海底光纜建設(shè)維護(hù)提升研究

陳曉明 高軍詩(shī) 朱曉卿

中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100080

引言

新型基礎(chǔ)設(shè)施作為實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的重要基石、轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要支撐，不僅是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需，也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。適度超前的新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能夠夯實(shí)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的基礎(chǔ)，顯著提高經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行效率，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展提供有力支撐。

國(guó)際海纜作為重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)了全世界超過(guò)95%以上的跨國(guó)通信數(shù)據(jù)流量。從1993年12月我國(guó)參加建設(shè)的第一條國(guó)際海纜——中日海纜系統(tǒng)建成投入運(yùn)行開(kāi)始，27年間登陸中國(guó)大陸的國(guó)際海纜累計(jì)達(dá)到12條。國(guó)際海纜的安全暢通直接關(guān)系著我國(guó)國(guó)際通信信息傳遞的及時(shí)和安全穩(wěn)定，是落實(shí)習(xí)近平總書(shū)記“以高水平對(duì)外開(kāi)放打造國(guó)際合作和競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)”[1]要求的重要保障。近年來(lái)，由于我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)活動(dòng)的增加，國(guó)際海纜的故障也開(kāi)始增多，對(duì)我國(guó)的國(guó)際通信造成很大影響，迫切需要對(duì)海纜光纜的建設(shè)和維護(hù)進(jìn)行提升，以保證我國(guó)的國(guó)際通信網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行。

1 海底光纜的故障和維修

海底光纜長(zhǎng)期工作在水下，主要用途是保護(hù)光纖不受外界的損害，并提供從岸端設(shè)備到水下設(shè)備的連接，此外還負(fù)責(zé)將電力傳送至水下設(shè)備，在25年使用壽命周期內(nèi)都能正常工作[2]。

1.1 海底光纜故障種類(lèi)和定位方法

海底光纜常見(jiàn)的故障類(lèi)型包括絕緣體故障、開(kāi)路故障、光纖故障、短路故障及中繼器或分支器故障，海纜最主要的故障是海纜外殼破損導(dǎo)致的絕緣體故障(Shunt Fault)。其故障類(lèi)型和故障定位方法如表1所示。

表1 海底光纜故障類(lèi)型和故障定位方法

1.2 海底光纜故障修理

海底光纜的故障維修需要安排維修船前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修，并要申請(qǐng)相關(guān)施工許可，以及進(jìn)行備纜、備件的裝船工作，整體維修周期在30～60天左右。具體維修流程如圖1所示。

圖1 海底光纜故障維修流程

1.2.1 修理前期準(zhǔn)備

維修單位根據(jù)相關(guān)維護(hù)單位通報(bào)的故障情況，著手制訂修理工作方案和計(jì)劃，列出所需的備品、備件的裝載清單并上報(bào)維護(hù)組織批準(zhǔn)。一旦獲得批準(zhǔn)，海纜船就開(kāi)始裝載備用海底光纜、接頭盒和中繼器等。在中國(guó)領(lǐng)海的故障點(diǎn)，維修單位需要將修理方案、計(jì)劃等上報(bào)給相關(guān)自然資源部(國(guó)家海洋局)、交通運(yùn)輸部(海事局)等部門(mén)審批并獲得施工許可，審批流程約2周，另外，若是外籍維修船，則還需向中國(guó)海關(guān)申請(qǐng)臨時(shí)進(jìn)口，審批流程將達(dá)到3周。在獲得國(guó)家相關(guān)批準(zhǔn)后，相應(yīng)的主管部門(mén)會(huì)通過(guò)一定形式和方式公開(kāi)發(fā)布“航行通告”，以保證海纜船在實(shí)施故障修理作業(yè)過(guò)程中船舶與人員安全。當(dāng)海纜船獲得施工許可后，即可離開(kāi)港口實(shí)施修理作業(yè)。

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)修理工作

海纜船在前往故障現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中，通過(guò)權(quán)威氣象預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)獲得相關(guān)海域天氣預(yù)報(bào)，以掌握氣象條件，控制整個(gè)修理作業(yè)過(guò)程。

如圖2所示，具體的現(xiàn)場(chǎng)維修過(guò)程如下。

圖2 海底光纜故障維修現(xiàn)場(chǎng)操作

1)找到故障點(diǎn)：通過(guò)登陸站的遠(yuǎn)供電源設(shè)備/其他儀器在輸出直流電流上調(diào)制低頻信號(hào)(一般為25Hz)，該信號(hào)遇到海底光纜漏電故障點(diǎn)時(shí)，信號(hào)被泄漏，維修船利用尾拖探音設(shè)備，發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)的具體位置。

2)切斷海纜：維修船施放帶刃的錨鉤打撈機(jī)具，勾住光纜并切斷光纜。

3)打撈海纜：維修船打撈起故障海纜，將故障光纜予以切除，并連接浮筒，放置在海中。

4)撈起另一頭海纜：維修船打撈另一端的光纜，切除故障光纜，然后對(duì)光纜進(jìn)行一系列水密測(cè)試、光纖測(cè)試和電氣測(cè)試。

5)熔接并布放備纜：采用通用海纜接頭盒(UJ)對(duì)打撈起的光纜和海纜船上的備用光纜進(jìn)行第一次熔接(Initial Splice)，并開(kāi)始將熔接好的海纜光纜進(jìn)行布放。

6)最終熔接：維修船行駛至浮筒處，與第一次打撈的斷纜完成最終熔接(Final Splice)，將海纜放入海中，并用繩拉住，并通知海纜站進(jìn)行最終測(cè)試。

7)布放并進(jìn)行后沖埋：測(cè)試通過(guò)后，將立于水中的用接頭盒連接的海纜平放海底，并避免形成馬蹄扣，對(duì)于埋設(shè)段落，利用ROV找到修復(fù)后的海光纜段落，對(duì)其進(jìn)行來(lái)回多次的沖埋作業(yè)。

與陸地光纜不同的是，海纜一次故障維修需要使用2個(gè)接頭盒，做兩次接續(xù)。為保護(hù)海纜，海纜的曲率半徑必須大于1.5m，在維修段末端會(huì)留有一段“Ω”型的彎曲海纜，而水下機(jī)器人(ROV)沖埋“Ω”段海纜的難度很大，不易達(dá)到規(guī)定埋深，因而容易再次出現(xiàn)故障。

2 海底故障分析

通過(guò)對(duì)我國(guó)海域從2015開(kāi)始發(fā)生的國(guó)際海纜故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，我國(guó)海域的國(guó)際海纜故障均發(fā)生在150m水深以上處，其中90m水深以上的故障占到93%。通過(guò)對(duì)海纜故障原因進(jìn)行分析，外力擠壓、拉伸是造成海纜故障的主要原因，占到76%，其中漁業(yè)捕撈和船舶拋錨是造成外部侵害的主要原因。海纜故障處水深百分比如圖3所示。

圖3 海底光纜故障處水深百分比

上海是我國(guó)國(guó)際海纜登陸最多的城市，而上海外圍海域也是我國(guó)海纜故障發(fā)生最多的區(qū)域，其故障率在國(guó)際上也屬于非常高的區(qū)域。發(fā)生故障的主要原因包括以下幾點(diǎn)。

2.1 東海水深較淺

上海外圍屬于東海大陸架，最寬處位于上海東南方向約600多公里處，水深只有185m。由于大陸架非常寬，國(guó)際海纜的分支單元(BU)通常要設(shè)置在水深500m處，上海段的分支長(zhǎng)度會(huì)超過(guò)700km，絕大部分處在150m水深以淺埋設(shè)，海纜的建設(shè)成本和維護(hù)成本都很高。而相比日本的海纜登陸站，其大陸架很短，距海岸大約在100多公里處水深就可以達(dá)到500m。上海和日本外圍水深對(duì)比如圖4所示。

圖4 上海和日本外圍海域水深示意圖

2.2 海上活動(dòng)頻繁

上海外圍的舟山漁場(chǎng)是我國(guó)最大的漁場(chǎng)，上海港(含洋山港)是世界上最大的港口，其吞吐量高居全球海港榜首。漁業(yè)捕撈活動(dòng)經(jīng)常造成海纜故障，東海范圍內(nèi)使用的帆張網(wǎng)刺入海底的深度可以達(dá)到2.5m，是造成作業(yè)區(qū)海纜故障的主要原因。根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，1995～2001年間，上海及其附近海域的國(guó)際海纜故障中因帆張網(wǎng)作業(yè)引起的故障占到總數(shù)的81%。此外，船舶拋錨的貫入深度可以從0.3m到3.5m，也是造成海纜故障的主要原因之一[3]。

2.3 實(shí)際埋深不足

3 建設(shè)維護(hù)提升建議

3.1 建設(shè)提升建議

為有針對(duì)性地提高海纜保護(hù)強(qiáng)度，綜合考慮海纜建設(shè)工期及成本因素，建議在以下幾個(gè)方面對(duì)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行提升。

1)確保埋設(shè)深度達(dá)到并超過(guò)工程要求值。

①建議在海纜埋設(shè)時(shí)，施工埋設(shè)犁的設(shè)計(jì)最大埋設(shè)深度應(yīng)大于工程目標(biāo)埋設(shè)深度。在實(shí)際海纜施工中，由于各種外界因素，埋設(shè)深度一般達(dá)不到埋設(shè)犁的最大埋深，例如使用設(shè)計(jì)埋深為3m的埋設(shè)犁，埋設(shè)深度一般也只能達(dá)到2m多。因此通過(guò)使用設(shè)計(jì)埋深更大的埋設(shè)犁，可以明顯提升埋設(shè)深度。

②建議根據(jù)不同底質(zhì)采用沖埋和切割不同埋設(shè)方式，對(duì)于沙質(zhì)海床采用沖埋式埋設(shè)，對(duì)于泥質(zhì)(包括黏土質(zhì))海床采用切割式埋設(shè)。這要求埋設(shè)犁應(yīng)同時(shí)具備沖埋和切割的兩種施工能力。

③當(dāng)埋設(shè)深度達(dá)不到3m時(shí)，施工船的埋設(shè)速度應(yīng)降低至每小時(shí)300m，如采用切割式埋設(shè)犁，埋設(shè)犁的拖曳張力應(yīng)不小于45噸。通過(guò)降低船速并保證埋設(shè)犁的拖曳張力，可以從一定程度上證明埋設(shè)犁深入海床并有效進(jìn)行埋設(shè)。

2)提高故障高發(fā)段落埋深要求。

不同類(lèi)型的整容者對(duì)自身的審美是不一樣的，有自信的整容者會(huì)根據(jù)自己的需求進(jìn)行小的“修補(bǔ)”，例如嫩膚和祛斑。而很多整容者并不知道自己確切的要求，他們往往走進(jìn)整容醫(yī)院會(huì)跟醫(yī)生說(shuō)“我先要高圓圓的鼻子”甚至“給我整成吳亦凡的樣子”，這樣的審美意愿往往來(lái)自于對(duì)明星的盲目追求，或者說(shuō)是對(duì)大眾審美的屈服。

建議海底光纜路由應(yīng)當(dāng)盡量避免穿越漁業(yè)活動(dòng)、航道、習(xí)慣性錨地等故障高發(fā)地段，實(shí)在無(wú)法避免的，海纜在穿越航道、習(xí)慣性錨地等故障高發(fā)地段時(shí)埋設(shè)深度不宜小于5m。目前在國(guó)標(biāo)中只規(guī)定“在5m～150m水深海域，海底光纜的埋設(shè)深度不宜小于3m”，但實(shí)際埋深無(wú)法保證，帆張網(wǎng)2.5m的刺入深度會(huì)對(duì)海纜造成損害。通過(guò)提升埋深要求，以達(dá)到提升埋設(shè)深度，避免海纜故障的目的。

3)在成本允許的情況下，增加故障高發(fā)處后填埋作業(yè)要求。

如圖5所示，對(duì)于泥質(zhì)海床，水深50～80m的故障多發(fā)處可考慮使用專(zhuān)用船進(jìn)行垂管砂石注填纜溝保護(hù)，以避免由于自然回填慢導(dǎo)致埋深不足的情況，本保護(hù)方式成本過(guò)高，應(yīng)謹(jǐn)慎采用。建議今后出現(xiàn)有效降低施工成本的施工方案，以促進(jìn)此類(lèi)保護(hù)方式的應(yīng)用。

圖5 垂管砂石注填作業(yè)示意圖

3.2 維護(hù)提升建議

海纜竣工后應(yīng)通過(guò)針對(duì)性強(qiáng)的維護(hù)、維修手段提升海纜的保護(hù)強(qiáng)度，建議綜合考慮維護(hù)成本和可實(shí)施性，在以下幾個(gè)方面對(duì)海纜的維護(hù)進(jìn)行提升。

1)在禁漁期結(jié)束后以及重點(diǎn)保障階段，通過(guò)日常巡檢對(duì)故障高發(fā)地段的海纜路由進(jìn)行巡查和維護(hù)，及時(shí)勸離危及海底光纜安全的船只，確保海底光纜安全暢通。

2)通過(guò)海纜路由船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)海纜路由上的海底光纜埋設(shè)的2海里范圍內(nèi)船只進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)準(zhǔn)備拋錨的船只發(fā)送警告，必要時(shí)安排船只前往驅(qū)趕。

3)針對(duì)海纜故障多發(fā)段、頻發(fā)段，可酌情考慮采用回收重埋或路由改道等方式增加對(duì)海纜的保護(hù)，在回收重埋或路由改道時(shí)應(yīng)根據(jù)維修纜長(zhǎng)、水深等條件盡可能多地使用埋設(shè)犁對(duì)維修段落進(jìn)行3m埋設(shè)，再使用埋深能力3m、功率不小于600匹馬力的水下機(jī)器人(ROV)進(jìn)行其余段的后沖埋工作。

4)光纜施工一般是利用潮流等動(dòng)力作用將埋設(shè)溝中的光纜自然回填掩埋，光纜路由與潮流方向相同時(shí)，填埋速度較慢,因此在海纜施工剛結(jié)束的一段時(shí)間內(nèi)往往容易發(fā)生故障。因此對(duì)于剛竣工的海纜要加強(qiáng)維護(hù)，以確保海纜的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)海域海纜故障發(fā)生率較高，海纜故障維修時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)通信安全造成較大影響，希望海纜建設(shè)、施工企業(yè)能夠在以下幾個(gè)方面共同推動(dòng)海纜建設(shè)、維護(hù)水平的提升。

1)使用埋設(shè)深度更大的埋設(shè)犁。

建議在海纜埋設(shè)時(shí)，施工埋設(shè)犁的設(shè)計(jì)最大埋設(shè)深度應(yīng)大于工程目標(biāo)埋設(shè)深度，保證埋設(shè)深度達(dá)到并高于工程目標(biāo)，并且沒(méi)有大幅度增加建設(shè)成本。

2)使用大功率ROV進(jìn)行后沖埋。

水下機(jī)器人(ROV)用于海纜施工以及維修后沖埋，目前大多數(shù)ROV只具備1.5m的埋深能力，建議采用大功率ROV，達(dá)到3m的埋設(shè)能力，從而解決海纜維修后埋設(shè)不夠而引起的再次故障問(wèn)題。

3)降低后填埋作業(yè)施工成本。

后填埋作業(yè)使用專(zhuān)用船進(jìn)行垂管砂石注填纜溝保護(hù)，可以解決海纜埋設(shè)后自然回填效果不好的問(wèn)題，但由于采用專(zhuān)用船只以及砂石的運(yùn)輸，目前成本較高，很難大規(guī)模使用，希望業(yè)界能采取有效措施，降低施工成本。