海底電纜裝盤參數(shù)改進計算方法

胡珍伍，陳世海

（交通運輸部 上海打撈局，上海 200090）

0 引 言

海底電纜通常分為電力電纜和通信電纜（光纜）2種，其不僅是島嶼與大陸之間、海洋平臺之間和海上風電場之間等場所間傳輸電力的紐帶，而且承擔著全球90%以上的跨洋通信服務，對社會發(fā)展有重要的促進作用[1]。海底電纜鋪設工程屬于海洋工程范疇，至今已有近170年的歷史，電纜裝盤是其中一個重要環(huán)節(jié)。相比普通電纜，海底電纜外徑大，鋪設路徑長，裝載海底電纜的盤具的尺寸大多超出了JB/T 8137.1—2013[2]的規(guī)定，且該標準附錄A中提供的電纜裝盤長度計算公式與實際情況不符，裝盤余量與實際情況有較大偏差[3-4]，不利于確定海底電纜鋪設方案中的電纜盤尺寸和施工船舶主尺度要求，甚至會影響項目實施方案的可行性和經濟性。因此，有必要在項目實施方案中對電纜裝盤參數(shù)進行更為準確的計算。

1 電纜裝盤參數(shù)理論計算方法

理論上電纜裝盤之后應緊密規(guī)整地排列，不存在相互錯位的情況。圖1為理想電纜裝盤示意，其中：d1為電纜盤側板直徑，mm；d2為筒體直徑（其大小應滿足GB/T 12706.1—2008中的彎曲半徑要求[5]），mm；l1為電纜盤外寬，mm；l2為內寬，mm；D為電纜外直徑，mm；t為裝盤余量，其最小取值范圍為1.3D～1.5D。

圖1 理想電纜裝盤示意

1.1 JB/T 8137.1—2013中的計算公式

按照圖1所示線纜緊密規(guī)整排列的情況，卷繞層數(shù)為

每層卷繞圈數(shù)為

式(2)中：δ為電纜盤內寬裝載有效系數(shù)，其值可根據實際情況確定，本文取0.95。

單圈線纜的平均直徑為

電纜裝盤長度為

式(4)中：π取3.1416；p、n和L的數(shù)值只取整數(shù)部分。

基于標準公式計算卷繞層數(shù)p（整數(shù)），由此可反推出實際的裝盤余量為

另外，若選定的電纜盤尺寸較大，需要裝盤的電纜沒有達到電纜盤的最大容量，則可根據已知的電纜長度L0和直徑D推算出裝盤之后的卷繞圈數(shù)（同式(2)，略）、層數(shù)p′和相應的裝盤余量t′，有

計算得到的p′需向上取整。

1.2 體積法[4]

電纜裝載如圖1所示，對于每層電纜，裝盤截面積1A和電纜截面積2A滿足

卷繞層數(shù)的計算同式(1)，每層卷繞圈數(shù)的計算同式(2)，則電纜總體積V2與裝盤體積1V之比為

設Lv為電纜裝盤長度，則有

結合式(10)～式(12)，可推出電纜裝盤長度為

式(10)～式(13)中各變量的符號同前所述，p、n和Lv的數(shù)值只取整數(shù)部分，不進位。

同樣地，可反推出實際的裝盤余量為

若選定的電纜盤尺寸較大，需要裝盤的電纜未達到電纜盤的最大容量，也可根據已知的電纜長度L0和直徑D推算出裝盤之后的卷繞圈數(shù)（同式(2)，略）、理論裝盤余量t0、層數(shù)p′和實際裝盤余量t′，有

計算得到的p′需向上取整。

2 電纜裝盤參數(shù)改進計算方法

通過觀察電纜裝盤的實際情況可知，并非如圖1所示規(guī)整地排列，而是上下層之間有相互錯位的情況出現(xiàn)，尤其是當單層電纜不能剛好鋪滿電纜盤內寬時，表現(xiàn)較為明顯，典型的實際電纜裝盤示意見圖2。

圖2 典型的實際電纜裝盤示意

圖2中電纜周圍截面圓彼此外切，由幾何關系可知，除了第一層電纜占據電纜盤的高度為D以外，后續(xù)各層線纜占據電纜裝盤的高度h均為

則卷纜層數(shù)p可表示為

每層電纜卷繞圈數(shù)n為

若裝盤各圈電纜可視為同心圓，則第i層電纜的長度iL為

將所有p層電纜長度相加，可得到電纜裝盤長度eL為

式(18)～式(22)中各變量的符號同前所述，p、n和Le的數(shù)值只取整數(shù)部分，不進位。

進一步地，可反推出實際的裝盤余量t為

若選定的電纜盤尺寸較大，需要裝盤的電纜沒有達到電纜盤的最大容量，亦可根據已知的電纜長度L0和直徑D推算出裝盤后的卷繞圈數(shù)（同式(2)，略）、層數(shù)和相應的裝盤余量，有

計算得到的p′需向上取整。

3 電纜裝盤容量3種計算方法計算結果對比分析

分別采用前述3種計算方法對電纜裝盤長度進行計算，并將計算結果與實際值相對比，結果見表1。

表1 電纜裝盤長度計算結果對比

從表1中可看出，在不考慮電纜裝載受壓變形和相關制造誤差的情況下，對于不同的電纜盤尺寸，采用3種方法計算得到的電纜裝盤長度（電纜盤最大容量）均比實際值小，采用改進算法得到的計算值最大，體積法次之，采用標準JB/T 8137.1—2013算法得到的計算值最??；采用改進算法得到的計算值與實際值的偏差基本上在3%以內，采用體積法的計算結果偏差在10%～15%，采用標準JB/T 8137.1—2013的計算結果偏差在12%～20%。

4 結 語

1) 在實際電纜裝盤上下層錯位的情況下，采用本文提出的改進方法計算的裝盤長度與實際值的偏差基本上在3%以內，說明本文提出的電纜裝盤長度計算方法更符合實際，計算結果更準確，而標準JB/T 8137.1—2013的計算結果與實際值偏差最大，是三者中最保守的。

2) 若每層電纜都能剛好鋪滿電纜盤內寬或確保各層電纜上下一一對應，在不存在錯位的情況下，采用改進算法和標準JB/T 8137.1—2013計算得到的電纜裝盤參數(shù)是一致的。因此，改進算法中h的取值范圍可以是

3) 3種計算方法均可反推出相應的實際裝盤余量，且針對裝盤電纜未達到電纜盤最大容量的情況，可由已知的電纜長度L0和外直徑D推導出實際裝盤之后的卷繞圈數(shù)、層數(shù)和裝盤余量等參數(shù)的計算公式。

4) 本文提出的計算方法可為海底電纜等電纜鋪設工程精確計算電纜裝盤參數(shù)、確定相關設備要求提供參考。