基于DP系統和固定式纜筐的電纜鋪設技術

郭 飛 楊 轉

（1.貝克休斯石油天然氣設備（北京）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；2.深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著全球石化能源的枯竭和人類對電力需求的不斷增加，全球掀起發展新能源熱潮，而海洋領域的能源開發更是備受關注，如海上風機發電、海洋潮汐能以及天然氣發電等[1]。我國擁有豐富的海上風能資源，研究表明，世界上80%的海上風資源位于水深超過60m 的海域，因此深遠海發展潛力巨大[2]。為了充分開發、利用海上風資源，漂浮式海上風電將成為未來重點開發方向，這也意味著我國對海上風電施工船舶的需求持續走強，海上風電向深遠海、大兆瓦風機發展，國內大型施工裝備也在提早布局。

海上風電場發電之后向陸地輸送電力并升壓并網，海底電纜可以有效傳輸海上風電機組發出的電能，海底電纜鋪設是海上風電項目的重要組成部分，涉及的主要施工裝備為電纜鋪設船及與鋪設方法相對應的電纜鋪設裝備。根據施工船舶定位方式的不同，電纜鋪設船分為拋錨船和動力定位系統的DP 船。拋錨船受拋錨作業限制，只適用于水深較淺的區域進行作業，不適用于深水作業。DP 船的適用范圍較廣，但是大部分具有DP 系統的船舶不具有承纜的專用設備。電纜鋪設作業通常涉及幾百噸乃至幾千噸，為節約船天，提高施工效率，通常會考慮一次性帶走所有電纜，這就要求船舶甲板具有足夠的空間，還要有足夠短的動復員時間。因此，為解決以上問題，該文在某海上風電電纜鋪設項目中，針對不含電纜鋪設裝備的某DP 系統工程船設計了一套簡易的適用于DP 系統船的電纜鋪設設備，以滿足項目海上風電電纜施工的需求。

1 基于DP系統和固定式纜筐的大型施工船優越性

1.1 精準定位、高效施工

DP 系統工程船具有自動定位和航向自動保持的動力定位系統，能在最大環境條件下，使船舶的位置和航向保持在限定范圍內。在施工過程中，具有很強的機動性，可以快速的移動；天氣突變時可以快速響應，能夠很好的保障船舶穩定性和施工安全性。與拋錨施工船相比，具有較高的施工精度，同時避免走錨刮蹭海纜等現象。

1.2 實用性強、靈活性高

鋪設系統采用固定式纜筐和退扭塔退扭系統進行退扭，各設備整體預制，整體吊裝，能夠顯著減少常規分塊預制需要在甲板上組裝焊接的時間，節約動復員時間。該套系統可以快速安裝、重復利用，還可以針對不同項目需求和船舶類型重新設計，具有較強的實用性。

1.3 成本低、經濟效益好

固定式纜筐不存在任何驅動裝置和傳動元件，不會出現機械故障，便于維保，并且纜筐整體質量較輕，甚至是同直徑旋轉式卷盤質量的十分之一，船舶自身吊機即可完成整體吊裝作業，成本較低。

2 DP 系統工程船

在海上風電場中，布置風電機組時一般遵循最大限度利用風能資源的原則，同時還應盡量降低風力機之間的尾流影響，因此布置海纜路由時應特別注意，施工要嚴格按照規劃的路由施工。目前海上風電電纜鋪設施工船多為駁船改造，無動力定位系統，無法實現鋪設路由的精準定位。風電行業進軍深遠海開發漂浮式風電資源，更迫切地需要基于DP 系統的大型作業船。

DP 系統即動態位置保持系統，根據定位需求與效果不同，可分為DP1、DP2、DP3 共3 個級別。DP3 是國際海事組織的最高動力定位級別，是走向深海不可或缺的核心關鍵裝備，其精度最準，抗風險能力最強，效果最好。該文涉及的某工程船具有DP3 動力定位系統，同時搭載2 臺ROV，能夠實現高精度、高可靠定位、路由預調查、施工監測及作業、路由后調查等多種功能，能夠保障海上施工的準確性及安全性。

3 系統化海纜鋪設設備

某工程船船側入水甲板布置圖如圖1所示，具有海纜鋪設、挖溝保護海纜等多種功能。該系統化鋪設設備主要由固定式纜筐、退扭塔、垂直導向、下懸導向、輪胎式張緊器以及回轉式裝載臂等組成，如圖2所示。各個設備均可整體吊裝，快速完成裝船固定，適用于各種海纜鋪設項目。

圖1 某DP 船電纜鋪設甲板布置圖

圖2 系統化高效倒纜設備

3.1 大型海纜裝載裝備

3.1.1 裝備選型

裝載海底電纜的大型裝備常用的有2 種形式，即旋轉式卷盤和固定式纜筐[3]。采用旋轉式卷盤以實現退扭的方式存在以下不足：1）設備采辦周期較長，不適合作為項目設備采購，通常作為公司資產采購，采辦周期難以匹配項目需求。2）需要驅動裝置及配套的液壓動力站、控制間等，占用甲板空間。3）自身重量較大，目前常見的旋轉式卷盤一般約500t 左右，整體吊裝風險較大，而且裝卸船需要外租浮吊船吊裝。4）動復員時間長，底座及驅動裝置需要在碼頭組裝后整體吊裝上船，每次裝卸后需要重新調試。5）總成本高，旋轉式卷盤的設備成本和較長的施工周期都增加了項目總成本。與之相比，固定式纜筐通常結構簡易，能夠快速安裝，目前通常采用分塊預制的設計理念，將其分別吊裝至目標船舶后在甲板上進行組裝焊接，但該方式動復員時間長，而且現場焊接工作量較大。

3.1.2 裝備設計

該文項目選擇成本較低的固定式纜框為電纜裝載設備，并采用整體吊裝設計。纜筐外徑16m，內徑6m，高4.4m，自重75t，最大裝載量1690t，如圖3所示。風電電纜一般有多種規格，并有明確的安裝順序，因此纜筐設計為2 個隔艙，以裝載不同規格的電纜。

圖3 纜筐結構形式

根據《API RP 2A-WSD》、《DNVGL-ST-N001》規范[4-5]對纜筐結構強度及整體吊裝進行計算，由SACS 有限元模擬結果（如圖4所示）可知，纜筐運輸工況下最大UC為0.94，吊裝工況下最大UC為0.65，均滿足規范要求。

圖4 纜筐結構強度校核

3.1.3 設計要點

固定式纜框的設計應根據各個項目的電纜設備參數進行選擇和設計，裝備設計過程中需要考慮如下要點：1）纜框內徑。為保證海纜的性能，纜框內徑的選擇應滿足海纜最小彎曲半徑的要求。2）纜框外徑及高度。纜框外徑和高度的選擇應根據海纜鋪設的總長度和船舶甲板面積的大小進行合理分配，考慮整體穩定性和電纜退扭的需求，應在甲板空間允許的情況下選擇外徑盡量大，高度盡量小，以達到降低退扭高度和承纜后的整體重心高度的目的。3）隔艙直徑及數量。風電電纜規格種類多，對鋪設順序有嚴格的要求，應設計合理的隔艙以滿足項目需求。

3.2 回轉式裝載臂

3.2.1 裝備選型

固定式纜筐通常采用人工的方式進行盤纜，這種方法耗費人力，并且盤纜速度較慢，尤其是大截面電纜具有尺寸大、自重大的特點，人工盤纜較困難。

針對這一缺點，可采用回轉式裝載臂，以適應不同船舶倒纜需求，如圖5所示。該裝載臂為360 度回轉，采用電機驅動，在控制室進行集中控制，同時也可使用手操器進行操控。裝載臂獨立使用時需要配置相應的電氣系統和控制系統。與人工盤纜相比，該裝載臂能夠大幅提高盤纜/放纜速度，提高施工效率。

3.2.2 選型要點

海纜在經過裝載臂時會產生90 度的方向轉變，為保證海纜性能，應根據不同海纜的最小彎曲半徑選擇裝備臂。

3.3 退扭系統

3.3.1 裝備選型

在倒纜過程中，通常需要一些輔助設備進行退扭，針對固定式纜筐，常用的方法有2 種：1）吊機退扭法，即利用船舶吊機將半圓塔輪吊起一定高度，從而實現退扭。2）退扭塔退扭法，即利用退扭塔實現退扭。吊機退扭法存在施工船需要具備足夠的吊高、需要長時間占用吊機以及受天氣影響較大等缺點，而退扭塔退扭法雖存在高空作業，但其能夠很好地彌補吊機退扭法的不足[6]。

3.3.2 裝備設計

一般情況下，電纜廠家對退扭高度會有一定要求，即盤纜最上層距塔架上電纜出纜點的最小高度為0.8OD，其中OD為纜筐外徑，或者3.14ID×60%，其中ID為纜筐內徑。

對退扭塔進行設計和計算，退扭塔結構強度如圖6所示。由圖6 可知，在運輸和吊裝工況下，最大UC分別為0.95 和0.34，結構強度均滿足規范要求。

3.3.3 設計要點

退扭塔的設計要點如下：1）設計高度。在滿足海纜退扭性能的要求下，應選擇盡可能低的高度以滿足施工安全性。2）吊裝可行性。為減少甲板施工不走，應結合退扭塔的高度設置合理的吊點以滿足整體的可行性。

4 結語

DP 系統工程船能夠有效地規避拋錨船走錨刮蹭海纜的風險，保障船舶穩定性和施工安全性。同時，系統化電纜鋪設設備采用固定式纜筐、退扭塔退扭系統對海底電纜進行退扭，解決了旋轉式轉盤采辦周期長、成本高、需要驅動裝置和不易安裝等問題。纜筐和退扭塔均可重復利用，也可針對項目需求重新設計建造，結構簡單，能夠快速安裝，可有效地節約動復員時間。該文項目設計的系統化裝備滿足了海纜鋪設的需求，適用海上風電場各種海纜安裝，對深遠海漂浮式風電長距離電纜的安裝具有重要的應用價值。