国内海底电缆深埋敷设施工技术综述

2015-09-12吴爱国袁舟龙公言强

浙江电力 2015年3期

吴爱国，袁舟龙，公言强

（浙江舟山启明电力集团公司，浙江舟山 316001）

0 引言

我国海域辽阔，海岸线长，沿海岛屿的供电需要采用海底电力电缆（简称海缆）与大陆主电网相连，以及实现岛屿间联网。随着海洋经济的兴起，海岛电力需求急剧增加，海上石油和天然气等能源开采需要可靠的电力来保障，海上风电场、潮汐能等新能源需要将发出的清洁电力安全可靠地输送出去，这些都需要使用大量海缆作为电力通道与电网相连[1，2]。

海缆的敷设方式有抛放和深埋2种：抛放方式是利用海缆的自重沉入海底，施工简单，其安全性较差，特别是在浅海渔区，很容易被渔捞和船锚损坏。深埋方式是利用埋设设备即埋设机将海缆埋设于海床下一定深度，避免人为作业的破坏，有效保护海缆的安全。目前，深水区域海缆敷设采用抛放方式，其余基本采用深埋方式[3]。海缆深埋敷设施工可以分为施工准备、海缆敷设、后续保护和电缆试验4个主要阶段。

1 施工准备

1.1 技术准备

工程开工前，施工单位组织施工图纸会审，再依据施工设计图纸，路由勘查报告，施工海域气象、水文、航道、海底管线等资料，编制详细的施工组织设计、施工应急预案、施工警戒方案等技术方案，组织相关专家进行论证，并报监理单位、建设单位审核后执行。

1.2 现场准备

1.2.1 施工手续办理

工程前期，施工单位协助建设方办理海缆施工专项许可证书，在海洋渔业厅办理海域使用证书、海底管道施工许可证书等相关施工手续，确保海缆工程合法、有效；还需要得到施工区域港务、航道、渔政等相关部门的配合。

1.2.2 路由复测

施工单位邀请海洋勘察机构勘测设计路由的海域状况，海底土质结构，为后续的海缆施工提供路由资料。

1.2.3 现场布置

海缆船到达施工海域按照海事要求进行船舶复检工作。

施工期间发布航行通告及气象情况通告。海缆施工期间，由海事部门定期发布航行通告，提醒限制区域经过施工现场的航运船只绕道航行，避免事故发生。施工开始后，海事部门安排专门人员担任施工海域的维护、警戒、巡逻等工作，确保施工工作正常有序进行。

施工单位安排专人收集权威的当地海域气象预报，掌握施工海域的风力、降水、潮汐等气象信息，及时做好应对准备，避免工程安全事故的产生。

1.2.4 土建监控装置等系统建设

登陆点土建电缆沟通道畅通、排水良好、整洁无杂物，满足海缆敷设的条件。

海缆两端登陆处，应设置“禁止抛锚”、“水线”等警示装置，警示标志应醒目，并具有稳定可靠的夜间照明，夜间照明宜采用节能型冷光源，可采用同步闪烁方式。

海缆两端登陆处，可安装视频监控装置等保护装置，并调试完成，可以监控海缆关键区域。

海缆敷设施工前，登陆点海缆土建具备海缆施工条件；警示装置、视频监控装置等监控系统安装完成后，有效地保护将被敷设的海缆，免受锚泊等外力伤害[4]。

1.3 海缆过驳

在海缆过驳前，先对海缆进行出厂试验，待试验符合设计标准后方可进行过驳施工。海底电缆的过缆作业方式不同，可分为整体吊装和散装过缆2种方式[5]。

1.3.1 整体吊装

利用运输船上的起吊机或浮吊，将整盘海缆连同缆盘由运输船吊至施工船甲板上，再将电缆盘与甲板联结固定，并在施工船甲板上搭设退扭架等设施。图1为海缆整体吊装示意。整体吊装要求缆盘强度高、还要配备专用大型吊机，但其操作较为简单，适用于短距离重量轻的海缆，而长距离、大截面的海缆，其整体吊装成本高，不适宜采用这种方式。

图1 海缆整体吊装示意

1.3.2 散装过缆

根据过缆地点不同散装过缆可分为电缆厂方码头过缆和江（海）面电缆运输船上过缆（如图2所示）2种形式，其工作原理大致相同，以下以电缆厂方码头过缆为例介绍其过缆方式。

图2 运输船上海缆散装过驳示意

将施工船开到电缆厂码头，通过连接工厂车间和码头的传送带直接将电缆输送到电缆施工船上，再由施工船运输到施工现场后直接展放电缆，中间不需要再次转运，而且施工船上均设有退扭架和电缆盘，用来装载和敷设电缆。这种方式适用于具备通航条件的所有类型电缆的施工，特别是海上施工。优点是安全可靠，不损伤电缆。缺点是需要大型专业施工船到工厂运缆，而且费用昂贵。

过缆要求：盘绕前在海缆盘圈内海缆头部预留3 m，以方便海缆测试，过缆速度应控制在平均900 m/h以内；海缆盘绕方向应与海缆铠装的绕行方向一致，盘放顺序遵循先内后外、先下后上的总体原则。对于较短距离的海底电缆，也可采用“8”字形盘绕、线盘盘绕等方法进行过缆作业。

装船结束后重新对海缆性能检查测试，确认各项性能指标（交流耐压、绝缘电阻）满足其工程设计要求，防止过驳不当造成海缆损坏。

1.4 扫海

扫海是在施工前清除海缆路由上障碍物的重要步骤[6]，按作业方式不同可分为拖锚扫海，声纳、多波束等仪器扫海，ROV（水下机器人）扫海等方式。

1.4.1 拖锚扫海

扫海船只应配备DGPS（差分全球定位系统）进行导航和定位系统，扫海船只的尾部拖拽1个横杆，横杆上系有若干个四爪锚，扫海船只沿着路由来回多次航行，必须注意始终保持横杆与海床接触，以扫除电缆设计路由上可能存在的废弃渔网、抛弃物等障碍物。拖锚扫海是最简单、有效的方式，在实际工程中应用较多。

1.4.2 声纳、多波束等仪器扫海

浅地层剖面仪是利用声波在水中和水下沉积物内传播和反射的特性来探测水底地层的设备，是在回声探测技术的基础上发展起来的，剖面仪的转换器装在调查船或拖拽体中。多波束与浅地层剖面仪相结合，多波束测量出海缆路由地形，剖面仪通过超声波分析出海床地质情况，通过软件计算出海底电缆距离地表的厚度，再结合多波束测量出的地形参数综合分析海底障碍物状况。

1.4.3 ROV扫海

ROV在海床行走，ROV上装设水下视频监控系统、声纳等设备，ROV沿着路由轨迹在海床上行走，探查海缆路由障碍物，监控路由上的海底状况。

1.5 试航

施工船舶到达不熟悉的施工现场后，首先安排施工船在设计施工路由区域内进行试航，以熟悉施工区域内设计路由的各个关键点及潮水情况。

试航过程中，船上的所有埋设设备及后台监测设备进行模拟操作演练，确保船舶、电缆输送机、埋设犁、锚泊系统、卷扬机等重要施工设备及监测装置的正常工作，确保施工顺利进行及海缆敷设质量。

2 海缆敷设过程

由于船舶有吃水深度，一般不能直接到达两端登陆点，所以海缆敷设过程可分为首端登陆、中间段敷埋、终端登陆。

2.1 首端登陆施工

海缆首端登陆前，高潮位时将施工船锚泊在登陆点附近，以减小登陆距离，并利用DGPS测量系统定位于路由轴线上，抛“八”字开锚锚泊固定；还需根据现场情况设定锚位，确保周围海底缆线的安全。

登陆时，海缆头从电缆盘内通过退扭架拉出，从船头通过入水槽入海，水面段在海缆下方每隔2 m垫以充气内胎进行助浮；利用预先设置在首端登陆点处的绞磨机牵引海缆浮运登陆，如图3所示。在海缆牵引至滩涂处，人工解除助浮充气内胎，将海缆搁置在预先设置在海缆登陆路由的滑车上方滚动或滑动，减少海缆牵引的阻力和减少海缆的磨损。当海缆登陆完成后，潜水员下水逐个拆除浮运海缆的轮胎，将海缆按设计路由沉放至海床上。

图3 海缆首端登陆示意

2.2 海缆中间段敷埋施工

海缆中间段敷埋的埋设机一般有2类：

（1）射流式开沟机，是目前使用最普遍的一类海底管道开挖机器，高压水泵产生的高速水流输送到位于开沟机前端的喷嘴，从喷嘴喷出的水流可达到很高的速度，可将海底泥质、沙质、甚至基岩冲走，形成一条海底沟道。

（2）绞刀式挖沟机，通过绞刀将泥土切碎，开出一条海底沟道，因其装置复杂，在国内工程中应用较少[7，8]。

海缆中间段敷埋过程中，根据海缆敷设和深埋先后顺序，分为先敷后埋和敷埋同步2种方式。

2.2.1 先敷后埋方式

施工船舶根据设计路由，将海缆抛放在海床上面，再由潜水员或ROV利用水下设备对海床上的海缆进行深埋和后续保护操作。这种施工方式一般适用在地质较差的海底，或大型施工船舶无法进入的较浅海域。

2.2.2 敷埋同步方式

敷埋同步方式根据主施工船舶的前进动力不同，可分为翻锚作业敷设、慢绞牵引钢丝敷设和自航式敷设等方式。

（1）翻锚作业敷设方式

施工船前后共4个工作锚，通过抛锚船沿海电缆路由方向不断抛射其牵引锚，施工船再由锚机收绞钢丝提供前进动力，使施工船向前移动，同时拖动埋设机进行电缆深埋敷设。这种方式敷设速度慢；且在海缆路由经过海底管线交越等错综复杂区域时，抛射牵引锚可能伤及其他海底管线；遇到海底地质差区域，频繁抛锚容易产生走锚危险。

（2）慢绞牵引钢丝敷设方式

施工船一般采用无动力方驳船，驳船吃水浅，便于近海施工。在潮流下，方驳船较其他船舶相对更稳定，给船上施工人员的提供相对稳定的平台。施工过程中，施工船通过专门大锚机来收绞预先抛敷在设计路由上的主牵引钢缆，提供船舶前进动力，使施工船向前移动，同时拖动埋设机进行电缆深埋敷设，如图4所示。而海缆的埋设速度由卷扬机的绞缆速度来决定，其敷埋速度一般控制在0～9 m/min。当施工船偏离路由轴线时，采用拖轮及锚艇，在施工船背水侧或背风侧进行顶推，以纠正埋深施工船的航向偏差。施工船上的海缆埋设导航定位系统来控制海缆路由，埋深检测系统来监控埋设速度、埋设机水下姿势等数据，水深测量系统监控水深。

图4 海缆深埋敷设示意

这种方式敷设速度相对较快，船舶稳定性高，操作简单，实际应用较多。

（3）自航式敷设方式

施工船采用DP（动力定位），实际上是一套计算机系统，它将导航定位信息、气象、颠簸以及潮流等数据输入到计算机内，然后由计算机来控制船舶动力系统，让船舶沿设计路由自动航线，同时拖动埋设机进行电缆深埋敷设[9，10]。

DP系统能够按照施工要求可靠地控制船位；船舶准确定位，能够准确按照设计路由进行海缆敷设或埋设；可根据海底底质情况严格控制船速，调整埋设速度，保证埋设质量；在电缆接续或打捞等操作中能长时间保持船位不变；能准确记录海缆敷设路由，为今后海缆维护、修理提供依据。

2.3 终端登陆施工

终端登陆前，施工船抛设“八”字锚稳定船位；布缆机将海缆通过入水槽送入水中，在海缆入水段每隔2 m垫以充气内胎助浮；海缆不断送出后在水面上逐渐形成1个不断扩大的“Ω”形状，工作艇监视和控制海面上海缆弯曲情况，防止海缆打小弯；在测量海缆终端登陆长度后，将海缆截断、封头；待海缆头牵引出施工船后，在海缆头上设置活络转头，并与设置在终端登陆点处绞磨机的牵引钢丝连结，启动绞磨机牵引海缆，如图5所示。施工船移动船位，避让出海缆登陆路由，再由牵引船牵引海缆。当海缆登陆完成后，潜水员下水逐个拆除浮运海缆的轮胎，将海缆按设计路由沉放至海床上。

图5 海缆终端登陆示意

3 海缆后续保护

受船舶吃水深度、海底地质、海底管线交越等因素影响，有部分段海缆敷设未达到设计要求，需要后续采取一些措施保护好海缆[11，12]。

3.1 人工冲埋保护

由于主施工船因船只吃水问题无法完全靠近登陆岸边且海底地质为淤泥质土时，可以采用人工冲埋保护方式。在海底中段海缆全部埋设完毕后，潜水员在水下探摸清潮间段水下海缆的实际情况，然后由潜水员利用小型高压水泵按海缆实际敷设轨迹将海缆冲埋至设计要求埋深。

3.2 安装套管保护

在基岩区、潮流冲刷槽区等不良地质海底区域内，可加装保护套管保护海缆，保护套管能提高海缆抗外力破坏能力，减小电缆磨损。在基岩区内，海缆施工前先进行路由岩面勘察，采用爆破方式，去除孤石，整平基岩面，直接在岩面上开凿电缆沟，海缆套上海缆保护套管后放置槽沟内进行固定，如图6所示。在潮流冲刷槽区内，海缆在敷设前，确定潮流冲刷槽位置及距离，先用埋设装置开挖，深度不小于60 cm，再把海缆套上保护套管后敷设至沟内。

图6 电缆套保护管

但其运行后会带来2个问题[11]：

（1）保护套管阻挡海缆散热，引起海缆运行温度升高，因此设计时就要校核带套管的海缆载流量和套管的机械强度。

（2）采用导磁性材料的保护套管，运行中套管会产生感应电势，形成内部环流，增加海缆电能损耗。因此要选择无磁类保护套管（如玻璃钢）。

3.3 抛石保护

抛石保护应用在已进行过埋深保护及其他保护措施的海缆上，对不能满足设计防护要求或无法实施其他保护措施的海缆区段、海缆裸露海床部位，尤其是在复杂的海床地质条件下形成的悬空段，通过实施抛石填充所形成的石料堆积体，使海底电缆运行环境得到有效改善和稳固。避免了海底电缆在海流的作用下，长期疲劳运动或与海床产生摩擦而造成海缆绝缘介质破坏。同时，海缆上部的石料堆积层也具备了一定抵御外力冲击破坏的强度。500kV海南联网工程海底电缆保护方案中就采用了抛石保护方案。

抛石保护工程非常复杂，在工程实施中主要分为2个建设阶段，前期建设阶段包括海缆状态的精勘调查、设计论证、试验研究、采石场调研，施工阶段涉及石料的制备及质量控制、抛石作业、滤层（碎石层）转序验收、铠装层（块石层）断面竣工验收、工程控制等。要综合考虑海缆安全和堆石体稳定性，海缆抛石设计的堆石体一般采用两层结构，内层（滤层）为2.54～5.08 cm碎石，外层（铠装层）为5.08～20.32 cm组合块石，如图7所示。