海上風(fēng)電場(chǎng)35kV海纜抽拉工藝研究

張?jiān)迄i 黃 鑫 馬慶林 丁永海 鐘任歡

（深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

為了應(yīng)對(duì)氣候環(huán)境的變化，倡導(dǎo)地球和人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展，世界能源正向著低碳化、無(wú)碳化的發(fā)展模式轉(zhuǎn)型。可再生能源在未來(lái)非化石能源結(jié)構(gòu)中的地位快速上升，將成為未來(lái)增長(zhǎng)最快的能源。其中風(fēng)電是可再生能源發(fā)電的“主力軍”，而海上風(fēng)電將成為未來(lái)風(fēng)電市場(chǎng)的發(fā)展重心。

海上風(fēng)電項(xiàng)目通常由升壓變電站、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及安裝、海底電纜和陸上集控中心等四大工程組成。一般集電線路通過(guò)35kV海底電纜先接入海上升壓變電站，升壓至220kV后，再經(jīng)220kV海底電纜接入220kV陸上集控站。我國(guó)從事海上風(fēng)電施工的主要為海洋開(kāi)發(fā)建設(shè)領(lǐng)域的企業(yè)，行業(yè)領(lǐng)域涵蓋跨海大橋、港口設(shè)施與海洋石油開(kāi)采工程。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)海洋石油平臺(tái)抽拉管纜有相關(guān)的研究資料，也有部分海上風(fēng)電的論文涉及220kV海底電纜的敷設(shè)施工，但尚無(wú)35kV海底電纜抽拉上升壓站和風(fēng)機(jī)平臺(tái)的研究論文。

該文根據(jù)業(yè)內(nèi)海洋工程公司首次利用動(dòng)力定位DP（Dynamic Positioning）鋪纜船和水下機(jī)器人ROV（Remoted Operational Vehicle）進(jìn)行風(fēng)機(jī)平臺(tái)電纜抽拉施工的案例，參考海洋石油工程領(lǐng)域的電纜抽拉，詳細(xì)闡述了風(fēng)電電纜施工的工藝方法和特點(diǎn)。

1 海上風(fēng)電基礎(chǔ)類(lèi)型

海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常作為一個(gè)基礎(chǔ)體嵌入或者放置在海底，一般的風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是指與塔架連接以下的部分。目前國(guó)內(nèi)所采用的多為固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，固定式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是海洋石油平臺(tái)所采用的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。海上風(fēng)電升壓站類(lèi)似于海洋石油平臺(tái)，采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，電纜護(hù)管同樣是J型護(hù)管，如圖1所示。

圖1 升壓站基礎(chǔ)形式

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)包括單樁基礎(chǔ)、三樁/多樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、負(fù)壓筒式基礎(chǔ)等形式。

目前南海和東海海上風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)多基于單樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及建造。單樁基礎(chǔ)整體為內(nèi)空的圓柱形筒體結(jié)構(gòu)，筒體側(cè)壁上預(yù)制時(shí)切割橢圓形的水下電纜孔，作為電纜進(jìn)入單樁基礎(chǔ)的通道，單樁基礎(chǔ)如圖2所示，水下電纜孔如圖3所示。電纜孔外側(cè)需要有電纜限彎結(jié)構(gòu)，通常有鋼管護(hù)管和柔性限彎器的形式，柔性限彎器又稱(chēng)為“倒刺”，該文將以“倒刺”為例進(jìn)行介紹。

圖2 單樁基礎(chǔ)

圖3 水下電纜孔

導(dǎo)管架式基礎(chǔ)的護(hù)管形式較為特殊，護(hù)管外形為“S”形，護(hù)管頂部以橫向形式進(jìn)入風(fēng)機(jī)筒體，護(hù)管法蘭的朝向也相應(yīng)為橫向。

2 抽拉設(shè)計(jì)及設(shè)備

2.1 抽拉力計(jì)算

抽拉設(shè)計(jì)前，通過(guò)估算電纜抽拉過(guò)程中最大抽拉力，可以為設(shè)備選型和抽拉施工設(shè)計(jì)等提供依據(jù)。通常較為準(zhǔn)確的計(jì)算方法是應(yīng)用Orcaflex水動(dòng)力分析軟件模擬電纜抽拉的過(guò)程，計(jì)算得出最大抽拉力數(shù)值。在條件不具備時(shí)，可以根據(jù)電纜的質(zhì)量進(jìn)行估算，計(jì)算方式如下：抽拉力=電纜在海水中質(zhì)量+在空氣中質(zhì)量+電纜與護(hù)管的摩擦力+電纜與海床泥面的摩擦力。

2.2 抽拉設(shè)備

海上風(fēng)電施工中，用于提供抽拉力的設(shè)備通常為絞磨機(jī)和絞車(chē)。絞磨機(jī)是一種小型輕便的牽引設(shè)備，搬運(yùn)方便，如果抽拉力不超過(guò)10t，使用絞磨機(jī)即可滿足要求。

絞車(chē)的體積和質(zhì)量較大，現(xiàn)場(chǎng)布置時(shí)需要考慮接線和甲板強(qiáng)度、固定位置等，可以提供10t以上的抽拉力。如需要較大的抽拉力并且一次就位后抽拉多個(gè)護(hù)管口，可選用絞車(chē)，絞車(chē)具體型號(hào)根據(jù)施工需求選用。

2.3 鋼絲繩

使用牽引提拉的鋼絲繩，首先要考慮鋼絲繩規(guī)格，須保證使用的鋼絲繩破斷力至少為計(jì)算抽拉力的3倍以上。鋼絲繩的長(zhǎng)度也需要滿足施工要求，鋼絲繩長(zhǎng)度須大于絞車(chē)到電纜護(hù)管口的走線長(zhǎng)度+護(hù)管長(zhǎng)度+鋼絲繩在水中的長(zhǎng)度+鋪纜船甲板鋼絲繩長(zhǎng)度+預(yù)留長(zhǎng)度。

2.4 設(shè)備及人員

抽拉施工中，需要用到拉力計(jì)，用于監(jiān)控電纜拖拉過(guò)程中的受力，防止拖拉力過(guò)大，可根據(jù)抽拉力的大小和拉力計(jì)安裝的位置選取拉力計(jì)型號(hào)。其他的常用工具有導(dǎo)向滑輪、卸扣、吊環(huán)、旋轉(zhuǎn)萬(wàn)向節(jié)、抱梁卡、倒鏈、尼龍繩、焊接及切割設(shè)備、高頻對(duì)講機(jī)等。

抽拉人員包括領(lǐng)隊(duì)、工程技術(shù)人員、電焊工、鉚工、架子工、起重工、電工等。

3 抽拉施工準(zhǔn)備

3.1 海上升壓站

需要通過(guò)研究升壓站平臺(tái)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，確定平臺(tái)布場(chǎng)方案和鋼絲繩走線方式。確定護(hù)管口上方預(yù)焊接吊耳或掛抱梁卡的位置，焊接吊耳需要焊接在大梁、交叉點(diǎn)上，抱梁卡固定在大梁的下翼緣上，保證有足夠的強(qiáng)度。

絞車(chē)或絞磨機(jī)需要跨過(guò)甲板兩條梁進(jìn)行固定，以保證甲板有足夠的承載力，固定方式可使用筋板焊接和吊帶/鋼絲繩綁扎固定。布場(chǎng)時(shí)須完成實(shí)際抽拉走線上的拉力測(cè)試，通常拉力測(cè)試達(dá)到計(jì)算的最大動(dòng)態(tài)抽拉力數(shù)值即可，保持時(shí)間5min。

3.2 單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)

單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)的電纜護(hù)管口位于風(fēng)機(jī)艙底層甲板，電纜護(hù)管口豎直向上，抽拉布場(chǎng)與升壓站類(lèi)似。由于風(fēng)機(jī)艙內(nèi)電氣設(shè)備較多，不宜動(dòng)火焊接，因此需要避免焊接吊耳。抽拉牽引設(shè)備可使用絞磨機(jī)，絞磨機(jī)使用吊帶固定，護(hù)管口正上方使用抱梁卡固定在H型鋼上，下面懸掛拉力計(jì)和滑輪等設(shè)備，風(fēng)機(jī)布場(chǎng)如圖4所示。

圖4 單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)艙內(nèi)布置

3.3 導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)

導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)護(hù)管口對(duì)側(cè)的筒體壁上須提前焊接抽拉吊耳，用于電纜橫向抽拉。在上層甲板上固定絞磨機(jī)，并切割方形孔，用于抽拉鋼絲繩的走線，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)艙內(nèi)布置

4 電纜抽拉施工

4.1 升壓站抽拉

通常將升壓站側(cè)作為電纜的首端進(jìn)行抽拉，電纜首端抽拉的過(guò)程如下。

鋪纜船靠近升壓站，抽拉組將與信號(hào)繩連接的尼龍繩拋繩到鋪纜船甲板，甲板回收尼龍繩，并與甲板絞車(chē)鋼絲繩連接。

升壓站下放抽拉鋼絲繩，鋪纜船回收信號(hào)繩和抽拉鋼絲繩。鋪纜船回收信號(hào)繩至甲板，拆除信號(hào)繩，將抽拉鋼絲繩與甲板電纜拖拉網(wǎng)套前索具相連。

鋪纜船下放抽拉鋼絲繩及索具，安裝中心夾具等海纜附件，海纜附件安裝完成后，升壓站繼續(xù)回收鋼絲繩。當(dāng)ROV水下觀測(cè)到拖拉網(wǎng)套進(jìn)入升壓站底部護(hù)管口，平臺(tái)開(kāi)始下放與回收調(diào)整鋼絲繩。當(dāng)電纜拖拉網(wǎng)套抽拉至底層甲板護(hù)管口處，停止抽拉。

在海甲板護(hù)管處電纜上纏繞吊帶，將吊帶抽拉至一層甲板護(hù)管處，用電動(dòng)葫蘆與電纜纏繞吊帶相連，并緩慢帶力，抽拉鋼絲繩松弛。繼續(xù)在底層甲板下方護(hù)管口處安裝纏繞吊帶，使用鋼絲繩抽拉，重復(fù)前述步驟，直至抽出的電纜長(zhǎng)度滿足要求，此時(shí)電纜中心夾具也和升壓站底部護(hù)管完全密封。使用盤(pán)纜小車(chē)將電纜盤(pán)在底層甲板面上，使用錨固卡子將電纜永久錨固。

4.2 單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)抽拉

單樁風(fēng)機(jī)電纜抽拉前，有一項(xiàng)特殊的安裝“倒刺”工作須提前完成，圖6中即為限彎器“倒刺”結(jié)構(gòu)，圖7為錐形拖拉頭。抽拉施工主要步驟如下。1）鋪纜船以DP模式航行至風(fēng)機(jī)側(cè)，風(fēng)機(jī)端下放鋼絲繩和信號(hào)繩，ROV通過(guò)信號(hào)繩將抽拉鋼絲繩從海纜孔拉出。2）鋪纜船下放甲板鋼絲繩入水，ROV水下連接甲板鋼絲繩和抽拉鋼絲繩。鋪纜船回收甲板鋼絲繩，將抽拉鋼絲繩回收至鋪纜船甲板。3）甲板將抽拉鋼絲繩與“倒刺”錐形拖拉頭通過(guò)蝴蝶卸扣連接，拖拉頭末端連接有尼龍繩信號(hào)繩，鋪纜船吊裝“倒刺”入水。4）風(fēng)機(jī)端開(kāi)啟絞磨機(jī)，緩慢回收鋼絲繩，以調(diào)整拖拉頭入海纜孔角度。5）“倒刺”拖拉頭45°角進(jìn)入海纜孔，ROV水下觀察，如有必要進(jìn)行輔助。6）“倒刺”安裝到位后，抽拉鋼絲繩繼續(xù)回收，使用超過(guò)3.5t的拉力將自斷螺絲拉斷，使拖拉頭與“倒刺”分離。7）拖拉頭到達(dá)樁基內(nèi)平臺(tái)后，停止回收鋼絲繩，將抽拉鋼絲繩與信號(hào)繩通過(guò)卸扣連接。電纜抽拉的后續(xù)過(guò)程基本與以下導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)電纜抽拉相同，不再詳述。

圖6 限彎器“倒刺”結(jié)構(gòu)

圖7 錐形拖拉頭

4.3 導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)抽拉

通常海洋石油工程中海纜末端平臺(tái)抽拉的方法有以下幾種：“海底拖拉法”“撐桿提拉法”“半圓支架提拉法”等。考慮到風(fēng)機(jī)上抽拉絞磨機(jī)的拉力小、附近海床面土質(zhì)較軟、海纜在海床的沉降大等因素，施工時(shí)采用“撐桿提拉法”進(jìn)行海纜抽拉。末端的抽拉過(guò)程如下：1）鋪纜船切割電纜密封后濕存于海床上，風(fēng)機(jī)抽拉組將信號(hào)繩拋繩至鋪纜船甲板，鋪纜船甲板將其與甲板絞車(chē)連接。2） 風(fēng)機(jī)端下放抽拉鋼絲繩及信號(hào)繩，甲板回收信號(hào)繩，ROV水下將濕存電纜的拖拉網(wǎng)套和鋼絲繩前面的吊環(huán)通過(guò)ROV鉤進(jìn)行連接。3）鋪纜船使用吊機(jī)下放撐桿協(xié)助抽拉，ROV水下觀察。4）抽拉組回收鋼絲繩，做標(biāo)記記錄抽拉長(zhǎng)度。5）拖拉網(wǎng)套抽拉出風(fēng)機(jī)樁基內(nèi)平臺(tái)，停止抽拉，并在拖拉網(wǎng)套下方電纜處綁扎吊帶，拖拉網(wǎng)套與電動(dòng)葫蘆連接，使絞磨機(jī)鋼絲繩松弛。6）將絞磨機(jī)鋼絲繩與護(hù)管口安裝的吊帶卸扣連接，繼續(xù)抽拉，直至電纜抽出護(hù)管口需要的長(zhǎng)度，通常為20m以上，停止抽拉。7） 將電纜從吊帶端開(kāi)始往前進(jìn)行剝鎧，并將剝好的電纜盤(pán)到上層甲板，使用錨固卡子在樁基內(nèi)平臺(tái)護(hù)管口將電纜永久錨固。

5 結(jié)語(yǔ)

該文系統(tǒng)介紹了風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的類(lèi)型、抽拉施工設(shè)計(jì)、施工準(zhǔn)備和過(guò)程，根據(jù)業(yè)內(nèi)首次使用動(dòng)力定位船和ROV進(jìn)行電纜抽拉的項(xiàng)目實(shí)踐，總結(jié)了一套風(fēng)電電纜抽拉的施工工藝，為今后類(lèi)似的風(fēng)電項(xiàng)目電纜施工提供技術(shù)指導(dǎo)和借鑒。該施工工藝可高效應(yīng)用于海上風(fēng)電施工，海上風(fēng)機(jī)抽拉有其自身的特點(diǎn)， 施工時(shí)仍需注意以下幾點(diǎn)：1）由于風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)形式多樣，并無(wú)一種可通用的布場(chǎng)形式。需要根據(jù)待施工風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行布場(chǎng)，合理選取鋼絲繩走線和吊耳和抱梁卡的固定點(diǎn)。抽拉施工前需要進(jìn)行拉力測(cè)試，測(cè)試時(shí)鋼絲繩的走線須與實(shí)際施工走線完全相同。當(dāng)電纜抽拉進(jìn)入風(fēng)機(jī)艙之后，應(yīng)用盡可能高效的盤(pán)纜方式。2）施工前盡可能對(duì)升壓站電纜護(hù)管進(jìn)行清管操作，清理護(hù)管口附近的垃圾和廢棄鋼絲繩，同時(shí)在抽拉過(guò)程中平臺(tái)人員和鋪纜船人員協(xié)同作業(yè)，避免鋼絲繩在護(hù)管口下部盤(pán)積打結(jié)。3）單樁基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)對(duì)水面下電纜進(jìn)塔筒的方式影響較大，如風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)為柔性限彎器“倒刺”形式，施工時(shí)要特別注意限彎器前端錐形拖拉頭進(jìn)入電纜口的角度，如果進(jìn)孔不順利，須細(xì)致分析原因，使用ROV進(jìn)行輔助，多次嘗試不同角度。4）電纜末端盡量不選擇濕存方式，如果無(wú)法避免，電纜端部入水前，需要進(jìn)行高質(zhì)量的鉛封，以避免電纜進(jìn)水損壞。