尉志源 毛建輝 張志剛

（1. 中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2. 浙江舟山啟明電力集團公司 舟山316000）

引 言

海底電力電纜的使用已逾百年，在近幾十年內更是得到了廣泛應用。一般而言，海底電力電纜主要用于三個領域：區(qū)域電網(wǎng)跨海域互聯(lián)、向海洋孤島及石油鉆探平臺供電、輸送海上再生能源的發(fā)電并網(wǎng)［1］。早期，海底電力電纜用于向孤立的近海設備（如燈塔、醫(yī)療船等）供電，而后便主要用于向近岸的海島供電。隨著大容量海底電力電纜的研發(fā)成功，海底電纜連接了不同國家的電網(wǎng)，如英國與法國、瑞典與德國、丹麥與瑞典、摩洛哥與西班牙、希臘與意大利之間均有電網(wǎng)連接；現(xiàn)今，近海風電場的大力發(fā)展，綠色環(huán)保的電能需要輸送至岸上電網(wǎng)，近海島嶼的大力開發(fā)以及近海石油天然氣生產(chǎn)裝置的不斷增多，海底電力電纜連接再一次成為研究熱點。另外，隨著我國“一帶一路”項目合作的不斷深入，相關海域國家在電力供給方面不斷合作，用于海底電纜工程的布纜船的需求也逐漸增多，布纜船的高速發(fā)展勢在必行。

布纜船（也稱鋪纜船）因布纜對象不同，主要分為海底電纜鋪纜船和通信光纜鋪纜船。本文主要介紹海底電纜布纜船，為區(qū)分用于鋪設通信光纜的布纜船，以下稱海纜船。海纜船設有布纜機等專用設備，是主要承擔海上敷設、打撈和檢修海底電纜的工程船舶。海纜船是電纜敷設施工作業(yè)過程中最重要的裝備，而海纜船的電纜裝載能力和鋪纜能力往往是海纜船的核心能力。在每次海纜敷設作業(yè)中，應盡可能多地鋪設完整連續(xù)電纜，減少海纜接頭數(shù)量，提高鋪纜效率，降低海纜故障風險，大幅降低海纜工程成本。對于同時敷設2條捆綁式外徑200 mm、重90 kg/m的海底電纜而言，裝載50 km海底電纜需要海纜敷設船至少有9000 t裝載能力（單回路需要2條海底電纜），因此海纜船的電纜裝載能力是決定能否承擔長距離海底電纜工程的關鍵指標，鋪纜裝備的能力和效率也成為制約海纜船作業(yè)效率的重要因素。本文將對新型的大型海纜船和海纜作業(yè)設備進行分析研究，并對未來大型海纜船的發(fā)展進行展望。

1 國內外海纜船現(xiàn)狀

1.1 國外技術現(xiàn)狀

國外海底電纜布纜船發(fā)展較早，鋪纜裝備和工藝水平較高，鋪纜方式較為專業(yè)，海纜船種類繁多且比較先進，基本能夠適應較多海域范圍內的海底電纜施工要求，尤其在長距離海底電纜敷設施工方面業(yè)績和經(jīng)驗比較多。

國外先進的海纜施工公司及海纜船主要集中在英國、挪威、美國等國家，下頁表1列出了近20年內國外主要工程公司旗下電纜裝載能力超過3000 t的海纜船。圖1-圖7為裝載能力超過5000 t的海纜敷設船。

圖1為Jan De Nul公司Isaac Newton的主要技術參數(shù)：船長138.0 m，船寬32.0 m，吃水7.0 m，轉盤電纜裝載量7400 t/4500 t，轉盤直徑27.4 m/ 23.5 m。

圖1 Isaac Newton

圖2為Oceanteam Power & Umbilical公司的NorthOcean 102主要技術參數(shù)：船長133.6 m，船寬27 m，吃水6.5 m，轉盤電纜裝載量7000 t，轉盤直徑29 m。

圖2 NorthOcean 102

表1 國外海纜船及裝載能力

下頁圖3為Prysmian公司海纜敷設船Guilio Verne主要技術參數(shù)：船長133.18 m，船寬30.48 m，吃水8.84 m，轉盤電纜裝載量7000 t，轉盤直徑25 m。

圖3 Guilio Verne

圖4為Nexans公司海纜敷設船C/S Nexans Skagerrak主要技術參數(shù)：船長112.25 m，船寬32 m，吃水5.4 m，轉盤電纜裝載量7000 t，轉盤直徑29 m。

圖4 Nexans Skaggerak

圖5為Subocean Group公司Discoverer barge主要技術參數(shù)：船長91.86 m，船寬30.5 m，吃水6.1 m，轉盤電纜裝載量5500 t。

圖5 Discoverer barge

圖6為Global Marine Systems公 司Bold Endurance號主要技術參數(shù)：船長91.86 m，船寬30.5 m，吃水6.1 m，轉盤電纜裝載量5500 t。

圖6 Bold Endurance

圖7 Ndurance

圖7為Boskalis公司Ndurance號海纜敷設船主要技術參數(shù)：船長99 m，船寬30 m，吃水4.8 m，轉盤電纜裝載量5000 t，轉盤直徑26 m。國外新型的海底電纜布纜船均適用于無限航區(qū)，海底電纜載纜量及噸位比較大，載纜量一般為3000～7000 t，敷設電纜一般采用轉動電纜盤的方式退扭，同時配備先進動力定位系統(tǒng)及海底電纜敷設施工裝備，配合長距離的海底電纜敷設施工。

1.2 國內技術現(xiàn)狀

我國在海底電纜工程建設方面起步較晚，自主建造的海纜船比較少，相比于國外先進電纜船，噸位、鋪纜裝備及能力均有較大差距。目前國內的海底電纜敷設施工船主要應用于國內沿海，作業(yè)水深較淺且噸位相對較小，定位系統(tǒng)以錨泊定位為主，鋪纜設備以傳統(tǒng)形式的埋設犁為主，難以滿足長距離、深水、大容量的海底電纜鋪設工程需要。

1976年第一艘海纜船“郵電一號” 噸位僅為1300 t，主要用于敷設和檢修海底通信電纜。隨著我國海洋經(jīng)濟發(fā)展和海洋工程技術裝備的不斷進步，以中英海底系統(tǒng)公司為代表的國內外合資海底電纜施工企業(yè)開始引進國外海纜船，但主要用于維護海底通信電纜。我國國網(wǎng)系統(tǒng)21世紀后才自主建造了“舟電7號”、“建纜1號”等海底電纜施工船，但是排水量、載纜量及鋪纜能力與國外先進的大型海底電纜施工船差距懸殊很大。

“舟電7號” 為一艘2011年建造、適用于近海的海纜船。其總長75 m，型寬15 m，型深5.5 m，設計吃水3.5 m，滿載排水量約3000 t，載纜量為1200 t，DP-1級動力定位。

“建纜1號”為一艘無動力平底方駁海纜敷埋施工船，適用于國內沿海以及淺灘作業(yè)。其總長65 m，型寬22 m，型深3.5 m，載纜量2100 t，采用錨泊定位作業(yè)方式。

國內專業(yè)海纜船由于數(shù)量較少、載纜量較低、鋪纜距離短、鋪纜效率低以及裝備能力不足，故難以承接國外訂單。雖然海纜的設計制備技術相對成熟，但是鋪纜經(jīng)驗主要是淺水區(qū)域 。另外，國內自主研發(fā)的大型海纜船數(shù)量較少，設計大型海纜船需要不斷技術攻關。

圖9 建纜1號

2 大型海纜船技術要點分析

2.1 主要特點及發(fā)展趨勢

根據(jù)對國外新建造的大型海纜船資料的深入研究，新建大型海纜船呈現(xiàn)出如下特點和發(fā)展趨勢：

（1）海纜船的裝纜量逐步增大，出現(xiàn)了裝纜量超過5000 t的大型海纜船，國外海纜船的載纜量如下頁圖10所示。主要原因是較大載纜量適應長距離海纜布設，減少海纜接頭施工，保證海纜布設的質量和縮短海上施工時間。

（2）由于海纜作業(yè)裝備集中布置模式，大型海纜船主要采用尾部甲板作業(yè)方式，鋪纜方式主要分為船尾布纜和舷側布纜兩種模式。

（3）隨著埋設電纜的需求，以及敷設理念的進步和敷設設備的發(fā)展，海纜船的敷設方式呈現(xiàn)出邊敷邊埋和先敷后埋兩種方式。

（4）大型海纜船的動力定位和航跡跟蹤系統(tǒng)已成為長距離布纜作業(yè)必備系統(tǒng)，使遠距離深海布纜成為可能；錨泊定位系統(tǒng)在作業(yè)于近海海域的鋪纜船上也較為常用。

（5）綜合電力系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)成為大型海纜船的發(fā)展趨勢，推進和動力系統(tǒng)的配置要求均比較高。

圖10 國外海纜船裝載能力圖

2.2 船型特征及作業(yè)方式

目前大型海纜船的載纜量呈現(xiàn)上升趨勢，國際上新建的大型海纜船的載纜量大多超過5000 t。船型及主尺度、總布置和作業(yè)方式也呈現(xiàn)出一定的共性特點：

2.2.1 船型及主尺度選擇

一般來說，5000噸級大型海纜船船長約為100 m，船寬約30 m，吃水約6.5 m以內；7000 t級大型海纜船船長約為130 m，船寬約30～32 m，吃水約在6.5 m以上。大型海纜船船型主要采用肥胖型，長寬比在3.0～5.0之間，船寬設計主要考慮甲板面上電纜盤的布置需求。船長設計時盡可能緊湊，降低船舶定位時受到的風浪流等環(huán)境載荷的影響。吃水選擇主要考慮作業(yè)目標區(qū)域，在滿足船舶裝載量的基礎上，盡可能降低吃水，以提高海纜船的作業(yè)范圍。

2.2.2 總布置

總布置上采用了分區(qū)設計思路，主甲板尾部主要用于鋪纜工程作業(yè)，首部作為生活居住區(qū)，充分保證船員及作業(yè)人員的居住舒適性和作業(yè)的方便性。大型海纜船均采用艏樓設計，避免了高海況下首部上浪情況，同時首部設直升機平臺也是遠洋作業(yè)的海纜船的常用設計。大型海纜船摒棄了過去小型鋪纜船首尾作業(yè)方式，取消了在主甲板上前后貫通的作業(yè)通道，基本上均采用尾部集中作業(yè)區(qū)。

裝纜方式主要由平臥式的電纜盤裝載，電纜盤主要設置在甲板面上，基本占滿船寬方向，兩舷僅保留通道寬度。電纜盤主要布置在船舯位置，避免在不同電纜裝載狀態(tài)下對船舶浮態(tài)的影響。

船舶動力及推進系統(tǒng)較多采用操縱性更好的全回轉推進裝置，基本上均具備DP2的動力定位能力，在全速調遣、定速沿軌跡敷設、定點維修海纜時優(yōu)勢明顯。

2.2.3 作業(yè)方式

大型海纜船的邊敷邊埋方式應用較多，利用大型海纜船拖曳敷埋一體機（俗稱埋纜機或埋設犁）進行挖溝和布纜時，水噴式埋纜機相比于機械式埋設犁在埋纜深度上有一定優(yōu)勢，埋纜深度約3 m［2］；先敷后埋方式在國外也逐漸開始應用，初始成本相對較高，需要智能化挖溝式水下機器人（remote operated vehicle，ROV）對敷在海床上的海纜進行挖溝，減少了海纜船偏離路線或水面波浪對臍帶纜的影響，雖然對操作方式要求更為嚴格，但是遇到惡劣海況時可以相對快速撤離。

大型海纜船逐漸摒棄了高度較高的退扭架，采用了電纜退扭釋放更加充分的電纜轉盤方式，并利用過纜橋進行配合退扭，解決了過去退扭架退扭不完全的問題。

大型海纜船注重對海底電纜的多功能作業(yè)能力，不僅注重海纜布設能力，而且進一步加強了海底電纜檢測、打撈和維修等能力。

2.3 主要性能設計

目前大型海纜船的總體性能設計時應重點考慮船舶的系柱推力、動力定位能力、穩(wěn)性，主要基于以下原因。

2.3.1 系柱推力

海纜船的系柱推力是布纜的一項重要能力，其設計能力應滿足埋纜機或ROV的拖曳要求，不僅要考慮動力定位時抵抗外載荷的能力，還要使船克服阻力保持一定布纜航速前進。因此，按照一定航速、預定軌跡、抵御一定環(huán)境條件時具備拖曳埋纜機的系柱推力是最大設計能力，該設計工況也是電站負荷的主控工況。

2.3.2 動力定位能力

海纜船需要保證船舶在海纜施工作業(yè)過程中有效地控制在準確位置上，能夠實時、準確地記錄海底電纜的軌跡方向，能夠有效控制船速，配合埋纜機或者ROV的水下作業(yè)，同時能夠抵抗外界環(huán)境干擾，奠定高效率連續(xù)作業(yè)的基礎［3］。在動力定位系統(tǒng)設計中，當風、浪、流處于船舶橫向時，船舶受力最大，而海纜船往往需要保持船位艏向或維持設定航線航行的情況，此時動力定位推力器所需功率最大，通常也是按此情況估算其功率。在各環(huán)境條件中，流速對船舶影響最大，流載荷與流速平方成正比，流載荷對船舶動力定位推進器的選擇影響頗為明顯，因此流速的設計需要仔細論證［4］。

2.3.3 穩(wěn) 性

對于大型海纜船而言，主要考慮滿載時的穩(wěn)性及抗風能力，穩(wěn)性設計標準除了滿足常用的公約及規(guī)范要求外，還需要嚴格指出大型海纜船撤離的海況條件，避免工程單位在高海況下不愿意撤離布纜作業(yè)造成的安全風險。

2.3.4 電纜盤區(qū)域的結構強度

大型海纜船的結構設計難點在于船舯電纜盤區(qū)域的結構設計。由于電纜盤在回轉過程中，需要經(jīng)過加速運動、勻速運動和減速運動［5］，對電纜盤的撓度要求較高，電纜盤撓度變化要求一般在20～30 mm。結構設計時不僅需要考慮幾千噸級的集中載荷以及高作業(yè)海況下的船體本身的總縱彎曲應力，而且還需要統(tǒng)一考慮電纜盤圓形軌道基座和船體加強的結構設計。只有不斷優(yōu)化結構設計，才能保證在各種設計工況下均能夠為電纜裝載提供強力支撐，滿足電纜盤回轉過程的變形撓度要求。

3 大型海纜船設計方案

根據(jù)本院在布纜船的設計建造經(jīng)驗積累，本文推出兩型5000噸級大型海纜船的設計方案，分別用于近海和遠海航區(qū)進行作業(yè)，其中5000 t近海作業(yè)海纜船已經(jīng)順利建造交付。兩型船設計方案簡述如下。

3.15000 t近海作業(yè)海纜船

3.1.1 船型及主要技術參數(shù)

5000 t近海作業(yè)海纜船為一艘非自航、方駁型、寬敞尾部作業(yè)甲板的大型海纜船（參見圖11），設有牽引絞車系統(tǒng)、8點錨泊定位系統(tǒng)、具備DP-1級動力定位和潮間帶坐灘能力的海上工程作業(yè)船，具備近海和淺水區(qū)域的作業(yè)能力。5000 t近海作業(yè)海纜船總長約99 m，船寬32 m，型深6.5 m，吃水2.2～4.8 m，定員為 60人。本船作業(yè)系統(tǒng)包括電纜盤裝置、過纜橋、滾輪裝置、布纜機、線纜入水槽、輔助絞車和起重機等。

3.1.2 主要技術特點

圖115000 t近海作業(yè)海纜船效果圖

（1）國內最大裝纜能力

主甲板中部設置電纜轉盤，電纜轉盤內徑約5.0 m、外徑26 m，可滿足5000 t海纜的裝載要求，為國內最大裝纜量。

（2）邊鋪邊埋的鋪纜能力

邊鋪邊埋是近海作業(yè)海纜船的作業(yè)鋪纜方式。配置水噴式埋設犁，工作水深可達100 m，最大敷埋海纜直徑300 mm，敷埋深度可達3.5 m，敷埋速度可達15 m/min，可采用船上供水或水下泵供水兩種形式。本船設1臺履帶式布纜機，張緊力100 kN，最大牽引速度20 m/min。本船設1臺60 t的門型吊架收放裝置以及收放絞車，用于埋設犁收放，另設1臺32 t的拖帶絞車用于埋設犁拖曳。

（3）多種出纜方式

采用橫向出纜作業(yè)方式，預留縱向出纜作業(yè)方式，以適應不同鋪設要求。

（4）先進的維修能力

設置海纜接續(xù)作業(yè)區(qū)，設置全回轉起重機、拉纜絞車、活動式U型架和凈化房，用以維修作業(yè)。

（5）錨泊定位和動力定位相結合

船體四周設8臺錨絞車，用于錨泊定位作業(yè)；采用4臺約1800 kW懸掛式全回轉舵槳，用于全船動力定位，定位等級DP-1，滿足定點作業(yè)、沿設定路由敷設海纜的需要。設置2臺牽引錨絞車，用于船舶牽引作業(yè)。

（6）新穎的移船方式

設2點牽引系統(tǒng)+8點定位移船系統(tǒng)組合成9點翻錨系統(tǒng)（3.3 m/min），實現(xiàn)高海況下的船舶橫向移動，大大增加海上作業(yè)的氣象窗口期，提高全年生產(chǎn)作業(yè)率。

（7）潮間帶作業(yè)能力

具備潮間帶坐灘能力。船體底部結構設計，滿足臨時擱淺要求。 機艙冷卻系統(tǒng)采用中央淡水冷卻與風冷相結合的方式，原則上為生活服務的機電設備均采用風冷，為作業(yè)服務的機電設備盡可能采用中央淡水冷卻?？照{壓縮冷凝機組和冷藏裝置均采用風冷冷卻方式。

3.25000 t遠海作業(yè)海纜船

3.2.1 船型及主要技術參數(shù)

5000 t遠海作業(yè)海纜船（圖12）著眼于國際海底電纜工程，用于深遠海海底電纜工程，能夠實現(xiàn)遠海、深水、遠距離條件下的 5000 噸級的海纜敷設、埋設、檢修、打撈等工程，具備承擔國際海底電纜工程及其他海洋工程的能力。

圖125000 t遠海作業(yè)海纜船效果圖

5000 t遠海作業(yè)海纜船為典型的海洋工程船型，具有傾斜艏部帶球艏、寬大甲板、無限航區(qū)自航、全電力系統(tǒng)以及DP-2 級動力定位，艏部為生活居住區(qū)，艉部為作業(yè)甲板區(qū)，中部為電纜堆放區(qū)，電纜區(qū)與艏樓之間為 ROV 儲存吊放區(qū)。本船總長約122.0 m，船寬30.0 m，型深9.5 m，吃水約6.0 m，電纜裝載量5000 t，航速13.5 kn，定員60人。本船作業(yè)系統(tǒng)包括電纜盤裝置、過纜橋、滾輪裝置、布纜機、線纜入水槽、輔助絞車、雙鋪纜機和起重機等。

3.2.2 主要技術特點

（1）邊鋪邊埋+先鋪后埋的鋪纜能力

配置自行式埋設犁和自航式埋纜ROV。自行式埋設犁采用機械和水噴組合式，可以敷埋同步也可以先鋪后埋，最大敷埋海纜直徑280 mm，敷埋深度可達3.3 m，最大作業(yè)水深400 m。自航式埋纜ROV埋纜深度1.5 m，最大作業(yè)水深1500 m。

（2）鋪纜、接續(xù)及檢修作業(yè)一體化

主甲板設U型電纜架、雙張緊器、起重機、A型吊、雙導纜槽的設計方案，具備尾部鋪纜、打撈、檢修能力。雙張緊器可用于深水鋪纜和打撈維修作業(yè)。

（3）動力定位系統(tǒng)

采用DP-2級動力定位系統(tǒng)，滿足定點作業(yè)、沿設定路由定航速敷設海纜的功能，抵抗外部載荷能力較強，能夠抵御6級風、1.5 m波高和3 kn流的外部載荷，實現(xiàn)完整模式下的全方位定位能力。

（4）直升機平臺

首部設直升機平臺，主要用于直升機起降，滿足遠海作業(yè)時人員換班和食品補給等需求。

4 大型海纜船技術發(fā)展趨勢

隨著海底通信電力復合電纜的快速發(fā)展，以及長距離電纜鋪設的需求，伴隨計算機技術、自動化控制技術和大數(shù)據(jù)技術的引領，未來海纜船的發(fā)展仍將迎來新的發(fā)展機遇，海纜船超大型化、模塊化、可深埋、多功能化的新的可能發(fā)展方向。

4.1 超大型化

隨著鋪纜距離的不斷延長，跨海區(qū)域的電力網(wǎng)絡的進一步連接，對海纜船的載纜量需求會進一步增大。目前NEXANS最新研制的載纜量為10000 t噸以上的遠海布纜船，總長約為150 m，動力定位為DP3級。

4.2 模塊化

模塊化是現(xiàn)代工程船的主流設計方向。采用模塊化技術，可以對海纜船所承擔的不同工作內容及工作對象進行適應性改裝，拓展工程船的作業(yè)領域和作業(yè)范圍；也可以通過快速換裝，縮短設計建造周期，降低投入成本。

4.3 深埋技術

對于常規(guī)淺層地表土的海纜敷設工程，邊鋪邊埋技術已經(jīng)相對成熟。但是，過去對淺水地段的海纜敷設采取了埋深較淺或不埋的方式，非常容易發(fā)生它船拋錨拉壞。隨著對海纜工程可靠性的逐步提高，提高了對海纜埋深的要求，深埋技術仍然是海纜敷設的發(fā)展方向。但是對于硬質海床敷埋作業(yè)，仍然是大型海纜船亟需解決的難題。

4.4 多功能化

隨著海底電纜的敷設量日益增多，老舊海纜發(fā)生故障的頻率也不斷提升，對海纜船在故障檢測和維修的需求逐漸增多，往往需要大型海纜船攜帶更多的中繼器，更強的海底掃測能力，去適應海底剪斷、水下作業(yè)和打撈能力，使得大型海纜船的作業(yè)功能更加全面。