焦永飛，孟 金，潘良偉，張 強(qiáng)，庫 猛

(1. 中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122； 3. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

我國海岸線綿長，海域面積廣闊，海上可利用的風(fēng)能資源非常豐富[1]。隨著海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益成熟，海上風(fēng)電開發(fā)方興未艾，預(yù)計(jì)2030年中國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到8.24億kW左右[2]。海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)逐漸向遠(yuǎn)海域發(fā)展，風(fēng)電場(chǎng)中各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所發(fā)的電力，需要經(jīng)過35 kV海纜統(tǒng)一匯集到海上升壓站平臺(tái)，將電壓提升至220 kV后，再送往陸上集控中心，并入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)[3-4]。因此，海底電纜是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的關(guān)鍵組成部分，是電能輸送的重要通道，研究海底電纜敷設(shè)施工技術(shù)具有重要的工程意義[4-6]。

海底電纜的敷設(shè)方式有拋放和深埋2種，拋放指海纜受自重沉入海底，該方法工藝簡便，但是在海水深度較淺的海域，海纜很容易受到人類活動(dòng)的影響而發(fā)生損毀[7]。海纜深埋方法是通過埋設(shè)設(shè)備將海纜埋置于海床土體內(nèi)，這樣可避免海底電纜受到外部環(huán)境的影響，有效保護(hù)海纜[8-9]。目前，對(duì)于海水深度較淺的區(qū)域一般采用埋設(shè)的方式敷設(shè)電纜，深水海域可采用拋放方式。

為解決海纜埋設(shè)施工敷設(shè)過程中面臨的海纜扭曲打彎及轉(zhuǎn)彎過急損壞海纜等問題，本文以大連市某海上風(fēng)電場(chǎng)Ⅳ1項(xiàng)目為研究背景，開展海上風(fēng)電場(chǎng)35 kV海底電纜敷設(shè)施工技術(shù)研究，研究海纜從海上升壓站至海上風(fēng)電機(jī)平臺(tái)的埋設(shè)敷設(shè)關(guān)鍵施工技術(shù)、工藝特點(diǎn)以及工序流程，相關(guān)技術(shù)可為海底電纜敷設(shè)施工提供參考。

1 海纜敷設(shè)設(shè)備

大連市某海上風(fēng)電Ⅳ1場(chǎng)址中心離岸距約35.2 km，水深約26～34 m，場(chǎng)區(qū)面積約為55.8 km2，風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)規(guī)模約為350 MW。海纜敷設(shè)工作范圍是風(fēng)電場(chǎng)全部35 kV海纜的施工，35 kV海纜總長112 km，主要工作包括：海纜廠家接纜、海纜運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)施工、登陸風(fēng)機(jī)及海上升壓站、錨固施工、海纜耐壓試驗(yàn)、配合廠家完成施工過程及竣工時(shí)光纖測(cè)試工作。場(chǎng)區(qū)離岸距離較近，采用埋設(shè)方式對(duì)海纜進(jìn)行敷設(shè)，以保證海纜的穩(wěn)定性和安全性。海上風(fēng)電場(chǎng)布置與位置示意圖，如圖1所示。

圖1 風(fēng)場(chǎng)場(chǎng)址位置示意圖

海纜敷設(shè)工程中關(guān)鍵的設(shè)備為海纜施工船舶以及海底埋設(shè)犁。海纜施工船舶發(fā)揮著海纜的運(yùn)輸，儲(chǔ)纜池、過纜橋架等設(shè)備的裝載以及布纜的作用。埋設(shè)犁通過受到海纜施工船舶的牽引，開挖海床土體，并將電纜放置于海底溝槽內(nèi)。

1.1 海纜施工船舶

風(fēng)電場(chǎng)區(qū)的海纜敷設(shè)船舶以京潤206號(hào)工程船為主，如圖2所示。京潤206船長69 m，船寬19.51 m，型深4.27 m，載重量約3 000 t，可裝載較大數(shù)量、不同規(guī)格的海纜，減少往返調(diào)遣的時(shí)間，確保施工進(jìn)度。京潤206適用于75～500 mm直徑的電纜鋪設(shè)，用于鋪設(shè)35 kV的海底電纜較為合適。鋪纜船配備潛水探查、攝像設(shè)備，可每10 m進(jìn)行準(zhǔn)確打點(diǎn)定位，誤差控制在1 m以內(nèi)，鋪設(shè)精度可控制在5 m以內(nèi)。

船舶牽引電纜敷設(shè)時(shí)，當(dāng)船速過快或速度不均時(shí)，容易造成整根電纜的張力都集中在牽引頭上，尤其在電纜長、路徑轉(zhuǎn)彎多、環(huán)境復(fù)雜時(shí)電纜越拉越重，易出現(xiàn)端頭破損，沿線電纜外皮掛裂等損傷。而京潤206號(hào)保證船舶能夠在勻速、低速工況下安全施工，能夠滿足35 kV海纜的敷設(shè)要求。

圖2 京潤206鋪纜船圖

1.2 埋設(shè)犁

電纜敷設(shè)采用的埋設(shè)犁如圖3所示，埋設(shè)犁鋪纜速度0.5～10 m/s，破土強(qiáng)度可達(dá)到130 kPa以上，作業(yè)水深可達(dá)50 m，最大埋設(shè)深度4.5 m，適用于75～500 mm直徑的海纜。埋設(shè)犁裝有聲吶、牽引力傳感器、犁刀傾角儀器、整體傾角儀、導(dǎo)纜籠等電子和機(jī)械輔助，通過這些設(shè)備可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)埋設(shè)犁姿態(tài)、牽引力、電纜埋深等。

圖3 埋設(shè)犁現(xiàn)場(chǎng)示意圖

2 海底電纜敷設(shè)施工關(guān)鍵技術(shù)

海纜敷設(shè)主要包含前期準(zhǔn)備工作、海纜路由正常敷設(shè)以及海纜終端登陸施工三個(gè)主要步驟。施工工序流程圖如圖4所示。

2.1 海纜敷設(shè)前期準(zhǔn)備工作

海纜敷設(shè)施工前期準(zhǔn)備主要包括：施工路由控制點(diǎn)復(fù)核、清障掃海以及現(xiàn)場(chǎng)海試。施工路由控制點(diǎn)復(fù)核要求對(duì)工程中所有的控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)核對(duì)。清障掃海時(shí)，以設(shè)計(jì)路由為掃海中線，掃海重點(diǎn)是海纜路由兩

圖4 施工工序流程圖

側(cè)10 m范圍。路由區(qū)域掃海采用專用掃海錨，在海纜施工路由上反復(fù)拖帶，以清除海底障礙物，掃?，F(xiàn)場(chǎng)圖，如圖5所示。此外，在京潤206鋪纜船裝纜后，對(duì)鋪纜工作相關(guān)的施工設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

圖5 掃?，F(xiàn)場(chǎng)圖

2.2 海纜路由正常敷設(shè)

海纜起始端甩纜或?qū)Ч芗艹槔Y(jié)束以后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況投放埋設(shè)犁開始埋設(shè)作業(yè)，電纜埋深按3.0 m控制。敷設(shè)時(shí)施工船依靠水力埋設(shè)機(jī)的開溝犁挖溝后敷設(shè)，敷設(shè)過程通過船上監(jiān)測(cè)儀器全程監(jiān)控，控制鋪埋速度，監(jiān)測(cè)電纜張力和埋設(shè)深度。

2.2.1 埋設(shè)犁投放

海纜放入埋設(shè)犁內(nèi)后，采用吊車將埋設(shè)犁緩緩吊入水中，擱置在海床面上，如圖6所示。電纜敷設(shè)過程中，需按照相應(yīng)流程進(jìn)行作業(yè)：起吊埋設(shè)犁，將海纜置于埋設(shè)犁內(nèi)部，隨后將埋設(shè)犁放入水中，置于埋設(shè)犁的電纜的入水角度控制在45°～60°，以保證電纜彎曲半徑符合要求。開啟水泵，移動(dòng)船舶同時(shí)放出電纜，將埋設(shè)犁緩緩放置到海床上，并啟動(dòng)埋深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開始牽引敷埋作業(yè)。

圖6 埋設(shè)示意圖

在埋設(shè)犁牽引過程中，需要注意隨著水深的不斷加深，根據(jù)埋設(shè)犁的姿態(tài)及傾角參數(shù)情況及時(shí)增加釋放埋設(shè)犁牽引纜的長度，確保埋設(shè)犁姿態(tài)平穩(wěn)，不“抬頭”。

2.2.2 埋深調(diào)節(jié)與控制

海纜埋設(shè)施工，采用非自航船絞纜，方便保持勻速前進(jìn)，也可以使船舶的穩(wěn)定性增加，避免變速引起海纜張力增大或者由于海纜敷設(shè)余量過多而打扭。此外，海纜通過導(dǎo)纜籠導(dǎo)入水下埋設(shè)犁腹部，水下海纜受到導(dǎo)纜籠的保護(hù)，可保障海纜的安全。

埋設(shè)犁的埋設(shè)速度由船舶敷纜速度來決定，敷埋速度一般控制在2～4 m/min。海纜在敷設(shè)過程中，可以通過對(duì)牽引速度、水泵壓力、牽引力以及埋設(shè)犁姿態(tài)的調(diào)整，來控制海纜的埋設(shè)深度。本工程“瑞安330”采用水下泵，壓力均可達(dá)2 MPa以上，確保電纜的埋設(shè)深度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 路由轉(zhuǎn)彎位置處理

在電纜鋪設(shè)時(shí)，鋪纜船轉(zhuǎn)彎過急會(huì)減小電纜的彎曲半徑，纜線變形扭曲嚴(yán)重，引起材料損傷。路由轉(zhuǎn)彎處敷設(shè)電纜時(shí)，鋪纜船各錨翻錨時(shí)的錨點(diǎn)需要提前設(shè)定。施工船舶需要通過定位錨調(diào)整船位，沿著與拐彎點(diǎn)相切的圓弧切線，走多段直線進(jìn)行海纜的敷設(shè)，保證海纜符合彎曲半徑的要求。此外，為了進(jìn)一步降低纜線在轉(zhuǎn)彎區(qū)域敷設(shè)的損傷風(fēng)險(xiǎn)，施工船進(jìn)入轉(zhuǎn)彎區(qū)域時(shí)降低船速，并在埋設(shè)犁到達(dá)轉(zhuǎn)向點(diǎn)前10 m左右施工船開始轉(zhuǎn)向，每次2°～3°，逐步到達(dá)新的路由。

2.3 海纜終端登陸

海底電纜登陸風(fēng)機(jī)平臺(tái)時(shí)，需要穿過樁身下方的開孔，如圖7所示?！熬?06”鋪設(shè)至風(fēng)機(jī)，測(cè)量船舶與平臺(tái)的距離、水深和平臺(tái)高度以及電纜余量，計(jì)算出所需長度，確定切割位置。

登陸風(fēng)機(jī)所需的海纜長度以及安裝彎曲限制器的海纜長度計(jì)算后，通過布纜機(jī)，將海纜放入水中，綁扎輪胎，保證海纜漂浮于海面之上，使用錨艇輔助，使其形成“Ω”型，防止海纜扭曲變形，若海纜規(guī)格較小，相

圖7 海底電纜登錄風(fēng)機(jī)平臺(tái)

對(duì)重量較輕，也可以采用在甲板上盤大“8”字的方式放出余纜。計(jì)算好電纜登陸風(fēng)機(jī)平臺(tái)需要的長度之后，通過使用電砂輪將海纜切斷，并做好海底電纜頭的絕緣和水密保護(hù)，綁扎好海底電纜端頭，隨后將電纜拉入電纜保護(hù)系統(tǒng)，直到可見電纜端頭，如圖8所示。

圖8 電纜拉入保護(hù)系統(tǒng)示意圖

電纜端頭與牽引頭尾端連接，電纜向后拉，直到牽引頭安全的固定在電纜保護(hù)系統(tǒng)前部，隨后將牽引頭和電纜保護(hù)系統(tǒng)以弱連接的方式進(jìn)行連接，如圖9所示。

圖9 牽引頭與電纜保護(hù)系統(tǒng)連接示意圖

啟動(dòng)絞磨機(jī)拖拉海底電纜保護(hù)系統(tǒng)登上風(fēng)機(jī)，拖拉過程中需控制拉力，使海底電纜形成懸鏈，并保持電纜不觸碰海床，繼續(xù)拉入直到電纜保護(hù)系統(tǒng)完全進(jìn)入并固定在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部的開孔內(nèi)。放松電纜，使電纜保護(hù)系統(tǒng)完全無張力的放置在海床上。繼續(xù)向上拉，直到牽引頭到達(dá)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的頂部，通過錨固連接電纜，并將牽引頭拆下返回敷纜船。

3 結(jié) 語

以大連市海域某海上風(fēng)電場(chǎng)電纜敷設(shè)施工為例，對(duì)海底纜線敷設(shè)工藝及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要工藝如下。

1)海纜埋設(shè)施工，采用非自航船絞纜，保持勻速前進(jìn)，可以使船舶的穩(wěn)定性增加，避免變速引起海纜張力增大或者由于海纜敷設(shè)余量過多而打扭。海纜入水的角度需要在45°～60°范圍內(nèi)，以此保證埋設(shè)犁入水時(shí)海纜的彎曲半徑滿足要求。

2)在路由轉(zhuǎn)彎位置敷設(shè)電纜時(shí)，首先計(jì)算與轉(zhuǎn)向點(diǎn)相切的大圓弧路徑，隨后通過定位錨使鋪纜船調(diào)整位置，保證海纜埋設(shè)時(shí)的彎曲半徑符合要求，避免海纜埋設(shè)過拐點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)彎過急損壞海纜。

3)海底電纜在風(fēng)機(jī)平臺(tái)登陸時(shí)，需根據(jù)船舶與平臺(tái)的距離、水深和平臺(tái)高度以及電纜余量計(jì)算出所需電纜長度，確定切割位置。隨后將海纜以“Ω”型布置在海面，防止海纜扭曲打彎。