海底光缆建设维护提升研究

陈晓明 高军诗 朱晓卿

中国移动通信集团设计院有限公司 北京 100080

引言

新型基础设施作为实施创新驱动发展战略的重要基石、转型升级的重要支撑，不仅是数字经济发展所需，也是我国实现高质量发展的必然要求。适度超前的新型基础设施建设能够夯实经济长远发展的基础，显著提高经济社会运行效率，为我国经济长期稳定发展提供有力支撑。

国际海缆作为重要的信息基础设施，承担了全世界超过95%以上的跨国通信数据流量。从1993年12月我国参加建设的第一条国际海缆——中日海缆系统建成投入运行开始，27年间登陆中国大陆的国际海缆累计达到12条。国际海缆的安全畅通直接关系着我国国际通信信息传递的及时和安全稳定，是落实习近平总书记“以高水平对外开放打造国际合作和竞争新优势”[1]要求的重要保障。近年来，由于我国海洋开发活动的增加，国际海缆的故障也开始增多，对我国的国际通信造成很大影响，迫切需要对海缆光缆的建设和维护进行提升，以保证我国的国际通信网络安全运行。

1 海底光缆的故障和维修

海底光缆长期工作在水下，主要用途是保护光纤不受外界的损害，并提供从岸端设备到水下设备的连接，此外还负责将电力传送至水下设备，在25年使用寿命周期内都能正常工作[2]。

1.1 海底光缆故障种类和定位方法

海底光缆常见的故障类型包括绝缘体故障、开路故障、光纤故障、短路故障及中继器或分支器故障，海缆最主要的故障是海缆外壳破损导致的绝缘体故障(Shunt Fault)。其故障类型和故障定位方法如表1所示。

表1 海底光缆故障类型和故障定位方法

1.2 海底光缆故障修理

海底光缆的故障维修需要安排维修船前往现场进行维修，并要申请相关施工许可，以及进行备缆、备件的装船工作，整体维修周期在30～60天左右。具体维修流程如图1所示。

图1 海底光缆故障维修流程

1.2.1 修理前期准备

维修单位根据相关维护单位通报的故障情况，着手制订修理工作方案和计划，列出所需的备品、备件的装载清单并上报维护组织批准。一旦获得批准，海缆船就开始装载备用海底光缆、接头盒和中继器等。在中国领海的故障点，维修单位需要将修理方案、计划等上报给相关自然资源部(国家海洋局)、交通运输部(海事局)等部门审批并获得施工许可，审批流程约2周，另外，若是外籍维修船，则还需向中国海关申请临时进口，审批流程将达到3周。在获得国家相关批准后，相应的主管部门会通过一定形式和方式公开发布“航行通告”，以保证海缆船在实施故障修理作业过程中船舶与人员安全。当海缆船获得施工许可后，即可离开港口实施修理作业。

1.2.2 现场修理工作

海缆船在前往故障现场过程中，通过权威气象预报机构获得相关海域天气预报，以掌握气象条件，控制整个修理作业过程。

如图2所示，具体的现场维修过程如下。

图2 海底光缆故障维修现场操作

1)找到故障点：通过登陆站的远供电源设备/其他仪器在输出直流电流上调制低频信号(一般为25Hz)，该信号遇到海底光缆漏电故障点时，信号被泄漏，维修船利用尾拖探音设备，发现故障点的具体位置。

2)切断海缆：维修船施放带刃的锚钩打捞机具，勾住光缆并切断光缆。

3)打捞海缆：维修船打捞起故障海缆，将故障光缆予以切除，并连接浮筒，放置在海中。

4)捞起另一头海缆：维修船打捞另一端的光缆，切除故障光缆，然后对光缆进行一系列水密测试、光纤测试和电气测试。

5)熔接并布放备缆：采用通用海缆接头盒(UJ)对打捞起的光缆和海缆船上的备用光缆进行第一次熔接(Initial Splice)，并开始将熔接好的海缆光缆进行布放。

6)最终熔接：维修船行驶至浮筒处，与第一次打捞的断缆完成最终熔接(Final Splice)，将海缆放入海中，并用绳拉住，并通知海缆站进行最终测试。

7)布放并进行后冲埋：测试通过后，将立于水中的用接头盒连接的海缆平放海底，并避免形成马蹄扣，对于埋设段落，利用ROV找到修复后的海光缆段落，对其进行来回多次的冲埋作业。

与陆地光缆不同的是，海缆一次故障维修需要使用2个接头盒，做两次接续。为保护海缆，海缆的曲率半径必须大于1.5m，在维修段末端会留有一段“Ω”型的弯曲海缆，而水下机器人(ROV)冲埋“Ω”段海缆的难度很大，不易达到规定埋深，因而容易再次出现故障。

2 海底故障分析

通过对我国海域从2015开始发生的国际海缆故障进行统计分析，我国海域的国际海缆故障均发生在150m水深以上处，其中90m水深以上的故障占到93%。通过对海缆故障原因进行分析，外力挤压、拉伸是造成海缆故障的主要原因，占到76%，其中渔业捕捞和船舶抛锚是造成外部侵害的主要原因。海缆故障处水深百分比如图3所示。

图3 海底光缆故障处水深百分比

上海是我国国际海缆登陆最多的城市，而上海外围海域也是我国海缆故障发生最多的区域，其故障率在国际上也属于非常高的区域。发生故障的主要原因包括以下几点。

2.1 东海水深较浅

上海外围属于东海大陆架，最宽处位于上海东南方向约600多公里处，水深只有185m。由于大陆架非常宽，国际海缆的分支单元(BU)通常要设置在水深500m处，上海段的分支长度会超过700km，绝大部分处在150m水深以浅埋设，海缆的建设成本和维护成本都很高。而相比日本的海缆登陆站，其大陆架很短，距海岸大约在100多公里处水深就可以达到500m。上海和日本外围水深对比如图4所示。

图4 上海和日本外围海域水深示意图

2.2 海上活动频繁

上海外围的舟山渔场是我国最大的渔场，上海港(含洋山港)是世界上最大的港口，其吞吐量高居全球海港榜首。渔业捕捞活动经常造成海缆故障，东海范围内使用的帆张网刺入海底的深度可以达到2.5m，是造成作业区海缆故障的主要原因。根据历史资料统计，1995～2001年间，上海及其附近海域的国际海缆故障中因帆张网作业引起的故障占到总数的81%。此外，船舶抛锚的贯入深度可以从0.3m到3.5m，也是造成海缆故障的主要原因之一[3]。

2.3 实际埋深不足

3 建设维护提升建议

3.1 建设提升建议

为有针对性地提高海缆保护强度，综合考虑海缆建设工期及成本因素，建议在以下几个方面对建设标准进行提升。

1)确保埋设深度达到并超过工程要求值。

①建议在海缆埋设时，施工埋设犁的设计最大埋设深度应大于工程目标埋设深度。在实际海缆施工中，由于各种外界因素，埋设深度一般达不到埋设犁的最大埋深，例如使用设计埋深为3m的埋设犁，埋设深度一般也只能达到2m多。因此通过使用设计埋深更大的埋设犁，可以明显提升埋设深度。

②建议根据不同底质采用冲埋和切割不同埋设方式，对于沙质海床采用冲埋式埋设，对于泥质(包括黏土质)海床采用切割式埋设。这要求埋设犁应同时具备冲埋和切割的两种施工能力。

③当埋设深度达不到3m时，施工船的埋设速度应降低至每小时300m，如采用切割式埋设犁，埋设犁的拖曳张力应不小于45吨。通过降低船速并保证埋设犁的拖曳张力，可以从一定程度上证明埋设犁深入海床并有效进行埋设。

2)提高故障高发段落埋深要求。

不同类型的整容者对自身的审美是不一样的，有自信的整容者会根据自己的需求进行小的“修补”，例如嫩肤和祛斑。而很多整容者并不知道自己确切的要求，他们往往走进整容医院会跟医生说“我先要高圆圆的鼻子”甚至“给我整成吴亦凡的样子”，这样的审美意愿往往来自于对明星的盲目追求，或者说是对大众审美的屈服。

建议海底光缆路由应当尽量避免穿越渔业活动、航道、习惯性锚地等故障高发地段，实在无法避免的，海缆在穿越航道、习惯性锚地等故障高发地段时埋设深度不宜小于5m。目前在国标中只规定“在5m～150m水深海域，海底光缆的埋设深度不宜小于3m”，但实际埋深无法保证，帆张网2.5m的刺入深度会对海缆造成损害。通过提升埋深要求，以达到提升埋设深度，避免海缆故障的目的。

3)在成本允许的情况下，增加故障高发处后填埋作业要求。

如图5所示，对于泥质海床，水深50～80m的故障多发处可考虑使用专用船进行垂管砂石注填缆沟保护，以避免由于自然回填慢导致埋深不足的情况，本保护方式成本过高，应谨慎采用。建议今后出现有效降低施工成本的施工方案，以促进此类保护方式的应用。

图5 垂管砂石注填作业示意图

3.2 维护提升建议

海缆竣工后应通过针对性强的维护、维修手段提升海缆的保护强度，建议综合考虑维护成本和可实施性，在以下几个方面对海缆的维护进行提升。

1)在禁渔期结束后以及重点保障阶段，通过日常巡检对故障高发地段的海缆路由进行巡查和维护，及时劝离危及海底光缆安全的船只，确保海底光缆安全畅通。

2)通过海缆路由船舶动态监测系统，对海缆路由上的海底光缆埋设的2海里范围内船只进行监测，对准备抛锚的船只发送警告，必要时安排船只前往驱赶。

3)针对海缆故障多发段、频发段，可酌情考虑采用回收重埋或路由改道等方式增加对海缆的保护，在回收重埋或路由改道时应根据维修缆长、水深等条件尽可能多地使用埋设犁对维修段落进行3m埋设，再使用埋深能力3m、功率不小于600匹马力的水下机器人(ROV)进行其余段的后冲埋工作。

4)光缆施工一般是利用潮流等动力作用将埋设沟中的光缆自然回填掩埋，光缆路由与潮流方向相同时，填埋速度较慢,因此在海缆施工刚结束的一段时间内往往容易发生故障。因此对于刚竣工的海缆要加强维护，以确保海缆的安全运行。

4 结语

我国海域海缆故障发生率较高，海缆故障维修时间长，对通信安全造成较大影响，希望海缆建设、施工企业能够在以下几个方面共同推动海缆建设、维护水平的提升。

1)使用埋设深度更大的埋设犁。

建议在海缆埋设时，施工埋设犁的设计最大埋设深度应大于工程目标埋设深度，保证埋设深度达到并高于工程目标，并且没有大幅度增加建设成本。

2)使用大功率ROV进行后冲埋。

水下机器人(ROV)用于海缆施工以及维修后冲埋，目前大多数ROV只具备1.5m的埋深能力，建议采用大功率ROV，达到3m的埋设能力，从而解决海缆维修后埋设不够而引起的再次故障问题。

3)降低后填埋作业施工成本。

后填埋作业使用专用船进行垂管砂石注填缆沟保护，可以解决海缆埋设后自然回填效果不好的问题，但由于采用专用船只以及砂石的运输，目前成本较高，很难大规模使用，希望业界能采取有效措施，降低施工成本。