高壓海底電纜長(zhǎng)距離穿越航道的可行性研究

李 誠(chéng)

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300452）

隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展興起，海底電纜因承擔(dān)岸電供電、海上風(fēng)力發(fā)電、海島與大陸聯(lián)網(wǎng)等功能[1]，具有極高的建設(shè)研究?jī)r(jià)值、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)價(jià)值和社會(huì)利用價(jià)值。

海底電纜工程作為世界公認(rèn)最為復(fù)雜的大型工程[2]，是通信、電力等領(lǐng)域不可或缺的推動(dòng)者，它具有影響廣泛、工程造價(jià)貴等特點(diǎn)，其施工方案的科學(xué)性、可行性至關(guān)重要。根據(jù)渤海油田首個(gè)岸電應(yīng)用示范項(xiàng)目的前期研究方案，敷設(shè)兩條電壓等級(jí)為110kV 和35kV的海纜需穿越現(xiàn)有港口航道。在項(xiàng)目初期了解到，該航道已制定擴(kuò)建方案待實(shí)施，計(jì)劃將航道加大挖深并對(duì)一條穿越航道的現(xiàn)有原油海管在交越區(qū)域?qū)嵤┚植肯鲁粮木€，對(duì)主航道區(qū)內(nèi)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(yuǎn)早于岸電應(yīng)用項(xiàng)目可實(shí)施海纜全線敷設(shè)的計(jì)劃日期。

對(duì)于海底電纜的安裝條件分析，目前國(guó)內(nèi)已有多位學(xué)者進(jìn)行過相關(guān)研究。閆宏生等采用簡(jiǎn)化模型，提出了合規(guī)的海底電纜安裝環(huán)境條件，進(jìn)而分析影響因素，總結(jié)出相關(guān)參數(shù)對(duì)海底電纜正常鋪設(shè)的影響規(guī)律；汪雅薇等分析了海底電纜的安裝條件，總結(jié)出相關(guān)參數(shù)影響海纜張力及彎曲半徑的規(guī)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(huì)經(jīng)濟(jì)成本等影響，實(shí)現(xiàn)按期通航，工程上海纜在穿越航道區(qū)域應(yīng)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(jī)在海管管溝內(nèi)預(yù)埋鋼制護(hù)管，后期在岸電項(xiàng)目施工階段通過預(yù)埋護(hù)管內(nèi)部拖拉海纜實(shí)現(xiàn)穿越航道。[3]

為論證該鋪纜方案的可行性，需要計(jì)算海纜穿護(hù)管時(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)在以往類似工程實(shí)踐中缺少相關(guān)記錄，無法選取較為真實(shí)的摩擦系數(shù)并估算出海纜拖拉牽引過程中施加的摩擦力，因此設(shè)計(jì)本文實(shí)驗(yàn)進(jìn)行摩擦阻力系數(shù)測(cè)定。

1 拖纜方案與計(jì)算理論

1.1 海纜長(zhǎng)距離穿越航道方案介紹

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

1.2 摩擦力計(jì)算

為進(jìn)行海纜在鋼制護(hù)管內(nèi)的牽引力計(jì)算，首先需要針對(duì)方案中鋼制護(hù)管路由長(zhǎng)度和摩擦力實(shí)驗(yàn)用管進(jìn)行初步規(guī)劃。在此基礎(chǔ)上，對(duì)鋼制護(hù)管內(nèi)拖拉海纜過程中海纜與護(hù)管內(nèi)壁間摩擦系數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到海纜外層材質(zhì)與鋼制護(hù)管的摩擦力系數(shù)。最后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求及相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)110kV 和35kV 海纜在鋼制護(hù)管的牽引力進(jìn)行分別計(jì)算，評(píng)估海纜拖拉的可行性，并計(jì)算推算出不同型號(hào)海纜可實(shí)施拖拉穿越長(zhǎng)度。

依據(jù)《GB 50217-2018 電力工程電纜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》與《DL/T 5221-2016 城市電力電纜設(shè)計(jì)規(guī)定》計(jì)算中采用的計(jì)算公式如下：

圖1 海纜長(zhǎng)距離穿越航道方案示意圖

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

2 計(jì)算參數(shù)

2.1 海纜參數(shù)

海纜參數(shù)如表1 所示。

表1 海纜參數(shù)表

2.2 鋼制護(hù)管內(nèi)穿纜長(zhǎng)度計(jì)算

根據(jù)海管下沉改造工程的設(shè)計(jì)圖，作業(yè)海域主航道區(qū)長(zhǎng)度573m，東西兩側(cè)過渡段的投影長(zhǎng)度為1259m和1242m，造坡斜度為1：120。

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

按照下式對(duì)海纜長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算：

式中：L——110kV 海纜及35kV 海纜護(hù)管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度；a——造坡段的護(hù)管長(zhǎng)度；b——主航道溝底寬度。計(jì)算得到項(xiàng)目施工所需的海纜長(zhǎng)度為1725 m。

3 摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)用海纜及護(hù)管適用性分析

實(shí)驗(yàn)用海纜規(guī)格為220kV 3C*500mm2，外徑250mm，長(zhǎng)度4.39m，最外層材質(zhì)為聚丙烯和瀝青混合材質(zhì)，減摩護(hù)套材質(zhì)為聚氨酯。實(shí)驗(yàn)海纜在基礎(chǔ)規(guī)格、成纜工藝、外表面材質(zhì)方面均屬主流型號(hào)規(guī)格，可認(rèn)為在岸電項(xiàng)目潛在的國(guó)內(nèi)供應(yīng)商產(chǎn)品范圍內(nèi)具有充分的代表性。實(shí)驗(yàn)用鋼制護(hù)管為24 寸，內(nèi)徑56.5cm，長(zhǎng)度8.1m，橫向?qū)挾燃伴L(zhǎng)度均可支持實(shí)驗(yàn)用海纜在管內(nèi)進(jìn)行完整的牽拉移動(dòng)實(shí)驗(yàn)過程。

基于此套海纜及護(hù)管進(jìn)行摩擦力系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果具有采納價(jià)值，可作為計(jì)算牽引力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為考慮實(shí)際工程中海水產(chǎn)生的浮力和粘滯阻力影響，分別測(cè)試線纜及護(hù)套在干拖和濕拖情況下的摩擦阻力。濕拖實(shí)驗(yàn)需將電纜浸沒于水中，因此在鋼制護(hù)管兩端焊接封板，形成封閉區(qū)域。同時(shí)在封板上焊接定滑輪，實(shí)現(xiàn)在不拉力測(cè)量值大小產(chǎn)生影響的條件下，將水平方向拖拉力轉(zhuǎn)為豎直向上的由起重吊機(jī)施加的起吊拉力。

在實(shí)驗(yàn)開始前，首先對(duì)S型拉力傳感器進(jìn)行了標(biāo)定?？梢钥闯鰝鞲衅骶€性化程度高，滿足測(cè)試精度要求。

分別對(duì)電纜、護(hù)套稱取干重與濕重。實(shí)驗(yàn)中，在護(hù)套內(nèi)添加42kg 壓載保證拖拉時(shí)速度均勻。模型重量測(cè)量結(jié)果如表2 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象重量

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用實(shí)驗(yàn)布置中的模型，將吊機(jī)采用慢速啟動(dòng)，依次測(cè)量對(duì)應(yīng)模型的拉力，作為測(cè)試件與管道之間的摩擦力，其中啟動(dòng)階段的最大載荷即為最大靜摩擦力，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定段拉力的平均值作為動(dòng)摩擦力。測(cè)得摩擦力除以對(duì)應(yīng)的測(cè)試件重量，即可換算得出摩擦力系數(shù)。海纜與護(hù)管內(nèi)壁間摩擦系數(shù)測(cè)定結(jié)果如表3 所示。

表3 摩擦系數(shù)測(cè)定結(jié)果表

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電纜在濕拖情況下，摩擦系數(shù)小于干拖情況。而護(hù)套在濕拖的情況下，摩擦系數(shù)有所增大。分析其原因可能在于：對(duì)于電纜，由于纏繞尼龍繩，其表面更為粗糙，而在水環(huán)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(shù)。而護(hù)套與之相比，其表面本身相對(duì)光滑，在水中拖帶時(shí)，水存在粘性阻力，因此造成了運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的拉力增大。此外，由于滑輪與護(hù)套吊耳存在輕微高度差，且管內(nèi)不同位置處的銹蝕程度并不完全相同，因此當(dāng)護(hù)套拖帶超過一定距離后，拉力存在一定的下降趨勢(shì)。

測(cè)試結(jié)果表明，拖拉過程中的最大靜摩擦力系數(shù)顯著大于動(dòng)摩擦力系數(shù)。換言之，當(dāng)海纜被拖動(dòng)后，海纜所受的摩擦力會(huì)呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，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(shè)備時(shí)需要按照最大靜摩擦力進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。[4]

3.4 項(xiàng)目施工1725m 海纜所需牽引力計(jì)算

基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的摩擦系數(shù)測(cè)定結(jié)果，對(duì)1725m海纜長(zhǎng)距離拖拉所需的牽引力進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果為：110kV海纜未加裝減摩護(hù)套工況下需842kN，加裝減摩護(hù)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(hù)套工況下需505kN，加裝減摩護(hù)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(zhǎng)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(zhǔn)，乘以安全因子作為可實(shí)施拖纜的最大牽引力，對(duì)海纜可拖拉長(zhǎng)度進(jìn)行理論計(jì)算。結(jié)果為：在無減摩護(hù)套的工況下，35kV 海纜和110kV 海纜理論可拖拉長(zhǎng)度均為600m，在加裝減摩護(hù)套的工況下，兩種規(guī)格的海纜理論可拖拉長(zhǎng)度均為1200m，可見項(xiàng)目施工所需拖拉的1725m 海纜長(zhǎng)度已超出理論可拖拉長(zhǎng)度。

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)，測(cè)定鎧裝電纜穿過海底管道的摩擦阻力系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦的經(jīng)驗(yàn)公式，估算了不同工況下實(shí)施1725m 海纜拖拉穿越所需的牽引力。計(jì)算結(jié)果表明，無論是否使用海纜護(hù)套，直接拖纜將導(dǎo)致牽引力大于電纜允許承受的最大拖力，將導(dǎo)致電纜永久性損壞。依據(jù)最大牽引力法，計(jì)算岸電工程所用規(guī)格海纜的理論可拖拉長(zhǎng)度，為后續(xù)工程提供了計(jì)算依據(jù)。

本文計(jì)算結(jié)果證明該項(xiàng)目長(zhǎng)距離直接拖拉海纜的方案損傷海纜的風(fēng)險(xiǎn)高，評(píng)估認(rèn)為不可行，同時(shí)為海底電纜相關(guān)工程研究提供了理論基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)依據(jù)，充分節(jié)省了實(shí)際試錯(cuò)所需的時(shí)間成本及人力成本，避免了施工造成海纜的不可修復(fù)損傷帶來的工期損失和經(jīng)濟(jì)損失。此外，也為后續(xù)長(zhǎng)距離牽引海纜的同類項(xiàng)目指明了研究方向，即需要研究通過應(yīng)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。