一、前沿
近些年，隨著全球石化能源的枯竭和人類(lèi)對(duì)電力需求的不斷增加，全球都在大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，而海洋領(lǐng)域的新能源開(kāi)發(fā)更是各國(guó)爭(zhēng)相去做的，比如海上風(fēng)機(jī)發(fā)電、海洋潮汐能、海洋天然氣與石油開(kāi)采等，而為海上新能源至陸地使用的通道只有一個(gè)，那就是海底電纜。海底電纜作為沿海島嶼與城市之間電力與通信的重要傳輸手段，市場(chǎng)空間自然是巨大的。以我國(guó)為例，我國(guó)首先是一個(gè)海洋大國(guó)，擁有長(zhǎng)達(dá)1.8萬(wàn)公里長(zhǎng)的海岸線(xiàn)，超過(guò)6000個(gè)大大小小的島嶼分散在海岸的邊緣。2015年我國(guó)電纜制造規(guī)模超過(guò)美國(guó)成為全球第一電纜制造國(guó)，而為了保障海上風(fēng)電的安全輸送，除了對(duì)海底電纜的生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)重點(diǎn)管控以外，對(duì)其裝船運(yùn)輸、安裝敷設(shè)也提出了更高要求。
眾所周知，海底電纜的一次儲(chǔ)線(xiàn)涉及幾百?lài)嵞酥翈浊嵷浳锏膬?chǔ)存，采用整體吊起這個(gè)重量的方案，無(wú)論是難度和費(fèi)用將是不可接受的。通常小截面長(zhǎng)度短的海底電纜能用標(biāo)準(zhǔn)電纜盤(pán)或特制電纜盤(pán)來(lái)裝纜和運(yùn)輸，而大截面長(zhǎng)度長(zhǎng)的海纜則需要儲(chǔ)存在有動(dòng)力的轉(zhuǎn)盤(pán)或者盤(pán)在儲(chǔ)纜池中。在當(dāng)前，我國(guó)大多數(shù)海底電纜的敷設(shè)船舶均采用被動(dòng)收放線(xiàn)儲(chǔ)纜裝置，海底電纜在船舶內(nèi)儲(chǔ)纜盤(pán)中每盤(pán)一圈海纜就會(huì)自身也扭轉(zhuǎn)360度，應(yīng)力釋放會(huì)分布在海纜的本體和外鎧裝上，且部分應(yīng)力會(huì)慢慢往后傳輸，隨著應(yīng)力累積至到某一點(diǎn)時(shí)，海纜的外鎧裝就會(huì)出現(xiàn)燈籠狀現(xiàn)像，尤其是對(duì)于大截面高電壓等級(jí)海底電纜引出問(wèn)題相對(duì)突出。針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)二條高電壓等級(jí)220kV海纜不同敷設(shè)方式的案例情況公開(kāi)分析，有利于海上風(fēng)電建設(shè)中對(duì)關(guān)鍵輸送主線(xiàn)施工的決策提供參考。本文主要是針對(duì)海纜外鎧的燈籠現(xiàn)象進(jìn)行全面分析和提出建議。
二、案例：
國(guó)內(nèi)二個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目220KV海纜線(xiàn)路輸送到陸上，其中一個(gè)項(xiàng)目是鍍鋅鋼絲鎧裝三芯500mm2海纜，在敷設(shè)時(shí)采用2000T自動(dòng)收放線(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)船施工敷設(shè)，海纜外鎧裝沒(méi)有任何的應(yīng)力，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)成功敷設(shè)安裝，也是國(guó)外施工企業(yè)的固有做法。
另一個(gè)項(xiàng)目是銅絲外鎧裝單芯1600 mm2海纜，敷設(shè)接纜船采用被動(dòng)儲(chǔ)纜盤(pán)，第一次海纜裝船時(shí)，海纜的長(zhǎng)度是12.35km，裝纜速度平均為12m/min，最高速度為19m/min，退扭高度15米，纜盤(pán)中心直徑10米（大于60倍電纜外徑），鎧裝采用S向，盤(pán)纜的方向采用順時(shí)針進(jìn)行。海纜裝運(yùn)過(guò)程中出現(xiàn)大小不一的燈籠狀，對(duì)業(yè)主和生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)相當(dāng)大的困惑，最后通過(guò)修復(fù)并在第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)見(jiàn)證檢測(cè)合格后才實(shí)施。
第二次裝纜由于敷設(shè)船舶沒(méi)法調(diào)整還是采用原來(lái)的裝纜船，所以只能從裝纜速度上控制，降到5m/min，退扭高度提高至18米；并在纜下船通道的尾端裝上兩臺(tái)高清的攝像頭，進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控。但海纜到了船上還是出現(xiàn)類(lèi)似燈籠狀。
三、原因分析：
（一）產(chǎn)生燈籠狀現(xiàn)像分析
1、由于采用無(wú)動(dòng)力收線(xiàn)盤(pán)進(jìn)行海纜裝船，海纜在盤(pán)繞過(guò)程中本體在旋轉(zhuǎn)，由于鎧裝方向?yàn)镾向，盤(pán)纜方向?yàn)轫槙r(shí)針，因此鎧裝層的金屬絲會(huì)有松開(kāi)的過(guò)程。這種力的導(dǎo)向會(huì)隨著盤(pán)纜長(zhǎng)度的增長(zhǎng)而累積，且力會(huì)一步步傳遞下去，應(yīng)力集中到某一點(diǎn)時(shí)而形成燈籠現(xiàn)像。
2、裝纜速度過(guò)快可能容易造成應(yīng)力的集中速度過(guò)快而形成燈籠狀，但不是主要原因。
3、鎧裝材料的彈性模量的差別。鍍鋅鋼絲的燈籠狀當(dāng)纜敷設(shè)拉直時(shí)燈籠狀基本能消失，由于銅絲的彈性模量平均值為115.5 GPa，當(dāng)它出現(xiàn)大的燈籠狀時(shí)就會(huì)變形，這也是導(dǎo)致外銅絲鎧裝成V字形的主要原因，需要人工修復(fù)解決。
（二）燈籠狀影響分析：
1、海纜的外鎧裝分成：鍍鋅鋼絲鎧裝、銅絲鎧裝（圓銅絲或扁銅絲）
2、ф6mm鍍鋅鋼絲的抗拉強(qiáng)度≥340MPa，彈性摸量平均值為213GPa，ф6mm圓銅絲的抗拉強(qiáng)度≥340MPa，彈性摸量平均值為115.5GPa，扁銅絲鎧裝生產(chǎn)要求和敷設(shè)要求更高，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于提高海纜的側(cè)壓力，目前圓銅絲能滿(mǎn)足側(cè)壓力的情況下國(guó)內(nèi)沒(méi)采用扁銅絲鎧裝。
3、單芯海纜帶光纖傳輸，外鎧裝產(chǎn)生燈籠對(duì)光纖的完整性帶來(lái)不確定因素。
4、大的燈籠狀對(duì)海纜的敷設(shè)會(huì)產(chǎn)生影響，過(guò)布纜機(jī)、導(dǎo)纜籠、埋設(shè)犁時(shí)是否能通過(guò)。
5、出現(xiàn)燈籠狀點(diǎn)的外鎧裝抗拉強(qiáng)度相應(yīng)薄弱，在敷設(shè)時(shí)要特別關(guān)注。
6、外鎧裝燈籠一般在裝纜過(guò)程中盤(pán)纜方向?yàn)轫槙r(shí)針（鎧裝層方向?yàn)镾向時(shí)），因此鎧裝層的金屬絲會(huì)有松開(kāi)的過(guò)程，當(dāng)應(yīng)力釋放時(shí)鼓起的鎧裝方向朝外，對(duì)內(nèi)層的鉛護(hù)套和絕緣不會(huì)造成擠壓受傷影響。
結(jié)構(gòu)如下圖:
7、為了安全起見(jiàn)，關(guān)鍵要分析這條海纜的導(dǎo)體本身能承受的拉力在施工敷設(shè)過(guò)程中能否達(dá)到安全的抗拉強(qiáng)度，再適當(dāng)考慮外鎧裝的機(jī)械性能，完整的海纜機(jī)械拉力以外鎧裝為主。
為了保障海上風(fēng)電的安全輸送，海底電纜的生產(chǎn)制造是一重要環(huán)節(jié)，要對(duì)原材料、生產(chǎn)過(guò)程、檢測(cè)，重點(diǎn)管控，對(duì)海纜的施工船泊、工藝、安全、施工經(jīng)驗(yàn)也要特別關(guān)注，合格的海纜運(yùn)行需安裝敷設(shè)配合才能完整，對(duì)施工敷設(shè)提出了更高要求。從上述的案例說(shuō)明，國(guó)外采用的自動(dòng)收放線(xiàn)盤(pán)船泊敷設(shè)海纜是有科學(xué)依據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的，同時(shí)建議：國(guó)內(nèi)大截面高電壓等級(jí)的海纜敷設(shè)同樣采用裝有自動(dòng)收放線(xiàn)轉(zhuǎn)盤(pán)的敷設(shè)船泊接纜并進(jìn)行施工。
作者信息：
1、袁舟龍 浙江舟山啟明電力集團(tuán)公司海纜工程公司 總工程師 碩士研究生 高級(jí)技師
2、鄭琳 寧波東方電纜股份有限公司高壓海纜事業(yè)部 總工程師
