在此基礎上，對鋼制護管內拖拉海纜過程中海纜與護管內壁間摩擦系數進行實驗測量，得到海纜外層材質與鋼制護管的摩擦力系數。最后依據標準要求及相關實驗數據，對110kV和35kV海纜在鋼制護管的牽引力進行分別計算，評估海纜拖拉的可行性，并計算推算出不同型號海纜可實施拖拉穿越長度。

依據《GB 50217-2018 電力工程電纜設計標準》與《DL/T 5221-2016 城市電力電纜設計規定》計算中采用的計算公式如下：

式中，T為水平牽引時的牽引力，T1為向下傾斜牽引時的牽引力，T2為向上傾斜牽引時的牽引力，W為拖帶物的線密度，L為拖帶物的長度，μ為摩擦力系數，θ為傾斜角。

2 計算參數

2.1 海纜參數

海纜參數如表1所示。

2.2 鋼制護管內穿纜長度計算

根據海管下沉改造工程的設計圖，作業海域主航道區長度573m，東西兩側過渡段的投影長度為1259m和1242m，造坡斜度為1：120。

根據施工方案，計劃在護管鋪設后進行碎石人工回填，拋石回填的標高為距溝底3m（其中0.5m碎石，2.5m毛石）?？紤]回填層上方將產生大量回淤，預計在第二階段開啟空心護管兩端封板時，淤泥層標高至少為距溝底4.55m。在此基礎上，為確保預埋鋼制護管兩端封板開啟的作業面位于淤泥層上方，并且穿纜過程中在封板敞開狀態下為控制泥砂的涌入量，確定110kV海纜及35kV海纜護管端部處管體中軸線均與溝底標高保持至少4.8m，即淤泥層標高與護管半徑之和。

按照下式對海纜長度進行計算：

3 摩擦系數實驗測試

3.1 實驗用海纜及護管適用性分析

實驗用海纜規格為220kV 3C*500mm2，外徑250mm，長度4.39m，最外層材質為聚丙烯和瀝青混合材質，減摩護套材質為聚氨酯。實驗海纜在基礎規格、成纜工藝、外表面材質方面均屬主流型號規格，可認為在岸電項目潛在的國內供應商產品范圍內具有充分的代表性。實驗用鋼制護管為24寸，內徑56.5cm，長度8.1m，橫向寬度及長度均可支持實驗用海纜在管內進行完整的牽拉移動實驗過程。

基于此套海纜及護管進行摩擦力系數測定實驗所得的結果具有采納價值，可作為計算牽引力的數據基礎。

3.2 實驗準備

為考慮實際工程中海水產生的浮力和粘滯阻力影響，分別測試線纜及護套在干拖和濕拖情況下的摩擦阻力。濕拖實驗需將電纜浸沒于水中，因此在鋼制護管兩端焊接封板，形成封閉區域。同時在封板上焊接定滑輪，實現在不拉力測量值大小產生影響的條件下，將水平方向拖拉力轉為豎直向上的由起重吊機施加的起吊拉力。

在實驗開始前，首先對S型拉力傳感器進行了標定。可以看出傳感器線性化程度高，滿足測試精度要求。

分別對電纜、護套稱取干重與濕重。實驗中，在護套內添加42kg壓載保證拖拉時速度均勻。模型重量測量結果如表2所示。

3.3 實驗結果

采用實驗布置中的模型，將吊機采用慢速啟動，依次測量對應模型的拉力，作為測試件與管道之間的摩擦力，其中啟動階段的最大載荷即為最大靜摩擦力，運動穩定段拉力的平均值作為動摩擦力。測得摩擦力除以對應的測試件重量，即可換算得出摩擦力系數。海纜與護管內壁間摩擦系數測定結果如表3所示。

實驗發現，電纜在濕拖情況下，摩擦系數小于干拖情況。而護套在濕拖的情況下，摩擦系數有所增大。分析其原因可能在于：對于電纜，由于纏繞尼龍繩，其表面更為粗糙，而在水環境下，水填充如尼龍繩的縫隙間，可以在一定程度上減小摩擦系數。而護套與之相比，其表面本身相對光滑，在水中拖帶時，水存在粘性阻力，因此造成了運動時所需的拉力增大。此外，由于滑輪與護套吊耳存在輕微高度差，且管內不同位置處的銹蝕程度并不完全相同，因此當護套拖帶超過一定距離后，拉力存在一定的下降趨勢。

測試結果表明，拖拉過程中的最大靜摩擦力系數顯著大于動摩擦力系數。換言之，當海纜被拖動后，海纜所受的摩擦力會呈現出減小趨勢，因此拖纜需施加的最大牽引力按最大靜摩擦力考慮，在選用牽引設備時需要按照最大靜摩擦力進行設計選型。[4]

3.4 項目施工1725m海纜所需牽引力計算

基于實驗測試得到的摩擦系數測定結果，對1725m海纜長距離拖拉所需的牽引力進行計算。結果為：110kV海纜未加裝減摩護套工況下需842kN，加裝減摩護套工況下需448kN，均超過表1中最大允許拉力320kN;35kV海纜未加裝減摩護套工況下需505kN，加裝減摩護套工況下需268kN，均超過表1中最大允許拉力190kN。

3.5 安全拖纜長度的推算

為保障海纜安全，選取表1中最大允許拉力作為基準，乘以安全因子作為可實施拖纜的最大牽引力，對海纜可拖拉長度進行理論計算。結果為：在無減摩護套的工況下，35kV海纜和110kV海纜理論可拖拉長度均為600m，在加裝減摩護套的工況下，兩種規格的海纜理論可拖拉長度均為1200m，可見項目施工所需拖拉的1725m海纜長度已超出理論可拖拉長度。

4 結論

本文通過實驗，測定鎧裝電纜穿過海底管道的摩擦阻力系數。在此基礎上，結合相關標準推薦的經驗公式，估算了不同工況下實施1725m海纜拖拉穿越所需的牽引力。計算結果表明，無論是否使用海纜護套，直接拖纜將導致牽引力大于電纜允許承受的最大拖力，將導致電纜永久性損壞。依據最大牽引力法，計算岸電工程所用規格海纜的理論可拖拉長度，為后續工程提供了計算依據。

本文計算結果證明該項目長距離直接拖拉海纜的方案損傷海纜的風險高，評估認為不可行，同時為海底電纜相關工程研究提供了理論基礎與實驗依據，充分節省了實際試錯所需的時間成本及人力成本，避免了施工造成海纜的不可修復損傷帶來的工期損失和經濟損失。此外，也為后續長距離牽引海纜的同類項目指明了研究方向，即需要研究通過應用輔助裝置以大幅降低電纜拖拉穿越過程中的摩擦力，保證穿纜施工的安全順利開展。

參考文獻：

[1] 趙健康，陳錚錚.國內外海底電纜工程研究綜述[J].華東電力，2011，39（09）：1477-1481.

[2] 郭學勇.淺談海底電纜的實際應用[J].企業技術開發，2011，30（01）：36-37，65.

[3] 同[1].

[4] 同[2].