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        基于DP系統(tǒng)和固定式纜筐的電纜鋪設(shè)技術(shù)

        2023-10-16 08:50:42轉(zhuǎn)
        關(guān)鍵詞:海纜鋪設(shè)吊裝

        郭 飛 楊 轉(zhuǎn)

        (1.貝克休斯石油天然氣設(shè)備(北京)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518000;2.深圳海油工程水下技術(shù)有限公司,廣東 深圳 518000)

        隨著全球石化能源的枯竭和人類對(duì)電力需求的不斷增加,全球掀起發(fā)展新能源熱潮,而海洋領(lǐng)域的能源開發(fā)更是備受關(guān)注,如海上風(fēng)機(jī)發(fā)電、海洋潮汐能以及天然氣發(fā)電等[1]。我國(guó)擁有豐富的海上風(fēng)能資源,研究表明,世界上80%的海上風(fēng)資源位于水深超過60m 的海域,因此深遠(yuǎn)海發(fā)展?jié)摿薮骩2]。為了充分開發(fā)、利用海上風(fēng)資源,漂浮式海上風(fēng)電將成為未來重點(diǎn)開發(fā)方向,這也意味著我國(guó)對(duì)海上風(fēng)電施工船舶的需求持續(xù)走強(qiáng),海上風(fēng)電向深遠(yuǎn)海、大兆瓦風(fēng)機(jī)發(fā)展,國(guó)內(nèi)大型施工裝備也在提早布局。

        海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電之后向陸地輸送電力并升壓并網(wǎng),海底電纜可以有效傳輸海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能,海底電纜鋪設(shè)是海上風(fēng)電項(xiàng)目的重要組成部分,涉及的主要施工裝備為電纜鋪設(shè)船及與鋪設(shè)方法相對(duì)應(yīng)的電纜鋪設(shè)裝備。根據(jù)施工船舶定位方式的不同,電纜鋪設(shè)船分為拋錨船和動(dòng)力定位系統(tǒng)的DP 船。拋錨船受拋錨作業(yè)限制,只適用于水深較淺的區(qū)域進(jìn)行作業(yè),不適用于深水作業(yè)。DP 船的適用范圍較廣,但是大部分具有DP 系統(tǒng)的船舶不具有承纜的專用設(shè)備。電纜鋪設(shè)作業(yè)通常涉及幾百噸乃至幾千噸,為節(jié)約船天,提高施工效率,通常會(huì)考慮一次性帶走所有電纜,這就要求船舶甲板具有足夠的空間,還要有足夠短的動(dòng)復(fù)員時(shí)間。因此,為解決以上問題,該文在某海上風(fēng)電電纜鋪設(shè)項(xiàng)目中,針對(duì)不含電纜鋪設(shè)裝備的某DP 系統(tǒng)工程船設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易的適用于DP 系統(tǒng)船的電纜鋪設(shè)設(shè)備,以滿足項(xiàng)目海上風(fēng)電電纜施工的需求。

        1 基于DP系統(tǒng)和固定式纜筐的大型施工船優(yōu)越性

        1.1 精準(zhǔn)定位、高效施工

        DP 系統(tǒng)工程船具有自動(dòng)定位和航向自動(dòng)保持的動(dòng)力定位系統(tǒng),能在最大環(huán)境條件下,使船舶的位置和航向保持在限定范圍內(nèi)。在施工過程中,具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性,可以快速的移動(dòng);天氣突變時(shí)可以快速響應(yīng),能夠很好的保障船舶穩(wěn)定性和施工安全性。與拋錨施工船相比,具有較高的施工精度,同時(shí)避免走錨刮蹭海纜等現(xiàn)象。

        1.2 實(shí)用性強(qiáng)、靈活性高

        鋪設(shè)系統(tǒng)采用固定式纜筐和退扭塔退扭系統(tǒng)進(jìn)行退扭,各設(shè)備整體預(yù)制,整體吊裝,能夠顯著減少常規(guī)分塊預(yù)制需要在甲板上組裝焊接的時(shí)間,節(jié)約動(dòng)復(fù)員時(shí)間。該套系統(tǒng)可以快速安裝、重復(fù)利用,還可以針對(duì)不同項(xiàng)目需求和船舶類型重新設(shè)計(jì),具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

        1.3 成本低、經(jīng)濟(jì)效益好

        固定式纜筐不存在任何驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)元件,不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械故障,便于維保,并且纜筐整體質(zhì)量較輕,甚至是同直徑旋轉(zhuǎn)式卷盤質(zhì)量的十分之一,船舶自身吊機(jī)即可完成整體吊裝作業(yè),成本較低。

        2 DP 系統(tǒng)工程船

        在海上風(fēng)電場(chǎng)中,布置風(fēng)電機(jī)組時(shí)一般遵循最大限度利用風(fēng)能資源的原則,同時(shí)還應(yīng)盡量降低風(fēng)力機(jī)之間的尾流影響,因此布置海纜路由時(shí)應(yīng)特別注意,施工要嚴(yán)格按照規(guī)劃的路由施工。目前海上風(fēng)電電纜鋪設(shè)施工船多為駁船改造,無動(dòng)力定位系統(tǒng),無法實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)路由的精準(zhǔn)定位。風(fēng)電行業(yè)進(jìn)軍深遠(yuǎn)海開發(fā)漂浮式風(fēng)電資源,更迫切地需要基于DP 系統(tǒng)的大型作業(yè)船。

        DP 系統(tǒng)即動(dòng)態(tài)位置保持系統(tǒng),根據(jù)定位需求與效果不同,可分為DP1、DP2、DP3 共3 個(gè)級(jí)別。DP3 是國(guó)際海事組織的最高動(dòng)力定位級(jí)別,是走向深海不可或缺的核心關(guān)鍵裝備,其精度最準(zhǔn),抗風(fēng)險(xiǎn)能力最強(qiáng),效果最好。該文涉及的某工程船具有DP3 動(dòng)力定位系統(tǒng),同時(shí)搭載2 臺(tái)ROV,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高可靠定位、路由預(yù)調(diào)查、施工監(jiān)測(cè)及作業(yè)、路由后調(diào)查等多種功能,能夠保障海上施工的準(zhǔn)確性及安全性。

        3 系統(tǒng)化海纜鋪設(shè)設(shè)備

        某工程船船側(cè)入水甲板布置圖如圖1所示,具有海纜鋪設(shè)、挖溝保護(hù)海纜等多種功能。該系統(tǒng)化鋪設(shè)設(shè)備主要由固定式纜筐、退扭塔、垂直導(dǎo)向、下懸導(dǎo)向、輪胎式張緊器以及回轉(zhuǎn)式裝載臂等組成,如圖2所示。各個(gè)設(shè)備均可整體吊裝,快速完成裝船固定,適用于各種海纜鋪設(shè)項(xiàng)目。

        圖1 某DP 船電纜鋪設(shè)甲板布置圖

        圖2 系統(tǒng)化高效倒纜設(shè)備

        3.1 大型海纜裝載裝備

        3.1.1 裝備選型

        裝載海底電纜的大型裝備常用的有2 種形式,即旋轉(zhuǎn)式卷盤和固定式纜筐[3]。采用旋轉(zhuǎn)式卷盤以實(shí)現(xiàn)退扭的方式存在以下不足:1)設(shè)備采辦周期較長(zhǎng),不適合作為項(xiàng)目設(shè)備采購(gòu),通常作為公司資產(chǎn)采購(gòu),采辦周期難以匹配項(xiàng)目需求。2)需要驅(qū)動(dòng)裝置及配套的液壓動(dòng)力站、控制間等,占用甲板空間。3)自身重量較大,目前常見的旋轉(zhuǎn)式卷盤一般約500t 左右,整體吊裝風(fēng)險(xiǎn)較大,而且裝卸船需要外租浮吊船吊裝。4)動(dòng)復(fù)員時(shí)間長(zhǎng),底座及驅(qū)動(dòng)裝置需要在碼頭組裝后整體吊裝上船,每次裝卸后需要重新調(diào)試。5)總成本高,旋轉(zhuǎn)式卷盤的設(shè)備成本和較長(zhǎng)的施工周期都增加了項(xiàng)目總成本。與之相比,固定式纜筐通常結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易,能夠快速安裝,目前通常采用分塊預(yù)制的設(shè)計(jì)理念,將其分別吊裝至目標(biāo)船舶后在甲板上進(jìn)行組裝焊接,但該方式動(dòng)復(fù)員時(shí)間長(zhǎng),而且現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量較大。

        3.1.2 裝備設(shè)計(jì)

        該文項(xiàng)目選擇成本較低的固定式纜框?yàn)殡娎|裝載設(shè)備,并采用整體吊裝設(shè)計(jì)。纜筐外徑16m,內(nèi)徑6m,高4.4m,自重75t,最大裝載量1690t,如圖3所示。風(fēng)電電纜一般有多種規(guī)格,并有明確的安裝順序,因此纜筐設(shè)計(jì)為2 個(gè)隔艙,以裝載不同規(guī)格的電纜。

        圖3 纜筐結(jié)構(gòu)形式

        根據(jù)《API RP 2A-WSD》、《DNVGL-ST-N001》規(guī)范[4-5]對(duì)纜筐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及整體吊裝進(jìn)行計(jì)算,由SACS 有限元模擬結(jié)果(如圖4所示)可知,纜筐運(yùn)輸工況下最大UC為0.94,吊裝工況下最大UC為0.65,均滿足規(guī)范要求。

        圖4 纜筐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

        3.1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        固定式纜框的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目的電纜設(shè)備參數(shù)進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì),裝備設(shè)計(jì)過程中需要考慮如下要點(diǎn):1)纜框內(nèi)徑。為保證海纜的性能,纜框內(nèi)徑的選擇應(yīng)滿足海纜最小彎曲半徑的要求。2)纜框外徑及高度。纜框外徑和高度的選擇應(yīng)根據(jù)海纜鋪設(shè)的總長(zhǎng)度和船舶甲板面積的大小進(jìn)行合理分配,考慮整體穩(wěn)定性和電纜退扭的需求,應(yīng)在甲板空間允許的情況下選擇外徑盡量大,高度盡量小,以達(dá)到降低退扭高度和承纜后的整體重心高度的目的。3)隔艙直徑及數(shù)量。風(fēng)電電纜規(guī)格種類多,對(duì)鋪設(shè)順序有嚴(yán)格的要求,應(yīng)設(shè)計(jì)合理的隔艙以滿足項(xiàng)目需求。

        3.2 回轉(zhuǎn)式裝載臂

        3.2.1 裝備選型

        固定式纜筐通常采用人工的方式進(jìn)行盤纜,這種方法耗費(fèi)人力,并且盤纜速度較慢,尤其是大截面電纜具有尺寸大、自重大的特點(diǎn),人工盤纜較困難。

        針對(duì)這一缺點(diǎn),可采用回轉(zhuǎn)式裝載臂,以適應(yīng)不同船舶倒纜需求,如圖5所示。該裝載臂為360 度回轉(zhuǎn),采用電機(jī)驅(qū)動(dòng),在控制室進(jìn)行集中控制,同時(shí)也可使用手操器進(jìn)行操控。裝載臂獨(dú)立使用時(shí)需要配置相應(yīng)的電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。與人工盤纜相比,該裝載臂能夠大幅提高盤纜/放纜速度,提高施工效率。

        3.2.2 選型要點(diǎn)

        海纜在經(jīng)過裝載臂時(shí)會(huì)產(chǎn)生90 度的方向轉(zhuǎn)變,為保證海纜性能,應(yīng)根據(jù)不同海纜的最小彎曲半徑選擇裝備臂。

        3.3 退扭系統(tǒng)

        3.3.1 裝備選型

        在倒纜過程中,通常需要一些輔助設(shè)備進(jìn)行退扭,針對(duì)固定式纜筐,常用的方法有2 種:1)吊機(jī)退扭法,即利用船舶吊機(jī)將半圓塔輪吊起一定高度,從而實(shí)現(xiàn)退扭。2)退扭塔退扭法,即利用退扭塔實(shí)現(xiàn)退扭。吊機(jī)退扭法存在施工船需要具備足夠的吊高、需要長(zhǎng)時(shí)間占用吊機(jī)以及受天氣影響較大等缺點(diǎn),而退扭塔退扭法雖存在高空作業(yè),但其能夠很好地彌補(bǔ)吊機(jī)退扭法的不足[6]。

        3.3.2 裝備設(shè)計(jì)

        一般情況下,電纜廠家對(duì)退扭高度會(huì)有一定要求,即盤纜最上層距塔架上電纜出纜點(diǎn)的最小高度為0.8OD,其中OD為纜筐外徑,或者3.14ID×60%,其中ID為纜筐內(nèi)徑。

        對(duì)退扭塔進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算,退扭塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度如圖6所示。由圖6 可知,在運(yùn)輸和吊裝工況下,最大UC分別為0.95 和0.34,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

        3.3.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        退扭塔的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下:1)設(shè)計(jì)高度。在滿足海纜退扭性能的要求下,應(yīng)選擇盡可能低的高度以滿足施工安全性。2)吊裝可行性。為減少甲板施工不走,應(yīng)結(jié)合退扭塔的高度設(shè)置合理的吊點(diǎn)以滿足整體的可行性。

        4 結(jié)語

        DP 系統(tǒng)工程船能夠有效地規(guī)避拋錨船走錨刮蹭海纜的風(fēng)險(xiǎn),保障船舶穩(wěn)定性和施工安全性。同時(shí),系統(tǒng)化電纜鋪設(shè)設(shè)備采用固定式纜筐、退扭塔退扭系統(tǒng)對(duì)海底電纜進(jìn)行退扭,解決了旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)盤采辦周期長(zhǎng)、成本高、需要驅(qū)動(dòng)裝置和不易安裝等問題。纜筐和退扭塔均可重復(fù)利用,也可針對(duì)項(xiàng)目需求重新設(shè)計(jì)建造,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠快速安裝,可有效地節(jié)約動(dòng)復(fù)員時(shí)間。該文項(xiàng)目設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化裝備滿足了海纜鋪設(shè)的需求,適用海上風(fēng)電場(chǎng)各種海纜安裝,對(duì)深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電長(zhǎng)距離電纜的安裝具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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