5 000 t海缆施工船总体设计特点

2020-03-24毛建辉张志刚袁舟龙

造船技术 2020年1期

毛建辉，张志刚，袁舟龙

(1.中国船舶及海洋工程设计研究院，上海200011； 2.国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，浙江舟山 316000)

0 引言

随着海洋经济的发展，近海大陆架海底石油和天然气不断被发现并开采，海上风电场建设如火如荼地进行，无人岛屿或基础设施薄弱的岛屿也被开发利用，海底电缆的应用越来越广泛。特别是随着信息互联网和能源互联网的不断发展，为适应远距离、高电压等级电力输送及光缆通信的需要，大截面、大长度的海底电缆的需求日益增加，因此对海缆施工船的要求也越来越高。船舶吃水、载缆量、海缆作业装备等关键设备的性能将直接影响海缆施工的质量和效率。

专业的海缆施工船作为海上电缆、光缆以及光电复合缆敷设及维修的特种工程船舶，在我国海缆施工工程中比较稀缺。介绍一型专业海缆施工船“启帆9号”的自主研发设计，其船型特点和相对完善的海缆作业设备能满足目前我国近海海缆工程建设的实际需求和未来发展趋势的要求。

1 海缆敷设作业特点

海缆敷设一般分为3个阶段即首端上岸、中间段敷设和终端上岸[1]。其中，中间段敷设阶段(见图1)作业最为复杂，也是海缆敷设的重点和难点。在敷设过程中，要求海缆船不偏离预定路由，同时确保海缆始终保持应有的张力，这就要求海缆船在敷设过程中不仅能抵抗风浪流的作用力，还能将敷设速度控制在20～60 m/min[2]。海缆入水角是海缆敷设张力、放缆速度和航速的综合反映。当作业水深为几米至几十米之间时，海缆在敷设过程中应保持入水角45°～60°才能使剩余海缆敷设张力适中、不会打结[2]。当放缆速度过快时，海缆入水角成90°，则海缆可能在水底形成圈结或因弯曲半径过小而损坏[2]。当放缆速度过慢时，则海缆可能因张力过大而损坏。在敷设海缆时，由于受海床高低起伏、水深、潮流等影响，有效控制船速使其与海缆释放速度相匹配才能避免海缆损坏，并保证埋设机具的安全。因此，放缆速度与船速之间的关系在海缆敷设作业中非常关键，即船舶的动力定位系统(或锚泊定位系统)与海缆作业系统必须协调一致。

图1 海缆敷设作业

2 海缆施工船主要参数

该船是一艘非自航、方驳型的海缆施工船(见图2)，其配置有牵引绞车系统、8点锚泊定位系统、动力定位DP-1系统，作业海域为我国近海，主要用于海上风电场的海缆敷设、岛屿间互联供电以及海缆维修等，也可用于其他海洋工程。具体船型参数如表1所示。

图2 5 000 t海底电缆施工船

表1 船型参数

3 海缆施工船基本配置及功能

该船基本配置及功能如下：

(1) 主甲板中部配置电缆转盘，可满足5 000 t海缆的装载要求。

(2) 配置1套水喷式埋设机用于海缆的敷设。最大敷设海缆直径300 mm，埋设深度0～3.5 m。

(3) 配置1台门型吊架收放装置以及收放绞车，用于埋设机收放。

(4) 主甲板中前部配置海缆敷设作业线，主要采用横向出缆作业方式，包括电缆盘装置、过缆桥、滚轮装置、布缆机、线缆入水槽、辅助绞车等设备，同时预留纵向出缆作业方式。

(5) 主甲板中后部配置海缆接续作业区，包括拉缆绞车、净化房和滚轮装置等，其中净化房为可移动设备。

(6) 在主甲板海缆接续作业区配置1台电液驱动全回转起重机，用于设备材料装卸、海缆吊卸，辅助开展海缆接续作业。

(7) 在主船体机舱内配置4台主柴油发电机组和1台停泊发电机组组成船舶主电站以满足海缆敷设、接续等工况下的用电需求。

(8) 在主船体内部四周配置8台锚绞车用于锚泊定位作业，配置2台牵引锚绞车用于牵引作业。

(9) 配置动力定位DP-1系统，可满足定点作业、沿设定路由敷设海缆的要求；采用4台甲板悬挂式全回转舵桨作为动力定位的推进器。

(10) 在主甲板艏部配置60人的居住舱室。

(11) 在主甲板空闲位置预留2个标准集装箱位置，便于未来增设无人遥控潜水器等拓展功能。

4 主要海缆作业设备

(1) 电缆转盘。该船最大的作业对象为500 kV超高压电缆[3]，该电缆的截面直径和刚度较大，弯曲半径也较大。电缆在敷设前盘绕在圆形的电缆盘内会产生内在的旋转扭力，每盘1圈就增加1圈旋转扭力，在海缆敷设时需将这种旋转扭力释放，否则会损坏海缆。根据5 000 t电缆装载量测算得到电缆盘最大直径约26 m、19层[4]，此时电缆上的旋转扭力非常大，如果采用常规退扭架形式释放扭力，退扭架高度将达到30 m左右，非常庞大而笨重，甲板布置将十分困难，并且以这种方法不能实现完全退扭，海缆上仍有残余的旋转扭力。因此，考虑采用电缆转盘的形式，转盘内径约5 m、外径约26 m，可一次性装载5 000 t的海缆，最大出缆速度约20 m/min。由电机驱动转盘，以敷设海缆的速度调节转盘转速，将海缆从电缆转盘中释放入海，这样就能实现完全退扭。

电缆盘装置主要由电缆盘、驱动系统、活动导缆架、出缆牵引机、固定导缆架、滚轮装置、电气控制系统等组成。电缆盘整体由回转轴承定位，托盘重量由约200套支承轮组支撑，所有支承轮组由重型环形钢轨支撑。交流变频电机驱动电缆盘旋转，电缆转盘控制系统实现电缆盘和布缆机的收放速度与船速保持一致。

(2) 布缆机[5]。设置1台双向履带式布缆机，可正反向运行，最大牵引速度为20 m/min。

(3) 埋设机[5]。设置1台水喷式埋设机，采用边敷边埋的施工方式[6]。利用埋设机上高压水的冲击力，在海底切开一道深度约0.5～3.0 m的沟槽，待电缆埋设到沟槽后，周围海底泥土回填形成天然保护。高压水可采用船上供水或水下泵供水两种形式。该埋设机的适应工作水深为0.8～100.0 m，适应土质为黏土(承载力特征值小于80 kPa)及各种砂，适应的海缆直径为50～300 mm。该埋设机带有监控系统，可对埋设机的水下作业工况、姿态进行实时监测，并对埋设机的各种数据进行实时采集、处理。埋设机的动力/控制等通过脐带缆与海缆施工船进行联络。

(4) 门型吊架及埋设机收放绞车。船舷侧设有1套门型吊架和1台收放绞车，用于水喷式埋设机的起吊收放。

(5) 埋设机拖带绞车。设置1台埋设机拖带绞车，用于埋设作业时牵引埋设机前进。

(6) 高压冲水系统及软管绞车。该船配置3台高压冲水泵组(2用1备), 采用船上供水时，通过船底的海底门吸水，向埋设机供水。设置2台水下泵变压器，采用水下供水时，将船上的低压电转换为高压电供给埋设机的水下泵使用。

(7) 接续维修设备。在主甲板尾部设置海缆接续作业线，包括净化房、线缆导向槽、线缆牵引绞车、线缆导向架及导向滚轮等，其中净化房为可移动式集装箱，内有净化实验室，主要用于海缆接续作业。

5 总体设计特点

5.1 浅吃水船型

该船主要用于近沿海海缆敷设、岛屿供电等，作业水域水深较浅，作业距离相对较近，不需要远距离航渡，因此考虑采用非自航的平底方驳船型。首先，方驳船型的方形系数较大，在同等尺度下船舶吃水较小，有利于在浅水区开展作业；其次，在海上风电场的潮间带作业时，平底方驳船型能够满足临时坐滩的要求；再次，艏艉带简单切角的方驳船型有利于安装甲板悬挂式舵桨；最后，方驳船型结构简单，便于建造，有利于缩短建造周期。

此外，整个海缆装载区(26 m电缆转盘)和布缆作业区、接续作业区都位于艏楼之后的露天甲板上(见图2)，开阔的作业甲板能使海缆作业流程更顺畅，施工设备布置更合理，并可进一步提高现场作业人员的工作效率和安全性。生活区与作业区分开，也有利于提高人员生活的舒适性。

5.2 集中大载荷下的船体结构设计

由于船中5 000 t电缆载荷非常大而且集中，因此对船舶的总纵强度和局部强度要求比较高，再加上电缆转盘对该处船体结构的刚度和变形的要求也非常高，因此船中处的船体结构成为本船结构设计的关键。通过有限元分析方法，在考虑5 000 t电缆载荷的同时，叠加船体本身的总纵弯曲应力，不仅成功解决了大装载量下大范围圆形轨道承载的结构设计问题，还优化了船体结构设计，保证在各种工况下均能为电缆装载提供强有力的支撑。

5.3 敷设多种作业对象的能力

本船船中设置直径26 m的电缆转盘，可满足不同直径(Φ50 mm～Φ300 mm)的电缆、复合海光缆、小直径的油水软管等的装载要求，同时还可满足国内最高电压等级500 kV的交联聚乙烯海缆长距离(50 km)一次敷设、不用接续的要求，既加快了海缆敷设作业的速度，也提高了整个海缆输电工程的安全性。

5.4 多种海缆作业方式

主甲板海缆作业区分为3个区域：电缆装载区(电缆转盘)、布缆作业区、接续作业区，如图3所示。

图3 海缆作业区布置

电缆转盘前部的布缆作业区布置1条海缆敷设作业线，包括电缆盘装置、布缆机、线缆入水槽、埋设机收放装置、高压冲水系统、供水软管绞车等；电缆转盘后部布置1条海缆接续作业线，包括净化房、线缆导向槽、线缆牵引绞车、线缆导向架及导向滚轮等。根据作业流程，合理布置各海缆作业设备，可1次完成电缆敷设、打捞、接续作业。

此外，在我国沿海岛屿附近(如舟山地区)对船舶定位能力影响最大的外载荷中的流载荷(即水流力)主要由潮汐引起，沿岛屿岸线流动，当在岛屿间进行海缆作业时，船体纵向尽可能平行于岛屿岸线方向，可减少水流力对船体的影响，即埋设作业方向与水流方向垂直，因此该船考虑采用横向布缆作业方式，并预留纵向布缆作业方式。

5.5 多种定位方式组合

在海缆施工前通常需进行专门的海底调查，以选择适合海缆敷设作业的路由区域，并据此进行海缆路由具体走向设计。海缆船进行敷设或埋设作业需要沿预设路由，此时要求船舶配置自动航迹跟踪系统，以使埋设线路精确、耗费海缆少、作业周期短。由于海缆埋设是连续作业的过程，一条缆线的埋设往往需要几天、十几天甚至几十天，在这个过程中风浪流等海况条件变化复杂，为保证作业安全，要求船舶具有较强的定向埋设能力。

由于海缆船在进行海缆接续维修作业时，需要在海上制作海缆接头，该作业要求极其严格，且1次接头作业往往需要1天或数天时间才能完成，为防止缆线在水中缠绕或被拉扯，在这个过程中要求船舶保持原位不动，并保持一定的艏向角。因此，为保证海缆接头作业的顺利进行，要求船舶具有较强的定点定位能力。

为提高海缆作业能力，保证海缆作业安全，该船设置2套定位系统，包括8点锚泊定位系统和动力定位DP-1系统。其中：锚泊定位系统具有可靠性高的优点，但操作相对比较麻烦，耗时较长；动力定位DP-1系统具有操作简便、作业效率高的优点，但经济性和可靠性没有锚泊定位系统高。

此外，该船还设置了2套牵引绞车系统(1用1备)，首创锚泊定位系统加单点牵引绞车系统(8+1)的施工作业模式，以8×1 000 m的钢丝绳预抛锚埋设方式实现1次连续布缆8 000 m,或根据路由情况模块化自由组合各种预抛锚长度，以提高埋设作业效率。

在进行海缆敷设作业时：当海况条件较好时，可采用动力定位系统或单点牵引绞车系统进行布缆作业，此时作业效率较高；当海况条件较差时，则需要4点或8点锚泊定位系统加单点牵引绞车系统才能作业；当遇到恶劣海况无法作业，但船舶仍需保持在原地时，就需要8点锚泊定位系统使船舶定位在某一范围内，等海况条件改善后才能继续作业。在进行海缆接续作业时，可采用4点或8点锚泊定位系统进行定点定位，也可采用动力定位系统进行定点定位。

综上所述，该船配置的多种组合定位方式可大幅提高海缆作业的环境适应性，增加作业窗口期。

根据实际作业需要，针对常用的动力定位DP-1系统，对在风速13.8 m/s、有义波高1.5 m、流速3 kn/4 kn海况条件下海缆船的动力定位能力进行计算。其中，动力定位的推进器选用4台1 800 kW全回转舵桨装置，如图4所示，每台最大推力约275 kN。

图4 动力定位计算的坐标系统和推进器布置图

布缆时的抗风能力曲线(考虑埋设机拖曳力的影响)如图5所示，接续作业时的抗风能力曲线(不考虑埋设机拖曳力的影响)如图6所示。

图5 布缆工况的抗风能力

图6 接续工况的抗风能力

由图5和图6可知：在流速4 kn、有义波高1.5 m、平均风速13.8 m/s时，动力定位系统在布缆工况下能实现290°的定位(在50°～120°范围内可通过牵引绞车系统提高船舶定位能力),在接续作业工况下可实现全方位定位；在流速3 kn、有义波高1.5 m、平均风速13.8 m/s时，动力定位系统在布缆和接续工况下均可实现全方位定位。

5.6 智能海缆作业系统

该船设置全景式中央控制室，布置在艏部甲板室顶部，四周视线良好，能满足多个工作面的观察需要。

布缆作业控制系统、锚泊定位控制系统、动力定位控制系统、电视监控系统和船舶集成控制系统等[7]作业控制台都集中布置在中央控制室内，便于操作人员之间配合协调，有利于整个布缆作业顺利进行。

布缆作业控制系统[8]主要包括埋设机监控系统和电缆转盘监控系统：通过埋设机监控系统，可对埋设机的水下姿态进行实时监测；通过电缆转盘监控系统，可协调船舶的牵引速度和电缆转盘速度，控制海缆的入水角度以及敷设张力，避免由于弯曲半径过小或张力过大而损伤海缆。锚泊定位控制系统可实现对整套锚泊系统的自动控制，具有锚索张力显示、抛出锚索长度显示、锚索收放速度显示等功能。动力定位控制系统通过对全船4台柴油机驱动的甲板悬挂式全回转舵桨进行控制，可实现海缆敷设时的自动跟踪和接续时的定点定位。电视监控系统能24 h监视主甲板作业区域及重要机械处所的工作实况，便于人员观察。船舶集成控制系统由功率管理系统、监测报警系统、阀门遥控及液位测量系统等组成，能满足对船舶整体的监控需求。这些作业控制系统不仅能提高海缆作业质量和效率，减轻人员劳动强度，也大幅增加了海缆作业的安全性。

5.7 新造船首次采用中速柴油机驱动甲板悬挂式全回转舵桨

该船采用甲板悬挂式全回转舵桨作为动力定位的推进器，布置非常灵活、方便，只需占用一小部分甲板面积，而对船体内部布置没有任何影响。采用定距桨，通过柴油机调速改变输出功率，结构简单，成熟可靠。尽管需要在潮间带作业，但不考虑起翘，推进器采用固定式安装，技术成熟，可靠性高。推进器的动力集装箱内的辅助设备尽量由箱内的柴油机驱动，简化对外接口。

该船是国内首次采用中速机模块化安装和系统集成的海缆施工船，为今后类似船舶的加改装设计提供新的技术方案。

5.8 潮间带作业能力

为满足海上风电场建设的需要[9]，该船具有在潮间带临时坐滩的能力。主船体采用双层底，底部板厚和骨架等船体结构强度满足临时坐滩的要求。推进器的最低点与船底基线有一定距离，以避免坐滩时被损坏。机舱冷却系统采用中央淡水冷却与风冷相结合的方式，为生活服务的机电设备均采用风冷冷却(以满足坐滩时人员的生活需要)，为作业服务的机电设备采用中央淡水冷却。空调压缩冷凝机组和冷藏装置均采用风冷冷却。