岸電工程海底電纜穿越航道敷設方案設計

王紹則 于銀海 崔占明 任躍龍 楊 乾 黃 峰

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300461

0 前言

目前國內的海上石油平臺主要以自建柴油發(fā)電機組發(fā)電的方式,通過海底電纜給周邊井口平臺集中式供電;或者通過電力組網技術實現(xiàn)多個平臺聯(lián)網供電[1]。這種供電方式能效低、最大輸出功率有限且易造成較為嚴重的環(huán)境污染。相比之下,陸地電網具有電源容量充足、電源質量高、供電可靠性好等優(yōu)點。為了更高效、環(huán)保地開發(fā)海上油氣資源,利用陸地電能為近岸海上石油平臺供電,已經成為近期生產項目設計的熱點[1-2]。本文以渤海某油田群岸電工程110 kV和35 kV交流供電海底電纜穿越港口航道施工為例,針對施工區(qū)域所在的特殊地理位置,開展海底電纜敷設方案設計與分析,并成功指導工程施工,可為以后類似工況下的海底電纜敷設提供參考。

1 工程概況

渤海某油田群岸電應用工程是國內首次海上油氣田應用陸地電源替代海洋石油平臺自供電。該項目新敷設的1條110 kV互聯(lián)海底電纜和1條平臺間35 kV海底電纜需要穿越港口航道。與此同時,該港口也要將航道擴建為25萬噸級,航道的設計長度約33.7 km,設計寬度279 m,航道底標高-25.6 m。擬擴建航道與1條已建成投產的海底管道交叉,交叉部分管道需要做下沉改造處理。為了保證岸電工程和海底管道下沉改造工程的正常運行,同時降低二次穿越航道施工的難度,根據海底電纜的路由研究和航道相關單位的要求,岸電工程海底電纜穿越航道時,需要同下沉改造的海底管道同溝敷設。這樣可以充分利用海底管道下沉改造項目的施工組織,將工程施工對航道的通航影響降到最低,也能為申請海底電纜路由使用權爭取時間。

下沉改造項目的相關參數(shù)見圖1。海底管道在非航道區(qū)埋深1.5 m,在航道區(qū)埋深3.5 m。主航道開挖深度為-30.15 m。主航道與海底管道交叉段的影響長度為573 m,溝底至海床的過渡段放坡比為1∶120,主航道東西側過渡段的長度分別為1 242 m和1 259 m。

圖1 海底管道下沉改造項目縱斷面圖Fig.1 Profile diagram for submarine pipeline sinking reconstruction project

2 海底電纜跨航道技術方案限制條件

按照相關標準和規(guī)范,并結合工程實際情況發(fā)現(xiàn),岸電工程海底電纜穿越航道施工技術方案存在如下限制條件。

1)岸電工程施工應該與海底管道下沉改造工程統(tǒng)籌考慮,不得二次開挖港口航道。

2)海底電纜穿越航道時的路由空間有限,2條海底電纜與1條海底管道公用10 m寬的管溝。

3)DNV GL-ST-F101《海底管道系統(tǒng)規(guī)范》規(guī)定海底管道和電纜交叉應至少保持0.3 m垂向間距,并應考慮潛在的交流電磁干擾。

4)GB 50217-2007《電力工程電纜設計規(guī)范》規(guī)定直埋電纜平行于油管或易(可)燃氣管道時,容許最小距離為1 m,交叉凈距不小于0.5 m(用隔板分隔或電纜穿管時不得小于0.25 m);10 kV以上電纜平行敷設時,間距不小于0.25 m(用隔板分隔或電纜穿管時不得小于0.10 m),交叉凈距不小于0.5 m(用隔板分隔或電纜穿管時不得小于0.25 m)。

5)GB/T 51190-2016《海底電力電纜輸電工程設計規(guī)范》和GB 50217-2018《電力工程電纜設計規(guī)范》規(guī)定水下的電纜與工業(yè)管道之間的水平距離不宜小于50 m;受條件限制時,不得小于15 m(在航道區(qū)域無法滿足該要求,將在下文中討論如何緩解管道受到的交流電磁干擾)。

3 海底電纜穿越航道施工工藝比選

3.1 海底電纜穿越航道施工工藝類比

以施工區(qū)域內的環(huán)境條件為基礎,綜合考慮第2節(jié)的技術方案限制條件,有三種施工工藝可供選擇,包括海對海水平定向鉆法、預鋪設電纜套管法和直接預敷設電纜法。

海對海水平定向鉆法[2-3]是在航道兩端分別架設水平定向鉆機進行對向穿越,鉆好導向孔,再將海底電纜套管回拖穿入導向孔,通過抽拉海底電纜穿過套管的方法完成穿越航道施工,見圖2。本方法的優(yōu)點是:不受海底管道下沉改造項目工期和路由空間的制約;通過路徑設計,可保證海底管道和海底電纜間足夠的間距,降低交流電磁干擾等風險;可使航道區(qū)域內海底電纜得到較大的埋深,降低第三方破壞的風險;只需要設置一個電纜接頭就可以完成整條海底電纜連接。但是這種施工方法也存在一定的弊端:航道兩端的定向鉆施工平臺與航道通航的船舶會相互影響;目前在國內還沒有穿越距離大于500 m的海對海定向鉆施工案例,技術相對不夠成熟;項目的運行成本較高。

預鋪設電纜套管法是借助海底管道下沉改造項目的施工契機,在海底管道管溝內預先鋪設2條電纜套管,待海底電纜路由的使用權獲得批準后,再抽拉海底電纜穿過套管完成電纜敷設施工,見圖3。這種方法只需要在航道的一端設置電纜接頭,且金屬套管對電纜的機械損傷防護和交流電磁干擾防護都會起到一定的作用。但是這種施工方法的不足之處在于:需要動用鋪管船進行套管鋪設,施工費用較高;海底電纜的部分路由設計為弧形,為確保套管鋪設期間及鋪設后不回彈,需要較長的套管長度,經初步估算,當套管長度大于1.2 km時,電纜的軸向抗拉能力無法滿足抽拉要求;2根電纜套管與1根海底管道同時鋪設在10 m寬的管溝內,對鋪設精度的要求很高,同時也存在海底管道與套管交叉的風險。

直接預敷設電纜法[4-7]同樣要借助海底管道下沉改造項目的契機,在海底管道管溝內先預敷設兩段海底電纜,待后續(xù)海底電纜路由獲得批準后,再敷設剩余的電纜,最后通過兩套電纜接頭將整條海底電纜連接,完成海底電纜與海底管道的交叉跨越施工,見圖4。直接預敷設電纜法施工成本相對較低,而且規(guī)避了海對海水平定向鉆法和預鋪設電纜套管法技術方案可行性低的風險。不過這種方法需要提前采辦穿越航道區(qū)的海底電纜,后期施工必須使用2套電纜接頭,而且2根海底電纜與1根海底管道同溝敷設的施工精度要求高,存在海底管道和海底電纜交叉的風險。

圖2 海對海定向鉆施工及抽拉海底電纜示意圖Fig.2 Schematic diagram of sea-to-sea directional drilling construction and cable pulling

圖3 預鋪設套管及抽拉海底電纜示意圖Fig.3 Schematic diagram of pre-laid drive pipe and pulling submarine cable

圖4 直接預敷設海底電纜示意圖Fig.4 Schematic diagram of direct pre-laid pulling submarine cable

3.2 海底電纜穿越航道施工工藝選型

為了保證岸電工程順利實施,考慮采用技術成熟度高且航道相關單位容易接受的施工方案。經過表1施工方案的對比,決定采用直接預敷設電纜法。

表1 施工方案對比表

按照直接預敷設電纜法的施工思路,將1根海底管道和2根海底電纜共同敷設在預挖的10 m寬管溝內,從南向北依次為海底管道、110 kV海底電纜和35 kV海底電纜。理想狀態(tài)下,海底管道與電纜的布置狀態(tài)見圖5。但是實際溝型與設計溝型會有差異,多呈現(xiàn)不平整狀態(tài),而且實際施工時作業(yè)船舶難以保證電纜敷設精度。為了避免管道與電纜直接接觸,保障二者的最小間距,需要在海底管道和海底電纜上分別布置水泥壓塊,水泥壓塊的規(guī)格為4 150 mm×3 100 mm×300 mm，見圖6。另外,受到前文第2節(jié)提到的限制,需要考慮對海底管道的防護措施。

圖5 海底管道和海底電纜在溝內布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of pipeline and cable layout inside groove

圖6 水泥壓塊保護示意圖Fig.6 Schematic diagram of concrete mattress protection

4 交流電磁干擾分析與防護

4.1 基礎資料

4.1.1 管道基本資料

下沉改造項目的海底管道是12 in/18 in(1 in=25.4 mm)的雙層輸油管道,管道外徑為457.2 mm,管道的鋼材等級為API 5 L X 65/X 52,防腐涂層材料為3 PE,防腐涂層的面電阻率為100 000 Ω·m2。管道在航道區(qū)海底埋深約3.5 m位置,非航道區(qū)管道埋深約1.5 m。

4.1.2 海底電纜及環(huán)境基本資料

岸電工程海底電纜采用35 kV和110 kV三芯電纜,其中35 kV電纜額定載流量為422 A,單相短路故障電流為0.75 kA;110 kV電纜額定載流量為698 A,在航道處單相短路故障電流為7.65 kA,其余位置單相短路故障電流為9.06 kA。海底電纜在海上平臺處接地,接地方式為鎧裝、鉛套三相互聯(lián)接地,接地電阻為0.5 Ω。兩條海底電纜的總體路由規(guī)劃見圖7。

岸電工程跨航道海域的海水層電阻率為0.25 Ω·m,海泥層電阻率為1～3.5 Ω·m。

圖7 跨航道段海底電纜路由圖Fig.7 Route map for cross channel submarine cable

4.2 電磁干擾分析

根據已獲取參數(shù),使用專業(yè)模擬計算軟件CDEGS對海底管道和海底電纜進行建模分析。通過計算電纜在穩(wěn)態(tài)運行和故障情況下的交流電磁干擾,來評價海底管道受電纜的影響程度[8-10]。當干擾風險超過標準規(guī)定范圍時,再設計緩解防護方案。

4.2.1 穩(wěn)態(tài)運行時交流腐蝕風險評估

下沉改造海底管道處于電阻率較低的環(huán)境,屬于高腐蝕風險區(qū),容易發(fā)生交流電磁干擾腐蝕。可以參照英國標準BS EN 15280-2013[11]及BS ISO 18086-2015[12],通過交流電流密度評價交流電磁干擾的風險[13-15]。交流電磁干擾程度分為強、中、弱三個等級,對應的交流電流密度分別為<30 A/m2、30～100 A/m2、>100 A/m2。

使用CDEGS軟件建模分析[8-10],得到穩(wěn)態(tài)運行下海底管道受到交流電磁干擾的情況,見表2。如此可以得出,海底電纜在穩(wěn)態(tài)運行下,管道全線均高于30 A/m2,約有24.5 km的管線高于100 A/m2,約占管道全線的85%?？梢?海底管道的交流腐蝕風險很高,應當采取相應的防護措施減小干擾。

表2 穩(wěn)態(tài)運行下管道風險評判表

4.2.2 故障情況下電弧放電距離評估

根據岸電項目路由規(guī)劃,在非航道區(qū),35 kV電纜靠近海底管道,設計間距為30 m;110 kV電纜與海底管道的設計間距是60 m。在航道區(qū),110 kV電纜靠近海底管道,設計間距為3 m;35 kV電纜與海底管道的設計間距是4 m。由于在海底管道和海底電纜上均布置了水泥壓塊,所以即使存在管道與電纜有跨接情況,也能夠保證二者的最小間距為0.3 m。式(1)～(2)為理論推導出的避免電弧放電安全距離計算公式:

(1)

(2)

將海底電纜及環(huán)境的相關參數(shù)帶入式(1)和式(2),計算出電弧放電的最小安全距離,將所得結果與海底管道和海底電纜間實際的最小距離做對比,見表3?？芍５坠艿篮秃５纂娎|的最小間距均處于安全距離內,不需要采取相應的防護措施。

表3 故障時電弧放電距離評估表

4.2.3 故障情況下防腐涂層耐受電壓評估

本次計算模型中防腐涂層采用的是3 PE,發(fā)生故障時,依據IEEE Std 80[15]標準中規(guī)定100 000 Ω·m2面電阻率的防腐涂層安全耐受電壓為10 000 V[16]。使用CDEGS軟件建模分析,分別對海底電纜在發(fā)生單相短接故障和單相接地故障時的情況進行模擬計算,根據數(shù)值模擬計算結果,單相短接故障情況下管道的防腐涂層耐受電壓最高為287.85 V;單相接地故障時,管道的防腐涂層耐受電壓最高為271.47 V。因此可以認為基本不存在防腐涂層擊穿的風險,不需要采取相應的防護措施。

4.3 防護方案

由以上分析可知,當交流電流密度小于30 A/m2時,管道的交流腐蝕風險低,因此將系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的緩解目標定為使管道全線交流電流密度小于30 A/m2。根據本項目的具體情況以及對國內外交流電磁干擾緩解措施的調研,決定采用在海底管道上優(yōu)化分布鐲式犧牲陽極(以下簡稱“陽極”)的防護方案。

綜合考慮非航道區(qū)海底管道上原有的陽極分布,利用CDEGS軟件進行建模計算,不斷優(yōu)化下沉改造管道上的陽極間距和數(shù)量,直到將整條管道的交流電磁干擾降至30 A/m2以下。當航道區(qū)內管道上的陽極總數(shù)量為27支時,海底管道整體的受干擾風險等級為低,此時最高的交流電流密度為29.03 A/m2,交流電磁干擾電壓為0.129 V。考慮到可能存在個別陽極失效的情況,所以在上述防護方案的基礎上增加一些裕量,將陽極總數(shù)增加到39支。

5 工程實踐

5.1 作業(yè)船舶選擇

該工程所在地位于港口航道區(qū),每日來往船只眾多,使得施工作業(yè)風險加大,如何減小作業(yè)半徑、減輕施工期間對港口航道的影響顯得尤為重要。另外本次施工對作業(yè)船舶的電纜敷設精度要求很高,要盡量避免海底管道和海底電纜之間的交叉跨越,從而提高施工效率。

綜合考慮以上因素,該工程選用了DPⅡ級動力定位船作為海底電纜預敷設和水泥壓塊擺放的主作業(yè)船。動力定位船與錨系船舶相比,具有很多優(yōu)勢[17]:動力定位船可以依靠自身的動力定位系統(tǒng)實現(xiàn)船舶微調,將電纜敷設精度控制在最高限度;動力定位船無需錨纜即可作業(yè),機動性好、作業(yè)影響半徑小,大大降低了施工風險。

5.2 預敷設電纜長度計算

直接預敷設電纜法需要在航道兩側設置電纜接頭,后期使用施工船對電纜進行回收連接,所以確定預敷設電纜長度時,需要考慮后期回收電纜時提吊的懸鏈線長度,并確保施工船必須處于主航道之外。但是,工程能夠使用的路由空間有限,不能超出海底電纜的路由范圍,需要盡量避免預敷設電纜的長度過長。經過電纜提吊連接分析[4],電纜接頭提起段懸鏈線長度為50 m即可滿足施工需求;電纜提起到施工船上的長度為50 m;同時為了保證航道區(qū)的通航安全，電纜提起之后的著泥點距離主航道邊緣應大于100 m。最后,航道西側的海底電纜在后期會與海底管道交叉跨越,為了增加后期施工的靈活性,西側的海底電纜將會預敷設較長的一段。海底電纜提吊示意見圖8。

圖8 海底電纜提吊示意圖Fig.8 Schematic diagram of submarine cable lifting

綜合以上分析,預敷設電纜長度計算方式為:航道西側462 m+主航道區(qū)域573 m+航道東側367 m= 1 402 m,見圖9。海底電纜預敷設完成后,在定位系統(tǒng)中對航道兩側的電纜端點進行打點記錄,方便后期電纜接頭施工。

圖9 預敷設海底電纜路由斷面圖Fig.9 Pre-laying of submarine cable route profile diagram

5.3 水泥壓塊防護

電纜預敷設完成后,需要在海底管道和電纜上分別布置水泥壓塊。經過估算,壓塊擺放的總量約為12 600 m2,工程量較大,需要采用高質量和高效率的水泥壓塊擺放技術才能滿足工期要求。經過對各項施工工藝的比選,決定采用混凝土聯(lián)鎖排的施工方案,其優(yōu)勢如下:聯(lián)鎖排水泥壓塊可以實現(xiàn)大規(guī)模批量預制,安裝簡單、操作方便,而且鋪設的聯(lián)鎖排可以促進泥沙淤積[18-20]。

混凝土聯(lián)鎖排主要由土工布、加筋帶和混凝土聯(lián)鎖預制片組成，施工流程見圖10[21-22]，混凝土聯(lián)鎖排施工照片見圖11,聯(lián)鎖排鋪設施工效果見圖12。

圖10 混凝土聯(lián)鎖排施工工藝流程圖Fig.10 Flowchart of construction process ofconcrete slab interlocking mattress

圖11 混凝土聯(lián)鎖排施工照片F(xiàn)ig.11 Photo of concrete slab interlocking mattress construction

圖12 聯(lián)鎖排鋪設的三維聲納掃測效果圖Fig.12 3 D real-time sonar scanning effect sketch ofconcrete slab interlocking mattress laying

5.4 后期海底電纜接頭連接

岸電工程海底電纜的路由使用權獲得批準后,應盡快進行整條電纜的連接施工。施工船動員至現(xiàn)場后,首先進行吹泥作業(yè),移除水泥壓塊,待海底電纜上船段與提起段均暴露至泥面上后,使用撐桿將電纜提吊至施工船的電纜接頭制作間內,進行電纜接頭連接作業(yè)。電纜接頭連接完成后,再使用撐桿將電纜下放至海床,最后在海底電纜及電纜接頭上方覆蓋水泥壓塊保護。

6 結論

本文針對岸電工程海底電纜穿越港口航道項目,列舉了3種不同的施工工藝,并對各工藝的優(yōu)缺點進行比選,找到了最佳的施工方案。然后利用專業(yè)模擬計算軟件對海底管道和海底電纜進行建模分析,通過分析結果給出了海底管道的防護措施。最后以分析結論為基礎,詳細闡述了工程實踐中的各主要施工步驟的實施情況。實踐證明：動力定位船可以明顯提升壓塊擺放和海底電纜預敷設效率,并能保證施工安全;預敷設電纜長度計算的方法,完全避開了后期電纜接頭施工對主航道的影響;混凝土聯(lián)鎖排防護工藝也大大縮短了工程的工期,提升了工程質量。

岸電工程海底電纜穿越航道敷設方案的設計和成功實施,進一步完善了我國在岸電工程應用方面的技術體系,為以后類似岸電工程提供了有益的借鑒,并提升了岸電工程的施工技術水平。