毛建輝， 張志剛， 袁舟龍

(1.中國船舶及海洋工程設計研究院， 上海200011； 2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司 舟山供電公司， 浙江 舟山 316000)

0 引 言

隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展，近海大陸架海底石油和天然氣不斷被發(fā)現(xiàn)并開采，海上風電場建設如火如荼地進行，無人島嶼或基礎設施薄弱的島嶼也被開發(fā)利用，海底電纜的應用越來越廣泛。特別是隨著信息互聯(lián)網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，為適應遠距離、高電壓等級電力輸送及光纜通信的需要，大截面、大長度的海底電纜的需求日益增加，因此對海纜施工船的要求也越來越高。船舶吃水、載纜量、海纜作業(yè)裝備等關(guān)鍵設備的性能將直接影響海纜施工的質(zhì)量和效率。

專業(yè)的海纜施工船作為海上電纜、光纜以及光電復合纜敷設及維修的特種工程船舶，在我國海纜施工工程中比較稀缺。介紹一型專業(yè)海纜施工船“啟帆9號”的自主研發(fā)設計，其船型特點和相對完善的海纜作業(yè)設備能滿足目前我國近海海纜工程建設的實際需求和未來發(fā)展趨勢的要求。

1 海纜敷設作業(yè)特點

海纜敷設一般分為3個階段即首端上岸、中間段敷設和終端上岸[1]。其中，中間段敷設階段(見圖1)作業(yè)最為復雜，也是海纜敷設的重點和難點。在敷設過程中，要求海纜船不偏離預定路由，同時確保海纜始終保持應有的張力，這就要求海纜船在敷設過程中不僅能抵抗風浪流的作用力，還能將敷設速度控制在20～60 m/min[2]。海纜入水角是海纜敷設張力、放纜速度和航速的綜合反映。當作業(yè)水深為幾米至幾十米之間時，海纜在敷設過程中應保持入水角45°～60°才能使剩余海纜敷設張力適中、不會打結(jié)[2]。當放纜速度過快時，海纜入水角成90°，則海纜可能在水底形成圈結(jié)或因彎曲半徑過小而損壞[2]。當放纜速度過慢時，則海纜可能因張力過大而損壞。在敷設海纜時，由于受海床高低起伏、水深、潮流等影響，有效控制船速使其與海纜釋放速度相匹配才能避免海纜損壞，并保證埋設機具的安全。因此，放纜速度與船速之間的關(guān)系在海纜敷設作業(yè)中非常關(guān)鍵，即船舶的動力定位系統(tǒng)(或錨泊定位系統(tǒng))與海纜作業(yè)系統(tǒng)必須協(xié)調(diào)一致。

圖1 海纜敷設作業(yè)

2 海纜施工船主要參數(shù)

該船是一艘非自航、方駁型的海纜施工船(見圖2)，其配置有牽引絞車系統(tǒng)、8點錨泊定位系統(tǒng)、動力定位DP-1系統(tǒng)，作業(yè)海域為我國近海，主要用于海上風電場的海纜敷設、島嶼間互聯(lián)供電以及海纜維修等，也可用于其他海洋工程。具體船型參數(shù)如表1所示。

圖2 5 000 t海底電纜施工船

表1 船型參數(shù)

3 海纜施工船基本配置及功能

該船基本配置及功能如下：

(1) 主甲板中部配置電纜轉(zhuǎn)盤，可滿足5 000 t海纜的裝載要求。

(2) 配置1套水噴式埋設機用于海纜的敷設。最大敷設海纜直徑300 mm，埋設深度0～3.5 m。

(3) 配置1臺門型吊架收放裝置以及收放絞車，用于埋設機收放。

(4) 主甲板中前部配置海纜敷設作業(yè)線，主要采用橫向出纜作業(yè)方式，包括電纜盤裝置、過纜橋、滾輪裝置、布纜機、線纜入水槽、輔助絞車等設備，同時預留縱向出纜作業(yè)方式。

(5) 主甲板中后部配置海纜接續(xù)作業(yè)區(qū)，包括拉纜絞車、凈化房和滾輪裝置等，其中凈化房為可移動設備。

(6) 在主甲板海纜接續(xù)作業(yè)區(qū)配置1臺電液驅(qū)動全回轉(zhuǎn)起重機，用于設備材料裝卸、海纜吊卸，輔助開展海纜接續(xù)作業(yè)。

(7) 在主船體機艙內(nèi)配置4臺主柴油發(fā)電機組和1臺停泊發(fā)電機組組成船舶主電站以滿足海纜敷設、接續(xù)等工況下的用電需求。

(8) 在主船體內(nèi)部四周配置8臺錨絞車用于錨泊定位作業(yè)，配置2臺牽引錨絞車用于牽引作業(yè)。

(9) 配置動力定位DP-1系統(tǒng)，可滿足定點作業(yè)、沿設定路由敷設海纜的要求；采用4臺甲板懸掛式全回轉(zhuǎn)舵槳作為動力定位的推進器。

(10) 在主甲板艏部配置60人的居住艙室。

(11) 在主甲板空閑位置預留2個標準集裝箱位置，便于未來增設無人遙控潛水器等拓展功能。

4 主要海纜作業(yè)設備

(1) 電纜轉(zhuǎn)盤。該船最大的作業(yè)對象為500 kV超高壓電纜[3]，該電纜的截面直徑和剛度較大，彎曲半徑也較大。電纜在敷設前盤繞在圓形的電纜盤內(nèi)會產(chǎn)生內(nèi)在的旋轉(zhuǎn)扭力，每盤1圈就增加1圈旋轉(zhuǎn)扭力，在海纜敷設時需將這種旋轉(zhuǎn)扭力釋放，否則會損壞海纜。根據(jù)5 000 t電纜裝載量測算得到電纜盤最大直徑約26 m、19層[4]，此時電纜上的旋轉(zhuǎn)扭力非常大，如果采用常規(guī)退扭架形式釋放扭力，退扭架高度將達到30 m左右，非常龐大而笨重，甲板布置將十分困難，并且以這種方法不能實現(xiàn)完全退扭，海纜上仍有殘余的旋轉(zhuǎn)扭力。因此，考慮采用電纜轉(zhuǎn)盤的形式，轉(zhuǎn)盤內(nèi)徑約5 m、外徑約26 m，可一次性裝載5 000 t的海纜，最大出纜速度約20 m/min。由電機驅(qū)動轉(zhuǎn)盤，以敷設海纜的速度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，將海纜從電纜轉(zhuǎn)盤中釋放入海，這樣就能實現(xiàn)完全退扭。

電纜盤裝置主要由電纜盤、驅(qū)動系統(tǒng)、活動導纜架、出纜牽引機、固定導纜架、滾輪裝置、電氣控制系統(tǒng)等組成。電纜盤整體由回轉(zhuǎn)軸承定位，托盤重量由約200套支承輪組支撐，所有支承輪組由重型環(huán)形鋼軌支撐。交流變頻電機驅(qū)動電纜盤旋轉(zhuǎn)，電纜轉(zhuǎn)盤控制系統(tǒng)實現(xiàn)電纜盤和布纜機的收放速度與船速保持一致。

(2) 布纜機[5]。設置1臺雙向履帶式布纜機，可正反向運行，最大牽引速度為20 m/min。

(3) 埋設機[5]。設置1臺水噴式埋設機，采用邊敷邊埋的施工方式[6]。利用埋設機上高壓水的沖擊力，在海底切開一道深度約0.5～3.0 m的溝槽，待電纜埋設到溝槽后，周圍海底泥土回填形成天然保護。高壓水可采用船上供水或水下泵供水兩種形式。該埋設機的適應工作水深為0.8～100.0 m，適應土質(zhì)為黏土(承載力特征值小于80 kPa)及各種砂，適應的海纜直徑為50～300 mm。該埋設機帶有監(jiān)控系統(tǒng)，可對埋設機的水下作業(yè)工況、姿態(tài)進行實時監(jiān)測，并對埋設機的各種數(shù)據(jù)進行實時采集、處理。埋設機的動力/控制等通過臍帶纜與海纜施工船進行聯(lián)絡。

(4) 門型吊架及埋設機收放絞車。船舷側(cè)設有1套門型吊架和1臺收放絞車，用于水噴式埋設機的起吊收放。

(5) 埋設機拖帶絞車。設置1臺埋設機拖帶絞車，用于埋設作業(yè)時牽引埋設機前進。

(6) 高壓沖水系統(tǒng)及軟管絞車。該船配置3臺高壓沖水泵組(2用1備), 采用船上供水時，通過船底的海底門吸水，向埋設機供水。設置2臺水下泵變壓器，采用水下供水時，將船上的低壓電轉(zhuǎn)換為高壓電供給埋設機的水下泵使用。

(7) 接續(xù)維修設備。在主甲板尾部設置海纜接續(xù)作業(yè)線，包括凈化房、線纜導向槽、線纜牽引絞車、線纜導向架及導向滾輪等，其中凈化房為可移動式集裝箱，內(nèi)有凈化實驗室，主要用于海纜接續(xù)作業(yè)。

5 總體設計特點

5.1 淺吃水船型

該船主要用于近沿海海纜敷設、島嶼供電等，作業(yè)水域水深較淺，作業(yè)距離相對較近，不需要遠距離航渡，因此考慮采用非自航的平底方駁船型。首先，方駁船型的方形系數(shù)較大，在同等尺度下船舶吃水較小，有利于在淺水區(qū)開展作業(yè)；其次，在海上風電場的潮間帶作業(yè)時，平底方駁船型能夠滿足臨時坐灘的要求；再次，艏艉帶簡單切角的方駁船型有利于安裝甲板懸掛式舵槳；最后，方駁船型結(jié)構(gòu)簡單，便于建造，有利于縮短建造周期。

此外，整個海纜裝載區(qū)(26 m電纜轉(zhuǎn)盤)和布纜作業(yè)區(qū)、接續(xù)作業(yè)區(qū)都位于艏樓之后的露天甲板上(見圖2)，開闊的作業(yè)甲板能使海纜作業(yè)流程更順暢，施工設備布置更合理，并可進一步提高現(xiàn)場作業(yè)人員的工作效率和安全性。生活區(qū)與作業(yè)區(qū)分開，也有利于提高人員生活的舒適性。

5.2 集中大載荷下的船體結(jié)構(gòu)設計

由于船中5 000 t電纜載荷非常大而且集中，因此對船舶的總縱強度和局部強度要求比較高，再加上電纜轉(zhuǎn)盤對該處船體結(jié)構(gòu)的剛度和變形的要求也非常高，因此船中處的船體結(jié)構(gòu)成為本船結(jié)構(gòu)設計的關(guān)鍵。通過有限元分析方法，在考慮5 000 t電纜載荷的同時，疊加船體本身的總縱彎曲應力，不僅成功解決了大裝載量下大范圍圓形軌道承載的結(jié)構(gòu)設計問題，還優(yōu)化了船體結(jié)構(gòu)設計，保證在各種工況下均能為電纜裝載提供強有力的支撐。

5.3 敷設多種作業(yè)對象的能力

本船船中設置直徑26 m的電纜轉(zhuǎn)盤，可滿足不同直徑(Φ50 mm～Φ300 mm)的電纜、復合海光纜、小直徑的油水軟管等的裝載要求，同時還可滿足國內(nèi)最高電壓等級500 kV的交聯(lián)聚乙烯海纜長距離(50 km)一次敷設、不用接續(xù)的要求，既加快了海纜敷設作業(yè)的速度，也提高了整個海纜輸電工程的安全性。

5.4 多種海纜作業(yè)方式

主甲板海纜作業(yè)區(qū)分為3個區(qū)域：電纜裝載區(qū)(電纜轉(zhuǎn)盤)、布纜作業(yè)區(qū)、接續(xù)作業(yè)區(qū)，如圖3所示。

圖3 海纜作業(yè)區(qū)布置

電纜轉(zhuǎn)盤前部的布纜作業(yè)區(qū)布置1條海纜敷設作業(yè)線，包括電纜盤裝置、布纜機、線纜入水槽、埋設機收放裝置、高壓沖水系統(tǒng)、供水軟管絞車等；電纜轉(zhuǎn)盤后部布置1條海纜接續(xù)作業(yè)線，包括凈化房、線纜導向槽、線纜牽引絞車、線纜導向架及導向滾輪等。根據(jù)作業(yè)流程，合理布置各海纜作業(yè)設備，可1次完成電纜敷設、打撈、接續(xù)作業(yè)。

此外，在我國沿海島嶼附近(如舟山地區(qū))對船舶定位能力影響最大的外載荷中的流載荷(即水流力)主要由潮汐引起，沿島嶼岸線流動，當在島嶼間進行海纜作業(yè)時，船體縱向盡可能平行于島嶼岸線方向，可減少水流力對船體的影響，即埋設作業(yè)方向與水流方向垂直，因此該船考慮采用橫向布纜作業(yè)方式，并預留縱向布纜作業(yè)方式。

5.5 多種定位方式組合

在海纜施工前通常需進行專門的海底調(diào)查，以選擇適合海纜敷設作業(yè)的路由區(qū)域，并據(jù)此進行海纜路由具體走向設計。海纜船進行敷設或埋設作業(yè)需要沿預設路由，此時要求船舶配置自動航跡跟蹤系統(tǒng)，以使埋設線路精確、耗費海纜少、作業(yè)周期短。由于海纜埋設是連續(xù)作業(yè)的過程，一條纜線的埋設往往需要幾天、十幾天甚至幾十天，在這個過程中風浪流等海況條件變化復雜，為保證作業(yè)安全，要求船舶具有較強的定向埋設能力。

由于海纜船在進行海纜接續(xù)維修作業(yè)時，需要在海上制作海纜接頭，該作業(yè)要求極其嚴格，且1次接頭作業(yè)往往需要1天或數(shù)天時間才能完成，為防止纜線在水中纏繞或被拉扯，在這個過程中要求船舶保持原位不動，并保持一定的艏向角。因此，為保證海纜接頭作業(yè)的順利進行，要求船舶具有較強的定點定位能力。

為提高海纜作業(yè)能力，保證海纜作業(yè)安全，該船設置2套定位系統(tǒng)，包括8點錨泊定位系統(tǒng)和動力定位DP-1系統(tǒng)。其中：錨泊定位系統(tǒng)具有可靠性高的優(yōu)點，但操作相對比較麻煩，耗時較長；動力定位DP-1系統(tǒng)具有操作簡便、作業(yè)效率高的優(yōu)點，但經(jīng)濟性和可靠性沒有錨泊定位系統(tǒng)高。

此外，該船還設置了2套牽引絞車系統(tǒng)(1用1備)，首創(chuàng)錨泊定位系統(tǒng)加單點牽引絞車系統(tǒng)(8+1)的施工作業(yè)模式，以8×1 000 m的鋼絲繩預拋錨埋設方式實現(xiàn)1次連續(xù)布纜8 000 m,或根據(jù)路由情況模塊化自由組合各種預拋錨長度，以提高埋設作業(yè)效率。

在進行海纜敷設作業(yè)時：當海況條件較好時，可采用動力定位系統(tǒng)或單點牽引絞車系統(tǒng)進行布纜作業(yè)，此時作業(yè)效率較高；當海況條件較差時，則需要4點或8點錨泊定位系統(tǒng)加單點牽引絞車系統(tǒng)才能作業(yè)；當遇到惡劣海況無法作業(yè)，但船舶仍需保持在原地時，就需要8點錨泊定位系統(tǒng)使船舶定位在某一范圍內(nèi)，等海況條件改善后才能繼續(xù)作業(yè)。在進行海纜接續(xù)作業(yè)時，可采用4點或8點錨泊定位系統(tǒng)進行定點定位，也可采用動力定位系統(tǒng)進行定點定位。

綜上所述，該船配置的多種組合定位方式可大幅提高海纜作業(yè)的環(huán)境適應性，增加作業(yè)窗口期。

根據(jù)實際作業(yè)需要，針對常用的動力定位DP-1系統(tǒng)，對在風速13.8 m/s、有義波高1.5 m、流速3 kn/4 kn海況條件下海纜船的動力定位能力進行計算。其中，動力定位的推進器選用4臺1 800 kW全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，如圖4所示，每臺最大推力約275 kN。

圖4 動力定位計算的坐標系統(tǒng)和推進器布置圖

布纜時的抗風能力曲線(考慮埋設機拖曳力的影響)如圖5所示，接續(xù)作業(yè)時的抗風能力曲線(不考慮埋設機拖曳力的影響)如圖6所示。

圖5 布纜工況的抗風能力

圖6 接續(xù)工況的抗風能力

由圖5和圖6可知：在流速4 kn、有義波高1.5 m、平均風速13.8 m/s時，動力定位系統(tǒng)在布纜工況下能實現(xiàn)290°的定位(在50°～120°范圍內(nèi)可通過牽引絞車系統(tǒng)提高船舶定位能力),在接續(xù)作業(yè)工況下可實現(xiàn)全方位定位；在流速3 kn、有義波高1.5 m、平均風速13.8 m/s時，動力定位系統(tǒng)在布纜和接續(xù)工況下均可實現(xiàn)全方位定位。

5.6 智能海纜作業(yè)系統(tǒng)

該船設置全景式中央控制室，布置在艏部甲板室頂部，四周視線良好，能滿足多個工作面的觀察需要。

布纜作業(yè)控制系統(tǒng)、錨泊定位控制系統(tǒng)、動力定位控制系統(tǒng)、電視監(jiān)控系統(tǒng)和船舶集成控制系統(tǒng)等[7]作業(yè)控制臺都集中布置在中央控制室內(nèi)，便于操作人員之間配合協(xié)調(diào)，有利于整個布纜作業(yè)順利進行。

布纜作業(yè)控制系統(tǒng)[8]主要包括埋設機監(jiān)控系統(tǒng)和電纜轉(zhuǎn)盤監(jiān)控系統(tǒng)：通過埋設機監(jiān)控系統(tǒng)，可對埋設機的水下姿態(tài)進行實時監(jiān)測；通過電纜轉(zhuǎn)盤監(jiān)控系統(tǒng)，可協(xié)調(diào)船舶的牽引速度和電纜轉(zhuǎn)盤速度，控制海纜的入水角度以及敷設張力，避免由于彎曲半徑過小或張力過大而損傷海纜。錨泊定位控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對整套錨泊系統(tǒng)的自動控制，具有錨索張力顯示、拋出錨索長度顯示、錨索收放速度顯示等功能。動力定位控制系統(tǒng)通過對全船4臺柴油機驅(qū)動的甲板懸掛式全回轉(zhuǎn)舵槳進行控制，可實現(xiàn)海纜敷設時的自動跟蹤和接續(xù)時的定點定位。電視監(jiān)控系統(tǒng)能24 h監(jiān)視主甲板作業(yè)區(qū)域及重要機械處所的工作實況，便于人員觀察。船舶集成控制系統(tǒng)由功率管理系統(tǒng)、監(jiān)測報警系統(tǒng)、閥門遙控及液位測量系統(tǒng)等組成，能滿足對船舶整體的監(jiān)控需求。這些作業(yè)控制系統(tǒng)不僅能提高海纜作業(yè)質(zhì)量和效率，減輕人員勞動強度，也大幅增加了海纜作業(yè)的安全性。

5.7 新造船首次采用中速柴油機驅(qū)動甲板懸掛式全回轉(zhuǎn)舵槳

該船采用甲板懸掛式全回轉(zhuǎn)舵槳作為動力定位的推進器，布置非常靈活、方便，只需占用一小部分甲板面積，而對船體內(nèi)部布置沒有任何影響。采用定距槳，通過柴油機調(diào)速改變輸出功率，結(jié)構(gòu)簡單，成熟可靠。盡管需要在潮間帶作業(yè)，但不考慮起翹，推進器采用固定式安裝，技術(shù)成熟，可靠性高。推進器的動力集裝箱內(nèi)的輔助設備盡量由箱內(nèi)的柴油機驅(qū)動，簡化對外接口。

該船是國內(nèi)首次采用中速機模塊化安裝和系統(tǒng)集成的海纜施工船，為今后類似船舶的加改裝設計提供新的技術(shù)方案。

5.8 潮間帶作業(yè)能力

為滿足海上風電場建設的需要[9]，該船具有在潮間帶臨時坐灘的能力。主船體采用雙層底，底部板厚和骨架等船體結(jié)構(gòu)強度滿足臨時坐灘的要求。推進器的最低點與船底基線有一定距離，以避免坐灘時被損壞。機艙冷卻系統(tǒng)采用中央淡水冷卻與風冷相結(jié)合的方式，為生活服務的機電設備均采用風冷冷卻(以滿足坐灘時人員的生活需要)，為作業(yè)服務的機電設備采用中央淡水冷卻?？照{(diào)壓縮冷凝機組和冷藏裝置均采用風冷冷卻。

5.9 節(jié)能減排

該船電站由4臺主發(fā)電機和1臺停泊發(fā)電機組成，所有的機電設備和海纜作業(yè)設備全部由主電站通過電機或液壓電機驅(qū)動，這樣就可根據(jù)不同使用工況投入不同數(shù)量的發(fā)電機組，通過合理分配電力，既達到節(jié)能減排的效果，又提高系統(tǒng)的可靠性和整船的經(jīng)濟性。

6 結(jié) 語

海纜施工船的船型設計和作業(yè)設備配置與海纜施工作業(yè)流程緊密相關(guān)，所有的設計應緊緊圍繞作業(yè)系統(tǒng)展開，因此在設計時需充分與船舶所有人溝通交流，以發(fā)揮海纜船的最大效能，滿足實際施工作業(yè)的需要。

該船于2018年10月投產(chǎn)后，在舟山500 kV交聯(lián)聚乙烯海纜敷設工程中作為主施工船首次投入使用，在敷設過程中提供了有力的裝備支撐。