中型布纜船功能需求研究

常書平 李昆鵬 史孝華 苗青 陳福良

摘? ? 要：針對大陸與島嶼、島嶼與島嶼之間海底光纜的布設(shè)、維護(hù)、維修，分析了國內(nèi)中小型布纜船現(xiàn)狀和存在的不足，調(diào)研國際同類布纜船的技術(shù)發(fā)展趨勢，研究中型布纜船在作業(yè)對象、纜艙容量、埋深能力、維修能力、控位能力等方面的功能需求，為中型布纜船的研制提供依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：布纜船；功能需求；動力定位；電力推進(jìn)

中圖分類號：U674.34 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Function Demand Research of Medium-sized Cable Laying Ship

CHANG Shuping1，? LI Kunpeng1，? SHI Xiaohua2，? MIAO Qing3，? CHEN Fuliang1

（ 1. No.63983 Unit of PLA， Wuxi 214035; 2.Representative Office of Army， Qingdao 266002; 3. No.32119 Unit of PLA， Jian 134200 ）

Abstract： In view of the layout， maintenance and repair tasks of submarine optical cables between continents and islands， and between islands， this paper analyzes the current situation and shortcomings of small & medium-sized cable laying ships in China， surveys the technical development trends of international similar cable-laying ships， and studies the functional requirements of medium-sized cable laying ships in terms of operation objects， cable cabin capacity， buried depth capacity， maintenance capacity and position control capacity， which provide basis and guidance for the development of medium-sized cable-laying ships.

Key words： cable laying ship; function demand; dynamic positioning; electric propulsion

海底通信光纜或交、直流光纖復(fù)合纜，以抗干擾能力強(qiáng)、通信容量大、保密性能好、抗毀能力強(qiáng)等特點(diǎn)，發(fā)揮著其它通信手段無可替代的重要作用。我國有18000 km的海岸線和沿海6000余個島嶼，大陸與島嶼、島嶼與島嶼之間的通信大多依靠海纜通信方式。隨著海洋開發(fā)活動增加，拋錨作業(yè)等原因?qū)е碌暮＠|損壞事故日趨頻繁，海纜維修、維護(hù)工作量較之以前明顯增加。根據(jù)我國現(xiàn)有布撈纜船舶的統(tǒng)計(jì)，海纜作業(yè)能力已經(jīng)在一定程度上制約了國防和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，研制新型布纜船迫在眉睫，在開展方案設(shè)計(jì)之前，必須對其功能需求進(jìn)行分析研究。

1? ? ?國內(nèi)布纜船的現(xiàn)狀

我國現(xiàn)有沿海布纜船多為20世紀(jì)70～80年代設(shè)計(jì)建造的小型布纜船，隨著海底通信發(fā)展，海底光纜建設(shè)和維護(hù)對布纜船提出了更高要求，現(xiàn)有小型布纜船已不能滿足要求，主要存在以下問題：

（1）定位能力不足

布纜船在某設(shè)定海況（風(fēng)、浪、流）和水深條件下，長時間在低速或零航速狀態(tài)定向和定點(diǎn)精確作業(yè)時，船舶受到風(fēng)、浪、流等外界環(huán)境力的作用，也受到埋設(shè)機(jī)、所敷設(shè)的目標(biāo)電纜對船的拖曳力等的影響。海底光纜埋設(shè)時，對定位的精準(zhǔn)度要求極高，海底光纜敷設(shè)、維護(hù)、維修時通常在同一位置駐泊數(shù)小時，因受建造時的條件所限，這些船的定位能力較差，不能滿足現(xiàn)行作業(yè)需求。

（2）船型尺度偏小、耐波性和操縱性較差

合適的船型尺度、良好的船舶耐波性和操縱性能是海底光纜施工的基礎(chǔ)條件。海底光纜埋設(shè)時，要求船舶以穩(wěn)定低航速沿既定海纜路由航行，小型布纜船尺度偏小、船舶耐波性和操縱性能相對較差，導(dǎo)致施工效率不高，某些特種作業(yè)已不能完成。

（3）載纜量偏低

由于我國一些島嶼間建設(shè)海底光纜工程所需海纜長度均較大，為提高一次布設(shè)的距離，需加大海纜艙容積?，F(xiàn)有小型布纜船設(shè)計(jì)時主要針對近距離島嶼之間海纜施工作業(yè)，海纜裝載量較小，且運(yùn)營時間已接近設(shè)計(jì)壽命，不能滿負(fù)荷工作。

（4）光纜維修能力不足

隨著國防和經(jīng)濟(jì)需求不斷增加以及通信技術(shù)迅猛發(fā)展，海底通信電纜已逐漸被海底通信光纖或交、直流光纖復(fù)合纜所替代?，F(xiàn)有小型布纜船設(shè)計(jì)的作業(yè)對象多為海底電纜，沒有維修光纜所需的接續(xù)、測試設(shè)備，不具備維修海底光纜的能力。

（5）埋設(shè)深度不夠

隨著海洋開發(fā)活動的增加，捕撈、養(yǎng)殖、錨泊對海纜的危害越來越大。為對光纜線路進(jìn)行有效保護(hù)并確保通信效果，淺水區(qū)新敷設(shè)光纜、維修后的光纜均需要按國家相關(guān)規(guī)范及路由設(shè)計(jì)深度要求進(jìn)行埋設(shè)，現(xiàn)有小型布纜船所裝的埋設(shè)機(jī)，最大埋設(shè)深度離要求相差甚遠(yuǎn)，且不具備海纜維修后再埋設(shè)的能力。

（6）海纜路由敷設(shè)精度達(dá)不到要求

海纜路由敷設(shè)精度受船的定位能力和埋設(shè)機(jī)的作業(yè)精度影響，現(xiàn)有中小型布纜船尺度偏小、定位能力較差，埋設(shè)機(jī)的作業(yè)精度也不高，不能滿足海纜路由敷設(shè)作業(yè)的精度需求。

（7）國產(chǎn)設(shè)備配套水平低

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，為滿足海底光纜工程建設(shè)需要，我國陸續(xù)研制了一批新型海纜作業(yè)設(shè)備，如新型埋設(shè)機(jī)、輪胎式布纜機(jī)、水下維護(hù)機(jī)器人等，現(xiàn)有小型布纜船因諸多因素所限，不能滿足新設(shè)備的安裝要求，缺乏必要的電力供應(yīng)和安裝位置。

2? ? ?國際布纜船發(fā)展趨勢

為適應(yīng)海底光纜通信建設(shè)的需求，近年來國際上海底光纜布纜船越來越重視開發(fā)大型、專用、高性能的船舶，提高鋪設(shè)載纜容量、效率和靈活性，一般都具備跨洋作業(yè)能力，噸位較大，其發(fā)展趨勢有如下特點(diǎn)：

（1）作業(yè)能力不斷提高

海纜艙不斷增大，提高了一次性布放海纜的距離；埋深能力不斷增強(qiáng)，降低了海纜受損概率；鼓輪機(jī)的拉力不斷增大，打撈維修設(shè)備越來越先進(jìn)；配備了海纜作業(yè)綜合控制系統(tǒng)，使作業(yè)設(shè)備與動力定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同，極大提高了海纜作業(yè)質(zhì)量和效率。

（2）裝配動力定位系統(tǒng)

新建布纜船基本都配置動力定位系統(tǒng)[1]，該系統(tǒng)與高精度衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)合，大幅提升了布纜船在風(fēng)、浪、流環(huán)境條件下施工作業(yè)時的控位能力和維持設(shè)定航線航行的能力，提高海纜按預(yù)定路由布設(shè)、準(zhǔn)確撈取故障海纜的精度，進(jìn)行光纜接續(xù)作業(yè)時布纜船也能保持相對固定位置。

（3）采用電力推進(jìn)技術(shù)

電力推進(jìn)系統(tǒng)中的推進(jìn)器采用電動機(jī)驅(qū)動，其調(diào)速性能優(yōu)異、響應(yīng)快，使船舶的操縱性和機(jī)動性大大優(yōu)于采用常規(guī)螺旋槳推進(jìn)方式，滿足布纜施工作業(yè)對船舶控位的要求；采用電力推進(jìn)省去了傳動軸系、齒輪箱、軸隧等設(shè)施，為總體設(shè)計(jì)提供了更多的空間，使整船的總體布置得到優(yōu)化；電力推進(jìn)是提高船舶推進(jìn)效率的先進(jìn)方法，降低了主機(jī)損耗和燃油消耗率，從而有效降低全壽命周期成本[2]。

（4）采用艉部作業(yè)方式

新造布纜船一般均采用艉部作業(yè)方式[3]。海纜作業(yè)涉及到多臺套設(shè)備，各設(shè)備之間的協(xié)調(diào)十分重要，參與人員較多，艉部可提供足夠大的作業(yè)面積；相對于傳統(tǒng)的艏艉結(jié)合的作業(yè)模式，采用全艉部作業(yè)，可減少各設(shè)備之間的干涉，施工設(shè)備的操作和監(jiān)控更加便捷，給海纜作業(yè)帶來極大的便利，同時使作業(yè)區(qū)和生活區(qū)劃分明確，減少干擾。

3? ? 中型布纜船功能需求

3.1? ?作業(yè)對象

海纜包括海底通信電纜、海底光纜、海底電力纜及光電復(fù)合纜等，不同類型和廠家所產(chǎn)海纜的最小允許彎曲半徑、允許最大牽引力、允許最大側(cè)壓力、空氣中重量等規(guī)格參數(shù)均有差異。表1為5種常用規(guī)格海纜的相關(guān)參數(shù)。

由于島嶼的通信和電力需求一般都較小。以某型外徑為86 mm的海底電纜／光電復(fù)合纜為例，該型纜可加載數(shù)十條光纖，輸送電力超過1 500 kW，可滿足小型島嶼的電力和通信需求，因此中型布纜船作業(yè)對象確定為海底光纜和小型海底電纜／光電復(fù)合纜。

3.2? ?載纜量

（1）海底光纜對艙容的需求

由于中型布纜船作業(yè)水域?yàn)槲覈＃：Ｓ蛩钶^淺（見表2），必須選用鎧裝纜進(jìn)行深埋。我國領(lǐng)海內(nèi)面積大于500 m2的海島有約六千余個，其中離大陸距離大于100 km的遠(yuǎn)岸島約只占總數(shù)的5%[4]，主要分布在海南省東部和南部、廣東省的東沙及臺灣的海島，因此中型布纜船保障對象著重考慮離大陸距離小于100 km的沿岸島和近岸島。

海纜所占體積，按下式計(jì)算：

V=π×L×a2/4 000/C? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：V為海纜占用體積，m3；a為海纜直徑，mm；L為海纜長度，km；C為海纜裝載占積系數(shù)。一般有鎧海纜取C=0.72～0.74，無鎧光纜取C=0.76，本計(jì)算取0.72。除了GJB4489-2002 A型海底光纜外，還選取了性能與之相近且應(yīng)用較為廣泛的法國和德國某型海底光纜進(jìn)行容積計(jì)算，如表3所列。

（2）海底電纜／光電復(fù)合纜對艙容的需求

由于海底電纜線路損耗較大，小型海底電纜／光電復(fù)合纜的布設(shè)距離較短，一般不超過30 km。以某型外徑為86 mm的海底電纜／光電復(fù)合纜為例，重 量約為540 t，體積約為215 m3。綜合海底光纜和電纜／光電復(fù)合纜的計(jì)算結(jié)果，建議中型布纜船有效裝載艙容要大于200 m3，最大裝載量不小于600 t。

3.3? ? 埋深能力

自1993年第一條國際海底光纜登陸上海以來，人為損壞海底光纜的事件時有發(fā)生。盡管這些海纜在建設(shè)時已經(jīng)考慮了對淺海海域的海纜實(shí)施埋設(shè)的保護(hù)措施，但當(dāng)時設(shè)計(jì)埋深僅1.5～1.8 m。從維修情況看，海纜損毀的主要原因是大型船舶停泊拋錨和捕撈作業(yè)拋錨造成。實(shí)踐證明，海纜深埋是保護(hù)海纜安全、提高海纜生命力、增加海纜使用壽命的最有效方法，埋深達(dá)3 m的海纜受損概率很小，國內(nèi)外新建布纜船的最大埋深一般也達(dá)到3 m[5]。

3.4? ?維修接續(xù)能力

維修海底光纜是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，維修過程見表4。維修中，故障點(diǎn)的準(zhǔn)確定位很重要，如果測量點(diǎn)與真正的故障點(diǎn)相差較大，就要多接備用海纜，造成很大浪費(fèi)，并由此導(dǎo)致收、放海纜的時間要增加。但如果海纜埋得太深，則打撈難度相應(yīng)增大，一般需要打撈多次才能將海纜鉤住。因此，中型布纜船必須配備先進(jìn)的維修設(shè)備，包括先進(jìn)的故障測定設(shè)備、高效的撈纜裝置、拉力較大的鼓輪機(jī)、快速的接續(xù)設(shè)備和有效的再埋設(shè)工具等。

4? ? 小 結(jié)

本文基于新時代我國海島通信光纜及國際光纜登陸段的布放、埋設(shè)和維修等任務(wù)，深入分析了國內(nèi)小型布纜船現(xiàn)狀和不足，在分析國際布纜船發(fā)展特點(diǎn)與趨勢的基礎(chǔ)上，提出研制我國中型布纜船的需求并明確界定了其功能，對新型布纜船總體技術(shù)方案確定提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 毛建輝， 尉志源. 海纜船定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)， 2020， 42（20）.

[2] 尉志源 ， 毛建輝 ， 張志剛 . 大型海纜船技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 [J]. 船舶 ， 2019， （5）.

[3] 趙波 . 海纜船的現(xiàn)狀與展望 [J]. 航海技術(shù) ， 2016， （3）.

[4] 劉容子、齊連明等 . 我國無居民海島價值體系研究 [M]. 海洋出版社 ， 2006.

[5] 吳愛國 ， 袁舟龍 ， 公言強(qiáng)等 . 國內(nèi)海底電纜深埋敷設(shè)施工技術(shù)綜述 [J]. 浙江電力 ， 2015（3）.