基于DP系統(tǒng)和固定式纜筐的電纜鋪設(shè)技術(shù)

郭 飛 楊 轉(zhuǎn)

（1.貝克休斯石油天然氣設(shè)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(shù)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(fā)展新能源熱潮，而海洋領(lǐng)域的能源開發(fā)更是備受關(guān)注，如海上風(fēng)機(jī)發(fā)電、海洋潮汐能以及天然氣發(fā)電等[1]。我國擁有豐富的海上風(fēng)能資源，研究表明，世界上80%的海上風(fēng)資源位于水深超過60m 的海域，因此深遠(yuǎn)海發(fā)展?jié)摿薮骩2]。為了充分開發(fā)、利用海上風(fēng)資源，漂浮式海上風(fēng)電將成為未來重點(diǎn)開發(fā)方向，這也意味著我國對海上風(fēng)電施工船舶的需求持續(xù)走強(qiáng)，海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海、大兆瓦風(fēng)機(jī)發(fā)展，國內(nèi)大型施工裝備也在提早布局。

海上風(fēng)電場發(fā)電之后向陸地輸送電力并升壓并網(wǎng)，海底電纜可以有效傳輸海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能，海底電纜鋪設(shè)是海上風(fēng)電項(xiàng)目的重要組成部分，涉及的主要施工裝備為電纜鋪設(shè)船及與鋪設(shè)方法相對應(yīng)的電纜鋪設(shè)裝備。根據(jù)施工船舶定位方式的不同，電纜鋪設(shè)船分為拋錨船和動力定位系統(tǒng)的DP 船。拋錨船受拋錨作業(yè)限制，只適用于水深較淺的區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，不適用于深水作業(yè)。DP 船的適用范圍較廣，但是大部分具有DP 系統(tǒng)的船舶不具有承纜的專用設(shè)備。電纜鋪設(shè)作業(yè)通常涉及幾百噸乃至幾千噸，為節(jié)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(fù)員時(shí)間。因此，為解決以上問題，該文在某海上風(fēng)電電纜鋪設(shè)項(xiàng)目中，針對不含電纜鋪設(shè)裝備的某DP 系統(tǒng)工程船設(shè)計(jì)了一套簡易的適用于DP 系統(tǒng)船的電纜鋪設(shè)設(shè)備，以滿足項(xiàng)目海上風(fēng)電電纜施工的需求。

1 基于DP系統(tǒng)和固定式纜筐的大型施工船優(yōu)越性

1.1 精準(zhǔn)定位、高效施工

DP 系統(tǒng)工程船具有自動定位和航向自動保持的動力定位系統(tǒng)，能在最大環(huán)境條件下，使船舶的位置和航向保持在限定范圍內(nèi)。在施工過程中，具有很強(qiáng)的機(jī)動性，可以快速的移動；天氣突變時(shí)可以快速響應(yīng)，能夠很好的保障船舶穩(wěn)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(shí)避免走錨刮蹭海纜等現(xiàn)象。

1.2 實(shí)用性強(qiáng)、靈活性高

鋪設(shè)系統(tǒng)采用固定式纜筐和退扭塔退扭系統(tǒng)進(jìn)行退扭，各設(shè)備整體預(yù)制，整體吊裝，能夠顯著減少常規(guī)分塊預(yù)制需要在甲板上組裝焊接的時(shí)間，節(jié)約動復(fù)員時(shí)間。該套系統(tǒng)可以快速安裝、重復(fù)利用，還可以針對不同項(xiàng)目需求和船舶類型重新設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

1.3 成本低、經(jīng)濟(jì)效益好

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

2 DP 系統(tǒng)工程船

在海上風(fēng)電場中，布置風(fēng)電機(jī)組時(shí)一般遵循最大限度利用風(fēng)能資源的原則，同時(shí)還應(yīng)盡量降低風(fēng)力機(jī)之間的尾流影響，因此布置海纜路由時(shí)應(yīng)特別注意，施工要嚴(yán)格按照規(guī)劃的路由施工。目前海上風(fēng)電電纜鋪設(shè)施工船多為駁船改造，無動力定位系統(tǒng)，無法實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)路由的精準(zhǔn)定位。風(fēng)電行業(yè)進(jìn)軍深遠(yuǎn)海開發(fā)漂浮式風(fēng)電資源，更迫切地需要基于DP 系統(tǒng)的大型作業(yè)船。

DP 系統(tǒng)即動態(tài)位置保持系統(tǒng)，根據(jù)定位需求與效果不同，可分為DP1、DP2、DP3 共3 個(gè)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(guān)鍵裝備，其精度最準(zhǔn)，抗風(fēng)險(xiǎn)能力最強(qiáng)，效果最好。該文涉及的某工程船具有DP3 動力定位系統(tǒng)，同時(shí)搭載2 臺ROV，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高可靠定位、路由預(yù)調(diào)查、施工監(jiān)測及作業(yè)、路由后調(diào)查等多種功能，能夠保障海上施工的準(zhǔn)確性及安全性。

3 系統(tǒng)化海纜鋪設(shè)設(shè)備

某工程船船側(cè)入水甲板布置圖如圖1所示，具有海纜鋪設(shè)、挖溝保護(hù)海纜等多種功能。該系統(tǒng)化鋪設(shè)設(shè)備主要由固定式纜筐、退扭塔、垂直導(dǎo)向、下懸導(dǎo)向、輪胎式張緊器以及回轉(zhuǎn)式裝載臂等組成，如圖2所示。各個(gè)設(shè)備均可整體吊裝，快速完成裝船固定，適用于各種海纜鋪設(shè)項(xiàng)目。

圖1 某DP 船電纜鋪設(shè)甲板布置圖

圖2 系統(tǒng)化高效倒纜設(shè)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(zhuǎn)式卷盤和固定式纜筐[3]。采用旋轉(zhuǎn)式卷盤以實(shí)現(xiàn)退扭的方式存在以下不足：1）設(shè)備采辦周期較長，不適合作為項(xiàng)目設(shè)備采購，通常作為公司資產(chǎn)采購，采辦周期難以匹配項(xiàng)目需求。2）需要驅(qū)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(zhuǎn)式卷盤一般約500t 左右，整體吊裝風(fēng)險(xiǎn)較大，而且裝卸船需要外租浮吊船吊裝。4）動復(fù)員時(shí)間長，底座及驅(qū)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(diào)試。5）總成本高，旋轉(zhuǎn)式卷盤的設(shè)備成本和較長的施工周期都增加了項(xiàng)目總成本。與之相比，固定式纜筐通常結(jié)構(gòu)簡易，能夠快速安裝，目前通常采用分塊預(yù)制的設(shè)計(jì)理念，將其分別吊裝至目標(biāo)船舶后在甲板上進(jìn)行組裝焊接，但該方式動復(fù)員時(shí)間長，而且現(xiàn)場焊接工作量較大。

3.1.2 裝備設(shè)計(jì)

該文項(xiàng)目選擇成本較低的固定式纜框?yàn)殡娎|裝載設(shè)備，并采用整體吊裝設(shè)計(jì)。纜筐外徑16m，內(nèi)徑6m，高4.4m，自重75t，最大裝載量1690t，如圖3所示。風(fēng)電電纜一般有多種規(guī)格，并有明確的安裝順序，因此纜筐設(shè)計(jì)為2 個(gè)隔艙，以裝載不同規(guī)格的電纜。

圖3 纜筐結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)《API RP 2A-WSD》、《DNVGL-ST-N001》規(guī)范[4-5]對纜筐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及整體吊裝進(jìn)行計(jì)算，由SACS 有限元模擬結(jié)果（如圖4所示）可知，纜筐運(yùn)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(guī)范要求。

圖4 纜筐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

3.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

固定式纜框的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目的電纜設(shè)備參數(shù)進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)，裝備設(shè)計(jì)過程中需要考慮如下要點(diǎn)：1）纜框內(nèi)徑。為保證海纜的性能，纜框內(nèi)徑的選擇應(yīng)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(yīng)根據(jù)海纜鋪設(shè)的總長度和船舶甲板面積的大小進(jìn)行合理分配，考慮整體穩(wěn)定性和電纜退扭的需求，應(yīng)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(dá)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(shù)量。風(fēng)電電纜規(guī)格種類多，對鋪設(shè)順序有嚴(yán)格的要求，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的隔艙以滿足項(xiàng)目需求。

3.2 回轉(zhuǎn)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(jìn)行盤纜，這種方法耗費(fèi)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(diǎn)，人工盤纜較困難。

針對這一缺點(diǎn)，可采用回轉(zhuǎn)式裝載臂，以適應(yīng)不同船舶倒纜需求，如圖5所示。該裝載臂為360 度回轉(zhuǎn)，采用電機(jī)驅(qū)動，在控制室進(jìn)行集中控制，同時(shí)也可使用手操器進(jìn)行操控。裝載臂獨(dú)立使用時(shí)需要配置相應(yīng)的電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。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(diǎn)

海纜在經(jīng)過裝載臂時(shí)會產(chǎn)生90 度的方向轉(zhuǎn)變，為保證海纜性能，應(yīng)根據(jù)不同海纜的最小彎曲半徑選擇裝備臂。

3.3 退扭系統(tǒng)

3.3.1 裝備選型

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

3.3.2 裝備設(shè)計(jì)

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(diǎn)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(nèi)徑。

對退扭塔進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，退扭塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度如圖6所示。由圖6 可知，在運(yùn)輸和吊裝工況下，最大UC分別為0.95 和0.34，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

3.3.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

退扭塔的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：1）設(shè)計(jì)高度。在滿足海纜退扭性能的要求下，應(yīng)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(yīng)結(jié)合退扭塔的高度設(shè)置合理的吊點(diǎn)以滿足整體的可行性。

4 結(jié)語

DP 系統(tǒng)工程船能夠有效地規(guī)避拋錨船走錨刮蹭海纜的風(fēng)險(xiǎn)，保障船舶穩(wěn)定性和施工安全性。同時(shí)，系統(tǒng)化電纜鋪設(shè)設(shè)備采用固定式纜筐、退扭塔退扭系統(tǒng)對海底電纜進(jìn)行退扭，解決了旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)盤采辦周期長、成本高、需要驅(qū)動裝置和不易安裝等問題。纜筐和退扭塔均可重復(fù)利用，也可針對項(xiàng)目需求重新設(shè)計(jì)建造，結(jié)構(gòu)簡單，能夠快速安裝，可有效地節(jié)約動復(fù)員時(shí)間。該文項(xiàng)目設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化裝備滿足了海纜鋪設(shè)的需求，適用海上風(fēng)電場各種海纜安裝，對深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電長距離電纜的安裝具有重要的應(yīng)用價(jià)值。