海底电缆铺设研究概述：目前,随着对海洋的广泛利用,海底电缆铺设工程在整个海洋的开发、使用中起到重要的作用,同时对海底电缆铺设技术也有更多的需求"而我国传统的铺设方法不但技术上有安全隐患,而且铺设费用也是很高,因此,研究设计出安全又经济的海底电缆铺设设备迫在眉睫。

海底电缆不仅是水下输送信号及动力的一种有效手段,同时也是水下工程技术领域的一个重要分支"海底电缆技术的研究开始于1837年。

海底电缆具有信息容量大传输距离长、抗干扰能力强、保密性好、价格低等特点。

目前,以其它任何通信手段所无法替代的传输能力和通讯质量,国际海底光缆网络承担着全球约95%的跨国通信数据量。

一旦海底光缆发生重大故障,由此产生的社会、经济后果不堪设想。

日前台湾地区一场突如其来的大地震造成该海域多条国际海底光缆中断,极大地影响了国际通话、数据以及互联网业务的正常进行。

在越来越依赖于网络的现代生活中,海底电缆正收到前所未有的关注。

海底电缆铺设设备一、海底电缆铺设设备海底电缆的铺设需要有专业的布缆船,布缆船是建设维护海底电缆的必须装备,上面通常装备2台布缆机。

布缆机有两种形式,即鼓轮布缆机和直线型布机。

前者多用于打捞和回收电缆等,后者适用于长距离海缆敷设。

海缆在敷设时,通常有张力控制和速度控制两种模式来控制布揽机,因为在敷设操作事重点是考虑余量控制,敷设电缆设置余量的目的是要使敷设的电缆能够完全贴近海底,不出现悬空现象,一旦悬空电缆两端应力集中,经过长时间还流冲刷,受力点容易破损。

因此,布揽机敷缆速度要与船速协调。

待铺设的电缆要事先盘放在电缆盘上,电缆盘转动时放出的缆线通过布揽机放入海里,所以,电缆盘的转速(即放缆速度)要适合电缆的铺设速度。

二、海底电缆的过缆方式海缆厂通常建在靠江或靠海处,并设有专用装卸码头,电缆生产、试验合格后,通过连接工厂和装卸码头的传送带将海缆输送到运输船上,再把海缆过缆到施工驳船上,主要的实施方法有以下几种:1.工厂码头的直接装运对于大长度电缆,国外通常的做法是将施工船开到电缆厂码头,通过连接工厂车间和码头的传送带直接将电缆输送到电缆施工船上,再由施工船运输到施工现场后直接展放电缆,中间不需要再次转运,而且施工船上均设有退扭架和电缆盘,用来装载和敷设电缆。

这种方式适用于具备通航条件的所有类型电缆的施工,特别是海上施工。

优点是安全可靠,不损伤电缆。

缺点是需要大型专业施工船到工厂运缆,而且费用昂贵。

2.整体吊运电缆出厂时,需要特制一个电缆盘,将电缆全部盘绕在电缆盘上,电缆盘必须满足电缆承载、圈绕半径等技术要求,电缆整盘运输至目的港口后,利用港口的大型浮吊将电缆整盘吊装到施工船上。

采用整体吊运的方式,不存在出厂码头和目的码头过缆后的多次交接验收,操作简单,有利于保护电缆；但必须特制巨大的电缆盘,支付昂贵的码头吊装费,且交接港口必须有能起吊整盘电缆的大型浮吊设备。

这种方式适用于盘装、重量轻或长度较短的电缆。

优点是较安全,减少了过缆程序,实施简单;缺点是需要特制巨大的电缆盘和足以起吊的吊装设备,受制约较多,费用较高。

现在的海上海缆敷设工程中很少使用。

3.散装过缆所谓散装过缆,就是在电缆出厂时,通过输送带将电缆盘绕在运输船的船舱中,运输船的船舱必须满足电缆承载、电缆圈绕等技术要求,电缆运输到交接港口后,再将电缆牵引到施工船上,采用散装过缆方式，如果运输船有足够的空间,可以解决缆盘无法盘绕、难以起吊的大长度电缆的运输问题,且电缆在目的港口装运到施工船上时,不受港口条件的限制,这种过揽方式优点是不受码头条件的限制,实施灵活,缺点是技术复杂,需多次过缆作业,操作不慎有可能损伤电缆,需要技术熟练,并有合适的退扭架和布缆机。

这种方式仅在不具备大型海轮通航条件,又无法盘装时使用,而前两种过揽方式都需要有电缆盘。

因此,电缆盘在铺缆过程中是必备的重要的海缆施工设备,而电缆盘的结构及强度设计也是整个铺缆设备的关键。

三、海底电缆铺设退扭方式成品海缆在铺设前,要在外力的作用下,以类似钢丝绳的包装方法盘绕在圆形的电缆盘内,此种绕放方式对恺装海缆一定会产生内在的旋转应力,每盘绕一圈,都有一圈外加的环形扭力发生,这就要求在海缆敷设时采取某种方式将盘放的环形转力逐一解开,防止扭力累积。

现在总的来说有两种方式能够实现海缆敷设前的退扭,一种是抽高式海缆退扭,另一种是旋转式海缆退扭。

1.抽高式海缆退扭现在国内外使用最多就是抽高式海缆退扭,技术比较成熟。

世界海缆安装公司PO&U公司是当今世界技术水平高,设备最先进的公司之一。

该公司有两艘DPZ 船只,两个海缆敷设和维修驳船以及一些先进的安装和埋缆设备。

PO&U公司己经先后在荷兰,瑞典,英国等国的海域成功敷设海缆。

如图1所示为PO&U公司的抽高式海缆退扭方式。

国内的海上电缆敷设工程,例如洞庭湖海上海缆敷设工程,黄海、渤海海上海缆敷设工程使用都是这种抽高式海缆退扭。

图1抽高式海缆退扭抽高式海缆退扭方式的电缆盘是一个托盘的形式。

电缆盘绕逐层进行,盘放方向一般为俯视顺时针方向,如图1.2所示。

盘放顺序遵循先内后外,先下后上的总体原则。

大直径电缆一般先由里圈开始,逐圈盘放至外圈;第二层再由外圈盘放至里圈,如此逐层反复进行。

图2抽高式退扭的电缆盘抽高式海缆退扭方式最重要的部分是退扭架,如图1.2所示。

退扭架为桁架结构,材质为无缝钢管,其强度好,结构稳定,便于安装和拆卸。

退扭架的顶部由3段组成:中间部分为直槽段,安装在桁架结构的身部支架上,两端为弧槽段,与直槽段连接成为一个整体,由于抽高的高度与电缆盘的大小有关,弧槽段用钢绳斜拉在支架上固定(这样可以根据具体情况改变退扭架的高度)。

过缆时,退扭架布置在施工船侧面,见图1.3,顶部的直槽架垂直于施工船船身,析架的一端位于施工船缆盘的垂直上方,另一端延伸至运输船舱的缆盘上方,电缆通过布揽机牵引,从运输船过渡到施工船缆盘中。

图3施工船在过缆时的平面示意图施工船在敷设电缆时,退扭架顶部的直槽析架垂直于施工船船身,顺着施工船头尾中心线布置,桁架的两端位于施工船缆盘的两侧,电缆通过布缆机的牵引从析架顶部过渡到海上。

抽高式海缆退扭方式的主要特点是电缆盘不发生转动,固定到船的甲板上,把海缆抽高到一定的高度,使海缆释放掉盘绕时产生的旋转应力,然后通过布缆机的牵引,将海缆铺设到海底。

其优点是适用于各种型号的海缆敷设,缺点是海缆在退扭架上过渡可能会有所损伤,由于退扭架庞大而笨重,安装和拆卸都很困难,费用也很高,最关键的问题是用此种方法退扭,海缆上必然会有残余的旋转应力,不能实现完全退扭。

2.旋转式海缆退扭旋转式海缆退扭方式的海缆盘是缆轴的形式。

和抽高式海缆退扭相比只有内壁,没有外壁,如图4所示。

旋转式海缆退扭方式的过缆方式主要是工厂码头的直接装运。

海缆从工厂车间中出来通过码头的传送带直接将海缆输送到电缆施工船上的海缆盘上,海缆盘绕逐层进行,盘放顺序遵循蛇形盘放,从里到外的总体原则。

大直径电缆一般先由下开始,逐步向上盘旋,至缆轴顶部,第二层再由上向下盘旋,直至缆轴底部,如此逐层反复进行。

图4旋转式退扭的海缆盘旋转式海缆退扭方式和抽高式海缆退扭方式相比,省去了庞大而笨重的退扭架,节省了动复员费用。

但他的最大特点是,海缆盘的下面装有回转机构,自身带有驱动装置,能够配合布缆机的敷设海缆的速度,调节自身旋转速度,将海缆释放,并且能够实现完全退扭。

此种退扭方式虽能完全退扭,但由于电缆盘大直径较大,重量较重,所以稳定性不好控制。

四、海底电缆铺设转盘系统总体结构1.转盘系统设计指标要求海底电缆铺设转盘系统的主要动作是回转运动,有加速,匀速和减速过程,以实现海底电缆的铺设任务"在整个过程中,要使电缆的铺设速度保持匀速,且实现完全退扭。

根据海洋石油有限公司所提供数据,对海底电缆铺设转盘系统做了一些改进,结合设计目的,制定的具体指标要求如表1所示表1海底电缆铺设转盘系统设计指标要求海缆选用的是英国PIRELLI公司生产的11OkV三芯交联聚乙烯(XLPE)海底电缆,其技术参数如下:最长长度:6400m;海缆导体的截面:3x400mm2,外径:186.2mm;最小盘绕半径:4.75m;允许最大侧压力:14.7kN;允许最大拉力:49KN;堆放时最大允许盘放层数n=21。

海缆盘的缆轴采用75mm,壁厚6mm的钢管制作。

给定的布缆机的给定最大牵引力T=2447.8N,布缆机的输送速度可以在O一30m/min内变化。

2.转盘系统总体结构方案完整的海底电缆铺设转盘系统应包括其机械结构、驱动系统、控制系统等部分。

在设计时,应首先由其用途,充分考虑各个系统之间存在的制约,以实现精确控制,达到系统要求。

海底电缆铺设转盘系统总体结构方案如图5所示。

l.回转减速机 2.小齿轮 3.电缆盘 4.大齿圈 5.大辊子6.小辊子7.轨道8.液压马达图5转盘系统结构简图其工作原理为:电缆盘3与大齿圈4固定在一起;液压马达8工作时带动回转减速机1,回转减速机与小齿轮2连接,小齿轮2与大齿圈相啮合,这样就可以使电缆盘在圆形轨道7上做回转运动。

此系统中,回转驱动装置有相同的三组,同步驱动整个转盘系统。

3.转盘系统回转机构设计根据目前现有的两种退扭形式,本文设计的转盘系统是在抽高式退扭的形式上改造而成的,在电缆盘的底部增加回转支承装置,使电缆盘在放缆的过程中实现自身旋转,这样电缆上的扭劲就会彻底释放掉,实现完全退扭。

这种结构的特点相比旋转式退扭的缆轴的形式是运动平稳。

因此,此系统的关键部分是回转机构的设计。

回转机构是由回转支承装置和回转驱动装置两部分组成。

在实现回转运动时,为回转支承部分提供稳定、牢固的支承,并将回转部分的载荷传递给固定部分的装置称为回转支承装置;回转驱动装置是驱动回转部分,使其相对固定部分实现回转运动的装置。

3.3.1回转支承装置回转支承又称转盘轴承或特大型轴承,是一切两部分之间需作相对回转运动,又需同时承受径向、轴向和倾覆力矩的机械所必须的重要传力元件。

目前,我国定型生产的回转支承,主要是由徐州回转支承厂的机械工业部部标准。

在这里我们可以参考起重机和挖掘机的一些回转支承结构。

常用的回转支承装置主要有两种形式,一种是柱式回转支承装置,另一种是滚动轴承式回转支承装置。

（1）柱式回转支承柱式回转支承装置又可分为转柱式和定柱式两类。

如图6所示为转柱式回转支承装置的示意图,转柱和海缆盘的缆轴相连,当转柱被驱动装置带动回转时,整个转盘随之跟着做回转运动。

转柱式回转支承装置结构简单,制造方便。

但它的重心较高,使倾覆力矩加大。

适合高度较小的转盘。

图6转柱式回转支承装置的示意图如图7所示为定柱式回转支承装置的示意图。

回转支承装置的外圈设有回转大齿圈,和电缆转盘的缆轴相连,内圈的转柱固定。