关于国内海洋软管与海底电缆的铺埋工艺探讨

杜瑞刚

摘要：本文对当前国内海洋软管与海底电缆的铺埋工艺进行了简介和总结。结合海洋软管及海底电缆应用于较深水、远距离的趋势提出了铺埋工艺和装备的改进方向和建议。

关键词：海洋软管海底电缆边铺边埋先铺后埋埋设机

随着海上油气田的开发，海洋软管的应用越来越广泛。海洋软管较钢管而言，对海底适应性更好，铺设和回收方便。国产海洋软管自2010年首条成功研发并铺设以来，至今海上应用已超百公里。

而风电做为绿色能源，正在世界范围内受到重视和推广。我国的海上风电场目前也正在如火如荼的建设中，且随着开发的深入，风场位置离岸越来越远。

基于以上，海洋软管（下称“软管”）和海底电缆（下称“海缆”）的铺设量将会发生数量级的飞跃。而其安全高效铺设工艺成为一个值得深入研究的课题。

目前国内的软管和海缆埋设主要采用边铺边埋的方式，即将埋设机拖在铺设船后方，软管或海缆自船上入水后通过埋设机破土后沉入沟底，铺设船靠绞缆或动力前行。

其中海缆主要使用固定缆舱+退扭架，近年随着主海缆应用直径和重量更大的110KV和220KV规格，已要求使用水平旋转盘缆舱形式铺设。而软管则主要使用立式旋转盘或水平旋转盘。

根据前进方式，海缆铺设大致分下表几种，常用的是第1和第2种。而软管的铺设通常采用第2种。

现有的边铺边埋模式在近距离浅水铺设时，是一种较经济的方式，他以较低级的船机装备投入即可完成铺埋作业。其装备简易，成本不高，适合早期的发展需要。

但随着铺设距离的增长及水深的增加，尤其海上风场所在位置风浪条件恶劣，铺埋工艺则需进行相应的提高改进，如下。

1.更大的船舶尺寸和载缆量。因为铺设长度加长，不可避免地会面临海上带缆抗风的情况，主作业船要求满足更强的抗风浪能力，同时要求携带更大长度的软管或电缆量。目前市场已出现或有在建4000T～10000T容量的转盘缆舱，船长在100米以上。

2.铺埋分离工艺。长距离的铺设作业，在现有的铺设速度下势必导致工期过长。因此一方面提高作业船海上抗风能力；另一方面寻求铺埋分离的方式。铺埋分离的模式通常先由铺设船携大重量电缆或软管在尽可能短的时间内完成铺设，然后由只携带挖沟设备的小型作业船进行后续挖埋，即先铺后埋。

先铺后埋工艺有广泛的应用性，可概括如下：

短天气窗口：对于恶劣海况环境下，好的天气窗口较少且持续时间短，此时宜快速铺设再行掩埋。

趁潮铺设：海缆需趁潮通过浅水区时也适宜先铺后埋以防船舶搁浅。

铺设长度长：此时按边铺边埋工艺通常作业时间较长，容易遇到坏天气，为此也适合先铺后埋工艺。

深水区域作业：深水区为防止船上操作对埋设机的姿控制力变差而损伤软管或海缆时适用。

修复后埋设：外力将管缆勾出泥面或海流冲刷致埋深变浅或裸露时，再次掩埋时适用此法。

再者根据被铺设物的直径、水中重量、弯曲刚度等因素，决定了铺设张力和海底着床点至船边入水点的水平距离，也影响了是否可以采用边铺边埋工艺。

先铺后埋的工艺充分利用好天气快速完成铺设，再寻求其他时间来掩埋。这种模式摆脱了挖沟速度慢的制肘，使得铺设速度获得较大提高，当使用动力定位船作为铺设船时，速度提高达3倍以上。如此一是对大型铺设装备和埋设装备进行分离，互相不占用时间，不影响效率，使得资源的利用率得到充分提高；二是不可中断的连续作业时长变短，降低了海上施工风险。而埋设阶段可随时根据需要中断并回收埋设设备去避风，之后再从中断处继续作业。

随着船舶动力定位（DP）技术的发展，其成本与拖轮配合绞锚作业船的模式相比在深水区或恶劣天气下相比已非常有优势。例如DP船舶无需绞锚船的起抛锚作业，省去始末端作业时抛起锚时间；在铺设中，DP船自身定位精度高，且可随时根据风浪流或路由方向调整船位，方便实现船位纵向铺设与横向铺设间切换，而绞锚船通常选择纵向铺设或横向铺设在作业前已确定，中途当海况或路由转向时无法更改；再者在电缆铺设末端的水面“Ω”弯处理上DP也有着绝对优势。

基于上述因素，先铺后埋的船舶和装备在今后市场存在巨大需求。

先铺后埋的模式在国内有过尝试和应用，但整体上应用比例非常低。其一类是借助国外船机设备来作业的成功案例；另一类基于自身边铺边埋的经验照搬为先铺后埋工艺，曾经发生了事故。原因之一是铺设时的路由与埋设时的路由偏差。铺设时船尾入水点或GPS安设点与管缆的海床触泥点存在误差；也可能铺后至埋设前期间海床变化或海流扰动路由变化；甚至埋设机对管缆的扰动都会对埋设路由产生影响。因而后埋时不能直接照搬原铺设时的路由数据。再者原因是原来的边铺边埋设备没有路由探测和循迹能力等。

3.适用的挖沟机、埋设机。铺设长度的增加，急需提高埋设机的效率。一则加大水力喷射泵的功率；再则为减少管线沿程损失，将原甲板泵移至水下埋设机上等。但水下泵会导致埋设机体积和重量增大，增加了对管缆伤害的概率，应有有效的防范措施；

为加快速度，在国外也常用机械开沟犁，由犁铧直接将土翻到两侧成沟。根据犁铧数量分为单级和多级。多级犁开沟深度更深且沟型较窄，在开挖较硬土层时阻力较小。其弊端是需要较大的拉力，通常由主作业船或拖轮牵引主作业船提供。拉力达几十吨甚至上百吨。

先铺后埋用挖沟机通常包括水下定位、管缆查找、路由追踪和循迹，行走动力，监控和控制、投放和回收等方面。

一种国外常用的履带自行式水力埋设机。此类埋设机靠液压驱动履带前进，配以管道/电缆追踪系统（TSS）定位并循迹，依双犁刀水力喷射开沟，双犁刀骑行在管道或电缆两侧，必要时配有可开合液压拾管/缆机构，靠潜水员或自身螺旋浆助推调整姿态就位。此类设备通常用于50米或以上深水区，费用高昂，目前国内风电市场和海油浅水领域受项目投资影响，几乎没有应用。

另一类应用于50米以浅的轻型水力埋设机，其利用软管和电缆的自身刚度为导向，配置轮胎以水力驱动前进。自身重量轻便灵巧，水泵等设备置于作业船上。在遇到障碍时能受阻停止前进，不易对被埋物造成伤害。其最前端喷嘴提供首级破土和前进驱动力；中间多组喷嘴提供分级破土，打碎成浆并护壁防塌方，保证沟型较窄；尾部一组提供清底方便管缆下沉并将泥浆向后方输送进行掩埋等功能。

还有一类非接触型挖沟机，靠声纳等设备定位管缆路由，绞锚或DP前进，挖沟机悬在软管或电缆上方1米左右，其他方向辅以配重或牵拉缆抵抗海流。利用水力喷射开沟作业，避免对软管或电缆的伤害。

以上几种设备的选择需结合土质、海况等综合考虑适用性和经济性，必要时还需考虑开沟后的回埋保护要求。

笔者所在公司自2010年来铺设海洋软管近百公里，对于直径较小的2英寸至6英寸软管，因其弯曲刚度小，单位重量轻，使用边铺边埋工艺；对于8英寸及以上软管弯曲刚度及重量较大的特点，开发了后埋设备，并于2015年在涠洲6-9/6-10油田注水10英寸软管项目中成功应用。同时针对海缆维修后保护，研制了非接触式挖沟机历经多次海缆维修项目，证实安全可靠。

随着海洋软管和海底电缆的大面积应用，其施工工艺和装备设施也亟待提高，本文探讨了相关工艺和装备改进思路，希望能对行业发展有所促进。

参考文献：

[1]李海帆.《电力电缆工程设计、安装、运行、检修技术实用手册》