海上風電場35kV海纜抽拉工藝研究

張云鵬 黃 鑫 馬慶林 丁永海 鐘任歡

（深圳海油工程水下技術有限公司，廣東 深圳 518067）

0 引言

為了應對氣候環(huán)境的變化，倡導地球和人類的可持續(xù)發(fā)展，世界能源正向著低碳化、無碳化的發(fā)展模式轉(zhuǎn)型。可再生能源在未來非化石能源結(jié)構(gòu)中的地位快速上升，將成為未來增長最快的能源。其中風電是可再生能源發(fā)電的“主力軍”，而海上風電將成為未來風電市場的發(fā)展重心。

海上風電項目通常由升壓變電站、風機基礎及安裝、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。我國從事海上風電施工的主要為海洋開發(fā)建設領域的企業(yè)，行業(yè)領域涵蓋跨海大橋、港口設施與海洋石油開采工程。

目前國內(nèi)對海洋石油平臺抽拉管纜有相關的研究資料，也有部分海上風電的論文涉及220kV海底電纜的敷設施工，但尚無35kV海底電纜抽拉上升壓站和風機平臺的研究論文。

該文根據(jù)業(yè)內(nèi)海洋工程公司首次利用動力定位DP（Dynamic Positioning）鋪纜船和水下機器人ROV（Remoted Operational Vehicle）進行風機平臺電纜抽拉施工的案例，參考海洋石油工程領域的電纜抽拉，詳細闡述了風電電纜施工的工藝方法和特點。

1 海上風電基礎類型

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

圖1 升壓站基礎形式

風機基礎包括單樁基礎、三樁/多樁基礎、導管架基礎、重力式基礎、負壓筒式基礎等形式。

目前南海和東海海上風場的風機多基于單樁基礎和導管架基礎設計及建造。單樁基礎整體為內(nèi)空的圓柱形筒體結(jié)構(gòu)，筒體側(cè)壁上預制時切割橢圓形的水下電纜孔，作為電纜進入單樁基礎的通道，單樁基礎如圖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)，通常有鋼管護管和柔性限彎器的形式，柔性限彎器又稱為“倒刺”，該文將以“倒刺”為例進行介紹。

圖2 單樁基礎

圖3 水下電纜孔

導管架式基礎的護管形式較為特殊，護管外形為“S”形，護管頂部以橫向形式進入風機筒體，護管法蘭的朝向也相應為橫向。

2 抽拉設計及設備

2.1 抽拉力計算

抽拉設計前，通過估算電纜抽拉過程中最大抽拉力，可以為設備選型和抽拉施工設計等提供依據(jù)。通常較為準確的計算方法是應用Orcaflex水動力分析軟件模擬電纜抽拉的過程，計算得出最大抽拉力數(shù)值。在條件不具備時，可以根據(jù)電纜的質(zhì)量進行估算，計算方式如下：抽拉力=電纜在海水中質(zhì)量+在空氣中質(zhì)量+電纜與護管的摩擦力+電纜與海床泥面的摩擦力。

2.2 抽拉設備

海上風電施工中，用于提供抽拉力的設備通常為絞磨機和絞車。絞磨機是一種小型輕便的牽引設備，搬運方便，如果抽拉力不超過10t，使用絞磨機即可滿足要求。

絞車的體積和質(zhì)量較大，現(xiàn)場布置時需要考慮接線和甲板強度、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護管口，可選用絞車，絞車具體型號根據(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算抽拉力的3倍以上。鋼絲繩的長度也需要滿足施工要求，鋼絲繩長度須大于絞車到電纜護管口的走線長度+護管長度+鋼絲繩在水中的長度+鋪纜船甲板鋼絲繩長度+預留長度。

2.4 設備及人員

抽拉施工中，需要用到拉力計，用于監(jiān)控電纜拖拉過程中的受力，防止拖拉力過大，可根據(jù)抽拉力的大小和拉力計安裝的位置選取拉力計型號。其他的常用工具有導向滑輪、卸扣、吊環(huán)、旋轉(zhuǎn)萬向節(jié)、抱梁卡、倒鏈、尼龍繩、焊接及切割設備、高頻對講機等。

抽拉人員包括領隊、工程技術人員、電焊工、鉚工、架子工、起重工、電工等。

3 抽拉施工準備

3.1 海上升壓站

需要通過研究升壓站平臺圖紙及現(xiàn)場調(diào)研，確定平臺布場方案和鋼絲繩走線方式。確定護管口上方預焊接吊耳或掛抱梁卡的位置，焊接吊耳需要焊接在大梁、交叉點上，抱梁卡固定在大梁的下翼緣上，保證有足夠的強度。

絞車或絞磨機需要跨過甲板兩條梁進行固定，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。布場時須完成實際抽拉走線上的拉力測試，通常拉力測試達到計算的最大動態(tài)抽拉力數(shù)值即可，保持時間5min。

3.2 單樁基礎風機

單樁基礎風機的電纜護管口位于風機艙底層甲板，電纜護管口豎直向上，抽拉布場與升壓站類似。由于風機艙內(nèi)電氣設備較多，不宜動火焊接，因此需要避免焊接吊耳。抽拉牽引設備可使用絞磨機，絞磨機使用吊帶固定，護管口正上方使用抱梁卡固定在H型鋼上，下面懸掛拉力計和滑輪等設備，風機布場如圖4所示。

圖4 單樁基礎風機艙內(nèi)布置

3.3 導管架基礎風機

導管架基礎風機護管口對側(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，并切割方形孔，用于抽拉鋼絲繩的走線，如圖5所示。

圖5 導管架基礎風機艙內(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)作為電纜的首端進行抽拉，電纜首端抽拉的過程如下。

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

升壓站下放抽拉鋼絲繩，鋪纜船回收信號繩和抽拉鋼絲繩。鋪纜船回收信號繩至甲板，拆除信號繩，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ROV水下觀測到拖拉網(wǎng)套進入升壓站底部護管口，平臺開始下放與回收調(diào)整鋼絲繩。當電纜拖拉網(wǎng)套抽拉至底層甲板護管口處，停止抽拉。

在海甲板護管處電纜上纏繞吊帶，將吊帶抽拉至一層甲板護管處，用電動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)在底層甲板下方護管口處安裝纏繞吊帶，使用鋼絲繩抽拉，重復前述步驟，直至抽出的電纜長度滿足要求，此時電纜中心夾具也和升壓站底部護管完全密封。使用盤纜小車將電纜盤在底層甲板面上，使用錨固卡子將電纜永久錨固。

4.2 單樁基礎風機抽拉

單樁風機電纜抽拉前，有一項特殊的安裝“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模式航行至風機側(cè)，風機端下放鋼絲繩和信號繩，ROV通過信號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”錐形拖拉頭通過蝴蝶卸扣連接，拖拉頭末端連接有尼龍繩信號繩，鋪纜船吊裝“倒刺”入水。4）風機端開啟絞磨機，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°角進入海纜孔，ROV水下觀察，如有必要進行輔助。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）拖拉頭到達樁基內(nèi)平臺后，停止回收鋼絲繩，將抽拉鋼絲繩與信號繩通過卸扣連接。電纜抽拉的后續(xù)過程基本與以下導管架基礎風機電纜抽拉相同，不再詳述。

圖6 限彎器“倒刺”結(jié)構(gòu)

圖7 錐形拖拉頭

4.3 導管架基礎風機抽拉

通常海洋石油工程中海纜末端平臺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?？紤]到風機上抽拉絞磨機的拉力小、附近海床面土質(zhì)較軟、海纜在海床的沉降大等因素，施工時采用“撐桿提拉法”進行海纜抽拉。末端的抽拉過程如下：1）鋪纜船切割電纜密封后濕存于海床上，風機抽拉組將信號繩拋繩至鋪纜船甲板，鋪纜船甲板將其與甲板絞車連接。2） 風機端下放抽拉鋼絲繩及信號繩，甲板回收信號繩，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ROV鉤進行連接。3）鋪纜船使用吊機下放撐桿協(xié)助抽拉，ROV水下觀察。4）抽拉組回收鋼絲繩，做標記記錄抽拉長度。5）拖拉網(wǎng)套抽拉出風機樁基內(nèi)平臺，停止抽拉，并在拖拉網(wǎng)套下方電纜處綁扎吊帶，拖拉網(wǎng)套與電動葫蘆連接，使絞磨機鋼絲繩松弛。6）將絞磨機鋼絲繩與護管口安裝的吊帶卸扣連接，繼續(xù)抽拉，直至電纜抽出護管口需要的長度，通常為20m以上，停止抽拉。7） 將電纜從吊帶端開始往前進行剝鎧，并將剝好的電纜盤到上層甲板，使用錨固卡子在樁基內(nèi)平臺護管口將電纜永久錨固。

5 結(jié)語

該文系統(tǒng)介紹了風電風機基礎的類型、抽拉施工設計、施工準備和過程，根據(jù)業(yè)內(nèi)首次使用動力定位船和ROV進行電纜抽拉的項目實踐，總結(jié)了一套風電電纜抽拉的施工工藝，為今后類似的風電項目電纜施工提供技術指導和借鑒。該施工工藝可高效應用于海上風電施工，海上風機抽拉有其自身的特點， 施工時仍需注意以下幾點：1）由于風機的基礎形式多樣，并無一種可通用的布場形式。需要根據(jù)待施工風機的特點和現(xiàn)場條件進行布場，合理選取鋼絲繩走線和吊耳和抱梁卡的固定點。抽拉施工前需要進行拉力測試，測試時鋼絲繩的走線須與實際施工走線完全相同。當電纜抽拉進入風機艙之后，應用盡可能高效的盤纜方式。2）施工前盡可能對升壓站電纜護管進行清管操作，清理護管口附近的垃圾和廢棄鋼絲繩，同時在抽拉過程中平臺人員和鋪纜船人員協(xié)同作業(yè)，避免鋼絲繩在護管口下部盤積打結(jié)。3）單樁基礎風機對水面下電纜進塔筒的方式影響較大，如風機設計為柔性限彎器“倒刺”形式，施工時要特別注意限彎器前端錐形拖拉頭進入電纜口的角度，如果進孔不順利，須細致分析原因，使用ROV進行輔助，多次嘗試不同角度。4）電纜末端盡量不選擇濕存方式，如果無法避免，電纜端部入水前，需要進行高質(zhì)量的鉛封，以避免電纜進水損壞。