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海底电缆铺设研究

归档日期:07-18       文本归类:海底电缆线路      文章编辑:爱尚语录

  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: 2 最长长度:6400m;海缆导体的截面:3x400mm ,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。当驱动装置带动外圈回转时, 整个转盘随之跟着做回转运动。定柱式回转支承装置结构简单,制造方便,转动惯 量小,自重也较小,能使重心降低,使倾覆力矩减小。由于驱动装置带动的是支承装 置的外圈,所以驱动功率也明显小于转柱式回转支承装置的驱动功率。适合作为 敷设长度较短,重量较轻的转盘回转部分的支承装置。 1 一颈向止推轴承;2 一支承滚轮 图 7 定柱式回转支承装置的示意图 (2)滚动轴承式回转支承装置 滚动轴承式回转支承装置是目前使用最广,应用最为普遍,承受载荷性能最好 的一种。滚动轴承式回转支承装置结构紧凑,可以同时承受轴向力,径向力以及倾 覆力矩,能够有效的保证转盘做平稳的回转运动。转盘回转部分固定在大轴承的 回转座圈上,而大轴承的固定座圈则与施工船的甲板相固结。 常用的滚动轴承式回转支承装置按滚动体形状和排列方式可分为下面四 种结构: 1单排四点接触球式回转支承 如图 8 所示为单排四点接触球式回转支承的示意图。它由两个座圈组成,其 滚动体为圆球形,每个滚动体与滚道间呈四点接触,能同时承受轴向、径向力和倾 覆力矩单排四点接触球式回转支承有三种型号,无齿型,外齿型和内齿型。 一般选 用外齿型和内齿型。选用外齿型可以减小驱动装置的驱动功率,但会增加转盘尺 寸。选用内齿型可以减小转盘的尺寸,但会增加驱动装置的驱动功率。选用时可 根据实际情况进行选择。单排四点接触球式回转支承是适用于敷设重量较轻,长 度较短海缆的转盘的支承装置。 图 8 单排四点接触球式回转支承的示意图 2双排球式回转支承 如图 9 所示。它有三个座圈,采用开式装配,上下两排钢球采用不同直径以适 应受力状况的差异。能同时承受轴向、径向力和倾覆力矩。由于滚道接触压力角 较大(600~900)因此能承受很大轴向载荷和倾覆力矩。 双排球式回转支承有三种型 号,无齿型,外齿型和内齿型。一般选用外齿型和内齿型。选用外齿型可以减小驱 动装置的驱动功率,但会增加转盘的尺寸。选用内齿型可以减小转盘的尺寸,但会 增加驱动装置的驱动功率。 选用时可根据实际情况进行选择。双排球式回转支承是适用于敷设超长度、 大截面、大重量海缆的转盘的支承装置。这种结构的支承装置应用较为广泛,能 够满足转盘做回转运动的需要,是一种比较理想的回转支承装置。 图 9 双排球式回转支承的示意图 3单排交叉滚柱式回转支承 如图 10 所示为单排交叉滚柱式回转支承示意图它由两个座圈组成,其滚动 体为圆柱形,相邻两滚动体的轴线呈交叉排列,接触压力角为 450。 能同时承受轴 向、径向力和倾覆力矩。由于滚动体与滚道间是线接触,故承载能力高于单排钢 球式。单排交叉滚柱式回转支承有三种型号,无齿型,外齿型和内齿型。一般选用 外齿型和内齿型。选用外齿型可以减小驱动装置的驱动功率,但会增加转盘的尺 寸。选用内齿型可以减小转盘的尺寸,但会增加驱动装置的驱动功率。选用时可 根据实际情况进行选择。这种回转支承装置制造精度高,装配间隙小,安装精度要 求较高,所以成本也比其它几种结构形式高。同时,单排交叉滚柱式回转支也不是 适用于敷设超长度、大截面、大重量海缆的转盘的支承装置。所以这种支承结构 在实际机械装置中很少使用。 图 10 单排交叉滚柱式回转支承示意图 4三排滚柱式回转支承 如图 11 所示为三排滚柱式回转支承示意图。它由三个座圈组成,上下及径向 滚道各自分开。上下两排滚柱水平平行排列,承受轴向载荷和倾覆力矩,径向滚道 垂直排列的滚柱承受径向载荷。有三种型号,无齿型,外齿型和内齿型。一般选用 外齿型和内齿型。选用外齿型可以减小驱动装置的驱动功率,但会增加转盘的尺 寸。选用内齿型可以转盘的尺寸,但会增加驱动装置的驱动功率。选用时可根据 实际情况进行选择。 三排滚柱式回转支承是常用四种形式的回转支承中承载能力 最大的一种,适用于敷设超长度,大截面,大重量海缆的转盘的支承装置。在实际机 械装置中也较为常用,但由于它的制造精度和安装精度较高,所以成本也较高。 图 11 三排滚珠式回转支承示意图 综上所述,四种回转支承技术特性比较见表 2 表 2 四种回转支承技术特性比较 可见,双排球式回转支承和三排滚柱式回转支承都符合使用寿命高,承载能 力大,回转阻力小等特点,根据转盘直径较大的结构特点,本文设计的回转支承装 置是在三排滚柱式回转支承的结构基础上设计的两排滚柱式回转支承。如图 12 所示。 图 12 两排滚柱式回转支承

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