大型海缆船技术发展现状及趋势

尉志源 毛建辉 张志刚

（1. 中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2. 浙江舟山启明电力集团公司 舟山316000）

引 言

海底电力电缆的使用已逾百年，在近几十年内更是得到了广泛应用。一般而言，海底电力电缆主要用于三个领域：区域电网跨海域互联、向海洋孤岛及石油钻探平台供电、输送海上再生能源的发电并网［1］。早期，海底电力电缆用于向孤立的近海设备（如灯塔、医疗船等）供电，而后便主要用于向近岸的海岛供电。随着大容量海底电力电缆的研发成功，海底电缆连接了不同国家的电网，如英国与法国、瑞典与德国、丹麦与瑞典、摩洛哥与西班牙、希腊与意大利之间均有电网连接；现今，近海风电场的大力发展，绿色环保的电能需要输送至岸上电网，近海岛屿的大力开发以及近海石油天然气生产装置的不断增多，海底电力电缆连接再一次成为研究热点。另外，随着我国“一带一路”项目合作的不断深入，相关海域国家在电力供给方面不断合作，用于海底电缆工程的布缆船的需求也逐渐增多，布缆船的高速发展势在必行。

布缆船（也称铺缆船）因布缆对象不同，主要分为海底电缆铺缆船和通信光缆铺缆船。本文主要介绍海底电缆布缆船，为区分用于铺设通信光缆的布缆船，以下称海缆船。海缆船设有布缆机等专用设备，是主要承担海上敷设、打捞和检修海底电缆的工程船舶。海缆船是电缆敷设施工作业过程中最重要的装备，而海缆船的电缆装载能力和铺缆能力往往是海缆船的核心能力。在每次海缆敷设作业中，应尽可能多地铺设完整连续电缆，减少海缆接头数量，提高铺缆效率，降低海缆故障风险，大幅降低海缆工程成本。对于同时敷设2条捆绑式外径200 mm、重90 kg/m的海底电缆而言，装载50 km海底电缆需要海缆敷设船至少有9000 t装载能力（单回路需要2条海底电缆），因此海缆船的电缆装载能力是决定能否承担长距离海底电缆工程的关键指标，铺缆装备的能力和效率也成为制约海缆船作业效率的重要因素。本文将对新型的大型海缆船和海缆作业设备进行分析研究，并对未来大型海缆船的发展进行展望。

1 国内外海缆船现状

1.1 国外技术现状

国外海底电缆布缆船发展较早，铺缆装备和工艺水平较高，铺缆方式较为专业，海缆船种类繁多且比较先进，基本能够适应较多海域范围内的海底电缆施工要求，尤其在长距离海底电缆敷设施工方面业绩和经验比较多。

国外先进的海缆施工公司及海缆船主要集中在英国、挪威、美国等国家，下页表1列出了近20年内国外主要工程公司旗下电缆装载能力超过3000 t的海缆船。图1-图7为装载能力超过5000 t的海缆敷设船。

图1为Jan De Nul公司Isaac Newton的主要技术参数：船长138.0 m，船宽32.0 m，吃水7.0 m，转盘电缆装载量7400 t/4500 t，转盘直径27.4 m/ 23.5 m。

图1 Isaac Newton

图2为Oceanteam Power & Umbilical公司的NorthOcean 102主要技术参数：船长133.6 m，船宽27 m，吃水6.5 m，转盘电缆装载量7000 t，转盘直径29 m。

图2 NorthOcean 102

表1 国外海缆船及装载能力

下页图3为Prysmian公司海缆敷设船Guilio Verne主要技术参数：船长133.18 m，船宽30.48 m，吃水8.84 m，转盘电缆装载量7000 t，转盘直径25 m。

图3 Guilio Verne

图4为Nexans公司海缆敷设船C/S Nexans Skagerrak主要技术参数：船长112.25 m，船宽32 m，吃水5.4 m，转盘电缆装载量7000 t，转盘直径29 m。

图4 Nexans Skaggerak

图5为Subocean Group公司Discoverer barge主要技术参数：船长91.86 m，船宽30.5 m，吃水6.1 m，转盘电缆装载量5500 t。

图5 Discoverer barge

图6为Global Marine Systems公 司Bold Endurance号主要技术参数：船长91.86 m，船宽30.5 m，吃水6.1 m，转盘电缆装载量5500 t。

图6 Bold Endurance

图7 Ndurance

图7为Boskalis公司Ndurance号海缆敷设船主要技术参数：船长99 m，船宽30 m，吃水4.8 m，转盘电缆装载量5000 t，转盘直径26 m。国外新型的海底电缆布缆船均适用于无限航区，海底电缆载缆量及吨位比较大，载缆量一般为3000～7000 t，敷设电缆一般采用转动电缆盘的方式退扭，同时配备先进动力定位系统及海底电缆敷设施工装备，配合长距离的海底电缆敷设施工。

1.2 国内技术现状

我国在海底电缆工程建设方面起步较晚，自主建造的海缆船比较少，相比于国外先进电缆船，吨位、铺缆装备及能力均有较大差距。目前国内的海底电缆敷设施工船主要应用于国内沿海，作业水深较浅且吨位相对较小，定位系统以锚泊定位为主，铺缆设备以传统形式的埋设犁为主，难以满足长距离、深水、大容量的海底电缆铺设工程需要。

1976年第一艘海缆船“邮电一号” 吨位仅为1300 t，主要用于敷设和检修海底通信电缆。随着我国海洋经济发展和海洋工程技术装备的不断进步，以中英海底系统公司为代表的国内外合资海底电缆施工企业开始引进国外海缆船，但主要用于维护海底通信电缆。我国国网系统21世纪后才自主建造了“舟电7号”、“建缆1号”等海底电缆施工船，但是排水量、载缆量及铺缆能力与国外先进的大型海底电缆施工船差距悬殊很大。

“舟电7号” 为一艘2011年建造、适用于近海的海缆船。其总长75 m，型宽15 m，型深5.5 m，设计吃水3.5 m，满载排水量约3000 t，载缆量为1200 t，DP-1级动力定位。

“建缆1号”为一艘无动力平底方驳海缆敷埋施工船，适用于国内沿海以及浅滩作业。其总长65 m，型宽22 m，型深3.5 m，载缆量2100 t，采用锚泊定位作业方式。

国内专业海缆船由于数量较少、载缆量较低、铺缆距离短、铺缆效率低以及装备能力不足，故难以承接国外订单。虽然海缆的设计制备技术相对成熟，但是铺缆经验主要是浅水区域 。另外，国内自主研发的大型海缆船数量较少，设计大型海缆船需要不断技术攻关。

图9 建缆1号

2 大型海缆船技术要点分析

2.1 主要特点及发展趋势

根据对国外新建造的大型海缆船资料的深入研究，新建大型海缆船呈现出如下特点和发展趋势：

（1）海缆船的装缆量逐步增大，出现了装缆量超过5000 t的大型海缆船，国外海缆船的载缆量如下页图10所示。主要原因是较大载缆量适应长距离海缆布设，减少海缆接头施工，保证海缆布设的质量和缩短海上施工时间。

（2）由于海缆作业装备集中布置模式，大型海缆船主要采用尾部甲板作业方式，铺缆方式主要分为船尾布缆和舷侧布缆两种模式。

（3）随着埋设电缆的需求，以及敷设理念的进步和敷设设备的发展，海缆船的敷设方式呈现出边敷边埋和先敷后埋两种方式。

（4）大型海缆船的动力定位和航迹跟踪系统已成为长距离布缆作业必备系统，使远距离深海布缆成为可能；锚泊定位系统在作业于近海海域的铺缆船上也较为常用。

（5）综合电力系统及自动化控制系统成为大型海缆船的发展趋势，推进和动力系统的配置要求均比较高。

图10 国外海缆船装载能力图

2.2 船型特征及作业方式

目前大型海缆船的载缆量呈现上升趋势，国际上新建的大型海缆船的载缆量大多超过5000 t。船型及主尺度、总布置和作业方式也呈现出一定的共性特点：

2.2.1 船型及主尺度选择

一般来说，5000吨级大型海缆船船长约为100 m，船宽约30 m，吃水约6.5 m以内；7000 t级大型海缆船船长约为130 m，船宽约30～32 m，吃水约在6.5 m以上。大型海缆船船型主要采用肥胖型，长宽比在3.0～5.0之间，船宽设计主要考虑甲板面上电缆盘的布置需求。船长设计时尽可能紧凑，降低船舶定位时受到的风浪流等环境载荷的影响。吃水选择主要考虑作业目标区域，在满足船舶装载量的基础上，尽可能降低吃水，以提高海缆船的作业范围。

2.2.2 总布置

总布置上采用了分区设计思路，主甲板尾部主要用于铺缆工程作业，首部作为生活居住区，充分保证船员及作业人员的居住舒适性和作业的方便性。大型海缆船均采用艏楼设计，避免了高海况下首部上浪情况，同时首部设直升机平台也是远洋作业的海缆船的常用设计。大型海缆船摒弃了过去小型铺缆船首尾作业方式，取消了在主甲板上前后贯通的作业通道，基本上均采用尾部集中作业区。

装缆方式主要由平卧式的电缆盘装载，电缆盘主要设置在甲板面上，基本占满船宽方向，两舷仅保留通道宽度。电缆盘主要布置在船舯位置，避免在不同电缆装载状态下对船舶浮态的影响。

船舶动力及推进系统较多采用操纵性更好的全回转推进装置，基本上均具备DP2的动力定位能力，在全速调遣、定速沿轨迹敷设、定点维修海缆时优势明显。

2.2.3 作业方式

大型海缆船的边敷边埋方式应用较多，利用大型海缆船拖曳敷埋一体机（俗称埋缆机或埋设犁）进行挖沟和布缆时，水喷式埋缆机相比于机械式埋设犁在埋缆深度上有一定优势，埋缆深度约3 m［2］；先敷后埋方式在国外也逐渐开始应用，初始成本相对较高，需要智能化挖沟式水下机器人（remote operated vehicle，ROV）对敷在海床上的海缆进行挖沟，减少了海缆船偏离路线或水面波浪对脐带缆的影响，虽然对操作方式要求更为严格，但是遇到恶劣海况时可以相对快速撤离。

大型海缆船逐渐摒弃了高度较高的退扭架，采用了电缆退扭释放更加充分的电缆转盘方式，并利用过缆桥进行配合退扭，解决了过去退扭架退扭不完全的问题。

大型海缆船注重对海底电缆的多功能作业能力，不仅注重海缆布设能力，而且进一步加强了海底电缆检测、打捞和维修等能力。

2.3 主要性能设计

目前大型海缆船的总体性能设计时应重点考虑船舶的系柱推力、动力定位能力、稳性，主要基于以下原因。

2.3.1 系柱推力

海缆船的系柱推力是布缆的一项重要能力，其设计能力应满足埋缆机或ROV的拖曳要求，不仅要考虑动力定位时抵抗外载荷的能力，还要使船克服阻力保持一定布缆航速前进。因此，按照一定航速、预定轨迹、抵御一定环境条件时具备拖曳埋缆机的系柱推力是最大设计能力，该设计工况也是电站负荷的主控工况。

2.3.2 动力定位能力

海缆船需要保证船舶在海缆施工作业过程中有效地控制在准确位置上，能够实时、准确地记录海底电缆的轨迹方向，能够有效控制船速，配合埋缆机或者ROV的水下作业，同时能够抵抗外界环境干扰，奠定高效率连续作业的基础［3］。在动力定位系统设计中，当风、浪、流处于船舶横向时，船舶受力最大，而海缆船往往需要保持船位艏向或维持设定航线航行的情况，此时动力定位推力器所需功率最大，通常也是按此情况估算其功率。在各环境条件中，流速对船舶影响最大，流载荷与流速平方成正比，流载荷对船舶动力定位推进器的选择影响颇为明显，因此流速的设计需要仔细论证［4］。

2.3.3 稳 性

对于大型海缆船而言，主要考虑满载时的稳性及抗风能力，稳性设计标准除了满足常用的公约及规范要求外，还需要严格指出大型海缆船撤离的海况条件，避免工程单位在高海况下不愿意撤离布缆作业造成的安全风险。

2.3.4 电缆盘区域的结构强度

大型海缆船的结构设计难点在于船舯电缆盘区域的结构设计。由于电缆盘在回转过程中，需要经过加速运动、匀速运动和减速运动［5］，对电缆盘的挠度要求较高，电缆盘挠度变化要求一般在20～30 mm。结构设计时不仅需要考虑几千吨级的集中载荷以及高作业海况下的船体本身的总纵弯曲应力，而且还需要统一考虑电缆盘圆形轨道基座和船体加强的结构设计。只有不断优化结构设计，才能保证在各种设计工况下均能够为电缆装载提供强力支撑，满足电缆盘回转过程的变形挠度要求。

3 大型海缆船设计方案

根据本院在布缆船的设计建造经验积累，本文推出两型5000吨级大型海缆船的设计方案，分别用于近海和远海航区进行作业，其中5000 t近海作业海缆船已经顺利建造交付。两型船设计方案简述如下。

3.15000 t近海作业海缆船

3.1.1 船型及主要技术参数

5000 t近海作业海缆船为一艘非自航、方驳型、宽敞尾部作业甲板的大型海缆船（参见图11），设有牵引绞车系统、8点锚泊定位系统、具备DP-1级动力定位和潮间带坐滩能力的海上工程作业船，具备近海和浅水区域的作业能力。5000 t近海作业海缆船总长约99 m，船宽32 m，型深6.5 m，吃水2.2～4.8 m，定员为 60人。本船作业系统包括电缆盘装置、过缆桥、滚轮装置、布缆机、线缆入水槽、辅助绞车和起重机等。

3.1.2 主要技术特点

图115000 t近海作业海缆船效果图

（1）国内最大装缆能力

主甲板中部设置电缆转盘，电缆转盘内径约5.0 m、外径26 m，可满足5000 t海缆的装载要求，为国内最大装缆量。

（2）边铺边埋的铺缆能力

边铺边埋是近海作业海缆船的作业铺缆方式。配置水喷式埋设犁，工作水深可达100 m，最大敷埋海缆直径300 mm，敷埋深度可达3.5 m，敷埋速度可达15 m/min，可采用船上供水或水下泵供水两种形式。本船设1台履带式布缆机，张紧力100 kN，最大牵引速度20 m/min。本船设1台60 t的门型吊架收放装置以及收放绞车，用于埋设犁收放，另设1台32 t的拖带绞车用于埋设犁拖曳。

（3）多种出缆方式

采用横向出缆作业方式，预留纵向出缆作业方式，以适应不同铺设要求。

（4）先进的维修能力

设置海缆接续作业区，设置全回转起重机、拉缆绞车、活动式U型架和净化房，用以维修作业。

（5）锚泊定位和动力定位相结合

船体四周设8台锚绞车，用于锚泊定位作业；采用4台约1800 kW悬挂式全回转舵桨，用于全船动力定位，定位等级DP-1，满足定点作业、沿设定路由敷设海缆的需要。设置2台牵引锚绞车，用于船舶牵引作业。

（6）新颖的移船方式

设2点牵引系统+8点定位移船系统组合成9点翻锚系统（3.3 m/min），实现高海况下的船舶横向移动，大大增加海上作业的气象窗口期，提高全年生产作业率。

（7）潮间带作业能力

具备潮间带坐滩能力。船体底部结构设计，满足临时搁浅要求。 机舱冷却系统采用中央淡水冷却与风冷相结合的方式，原则上为生活服务的机电设备均采用风冷，为作业服务的机电设备尽可能采用中央淡水冷却。空调压缩冷凝机组和冷藏装置均采用风冷冷却方式。

3.25000 t远海作业海缆船

3.2.1 船型及主要技术参数

5000 t远海作业海缆船（图12）着眼于国际海底电缆工程，用于深远海海底电缆工程，能够实现远海、深水、远距离条件下的 5000 吨级的海缆敷设、埋设、检修、打捞等工程，具备承担国际海底电缆工程及其他海洋工程的能力。

图125000 t远海作业海缆船效果图

5000 t远海作业海缆船为典型的海洋工程船型，具有倾斜艏部带球艏、宽大甲板、无限航区自航、全电力系统以及DP-2 级动力定位，艏部为生活居住区，艉部为作业甲板区，中部为电缆堆放区，电缆区与艏楼之间为 ROV 储存吊放区。本船总长约122.0 m，船宽30.0 m，型深9.5 m，吃水约6.0 m，电缆装载量5000 t，航速13.5 kn，定员60人。本船作业系统包括电缆盘装置、过缆桥、滚轮装置、布缆机、线缆入水槽、辅助绞车、双铺缆机和起重机等。

3.2.2 主要技术特点

（1）边铺边埋+先铺后埋的铺缆能力

配置自行式埋设犁和自航式埋缆ROV。自行式埋设犁采用机械和水喷组合式，可以敷埋同步也可以先铺后埋，最大敷埋海缆直径280 mm，敷埋深度可达3.3 m，最大作业水深400 m。自航式埋缆ROV埋缆深度1.5 m，最大作业水深1500 m。

（2）铺缆、接续及检修作业一体化

主甲板设U型电缆架、双张紧器、起重机、A型吊、双导缆槽的设计方案，具备尾部铺缆、打捞、检修能力。双张紧器可用于深水铺缆和打捞维修作业。

（3）动力定位系统

采用DP-2级动力定位系统，满足定点作业、沿设定路由定航速敷设海缆的功能，抵抗外部载荷能力较强，能够抵御6级风、1.5 m波高和3 kn流的外部载荷，实现完整模式下的全方位定位能力。

（4）直升机平台

首部设直升机平台，主要用于直升机起降，满足远海作业时人员换班和食品补给等需求。

4 大型海缆船技术发展趋势

随着海底通信电力复合电缆的快速发展，以及长距离电缆铺设的需求，伴随计算机技术、自动化控制技术和大数据技术的引领，未来海缆船的发展仍将迎来新的发展机遇，海缆船超大型化、模块化、可深埋、多功能化的新的可能发展方向。

4.1 超大型化

随着铺缆距离的不断延长，跨海区域的电力网络的进一步连接，对海缆船的载缆量需求会进一步增大。目前NEXANS最新研制的载缆量为10000 t吨以上的远海布缆船，总长约为150 m，动力定位为DP3级。

4.2 模块化

模块化是现代工程船的主流设计方向。采用模块化技术，可以对海缆船所承担的不同工作内容及工作对象进行适应性改装，拓展工程船的作业领域和作业范围；也可以通过快速换装，缩短设计建造周期，降低投入成本。

4.3 深埋技术

对于常规浅层地表土的海缆敷设工程，边铺边埋技术已经相对成熟。但是，过去对浅水地段的海缆敷设采取了埋深较浅或不埋的方式，非常容易发生它船抛锚拉坏。随着对海缆工程可靠性的逐步提高，提高了对海缆埋深的要求，深埋技术仍然是海缆敷设的发展方向。但是对于硬质海床敷埋作业，仍然是大型海缆船亟需解决的难题。

4.4 多功能化

随着海底电缆的敷设量日益增多，老旧海缆发生故障的频率也不断提升，对海缆船在故障检测和维修的需求逐渐增多，往往需要大型海缆船携带更多的中继器，更强的海底扫测能力，去适应海底剪断、水下作业和打捞能力，使得大型海缆船的作业功能更加全面。