海上风电场35kV海缆抽拉工艺研究

张云鹏 黄 鑫 马庆林 丁永海 钟任欢

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东 深圳 518067）

0 引言

为了应对气候环境的变化，倡导地球和人类的可持续发展，世界能源正向着低碳化、无碳化的发展模式转型。可再生能源在未来非化石能源结构中的地位快速上升，将成为未来增长最快的能源。其中风电是可再生能源发电的“主力军”，而海上风电将成为未来风电市场的发展重心。

海上风电项目通常由升压变电站、风机基础及安装、海底电缆和陆上集控中心等四大工程组成。一般集电线路通过35kV海底电缆先接入海上升压变电站，升压至220kV后，再经220kV海底电缆接入220kV陆上集控站。我国从事海上风电施工的主要为海洋开发建设领域的企业，行业领域涵盖跨海大桥、港口设施与海洋石油开采工程。

目前国内对海洋石油平台抽拉管缆有相关的研究资料，也有部分海上风电的论文涉及220kV海底电缆的敷设施工，但尚无35kV海底电缆抽拉上升压站和风机平台的研究论文。

该文根据业内海洋工程公司首次利用动力定位DP（Dynamic Positioning）铺缆船和水下机器人ROV（Remoted Operational Vehicle）进行风机平台电缆抽拉施工的案例，参考海洋石油工程领域的电缆抽拉，详细阐述了风电电缆施工的工艺方法和特点。

1 海上风电基础类型

海上风电基础结构通常作为一个基础体嵌入或者放置在海底，一般的风电基础结构是指与塔架连接以下的部分。目前国内所采用的多为固定式基础结构，固定式基础结构是海洋石油平台所采用的传统结构。海上风电升压站类似于海洋石油平台，采用导管架基础结构，电缆护管同样是J型护管，如图1所示。

图1 升压站基础形式

风机基础包括单桩基础、三桩/多桩基础、导管架基础、重力式基础、负压筒式基础等形式。

目前南海和东海海上风场的风机多基于单桩基础和导管架基础设计及建造。单桩基础整体为内空的圆柱形筒体结构，筒体侧壁上预制时切割椭圆形的水下电缆孔，作为电缆进入单桩基础的通道，单桩基础如图2所示，水下电缆孔如图3所示。电缆孔外侧需要有电缆限弯结构，通常有钢管护管和柔性限弯器的形式，柔性限弯器又称为“倒刺”，该文将以“倒刺”为例进行介绍。

图2 单桩基础

图3 水下电缆孔

导管架式基础的护管形式较为特殊，护管外形为“S”形，护管顶部以横向形式进入风机筒体，护管法兰的朝向也相应为横向。

2 抽拉设计及设备

2.1 抽拉力计算

抽拉设计前，通过估算电缆抽拉过程中最大抽拉力，可以为设备选型和抽拉施工设计等提供依据。通常较为准确的计算方法是应用Orcaflex水动力分析软件模拟电缆抽拉的过程，计算得出最大抽拉力数值。在条件不具备时，可以根据电缆的质量进行估算，计算方式如下：抽拉力=电缆在海水中质量+在空气中质量+电缆与护管的摩擦力+电缆与海床泥面的摩擦力。

2.2 抽拉设备

海上风电施工中，用于提供抽拉力的设备通常为绞磨机和绞车。绞磨机是一种小型轻便的牵引设备，搬运方便，如果抽拉力不超过10t，使用绞磨机即可满足要求。

绞车的体积和质量较大，现场布置时需要考虑接线和甲板强度、固定位置等，可以提供10t以上的抽拉力。如需要较大的抽拉力并且一次就位后抽拉多个护管口，可选用绞车，绞车具体型号根据施工需求选用。

2.3 钢丝绳

使用牵引提拉的钢丝绳，首先要考虑钢丝绳规格，须保证使用的钢丝绳破断力至少为计算抽拉力的3倍以上。钢丝绳的长度也需要满足施工要求，钢丝绳长度须大于绞车到电缆护管口的走线长度+护管长度+钢丝绳在水中的长度+铺缆船甲板钢丝绳长度+预留长度。

2.4 设备及人员

抽拉施工中，需要用到拉力计，用于监控电缆拖拉过程中的受力，防止拖拉力过大，可根据抽拉力的大小和拉力计安装的位置选取拉力计型号。其他的常用工具有导向滑轮、卸扣、吊环、旋转万向节、抱梁卡、倒链、尼龙绳、焊接及切割设备、高频对讲机等。

抽拉人员包括领队、工程技术人员、电焊工、铆工、架子工、起重工、电工等。

3 抽拉施工准备

3.1 海上升压站

需要通过研究升压站平台图纸及现场调研，确定平台布场方案和钢丝绳走线方式。确定护管口上方预焊接吊耳或挂抱梁卡的位置，焊接吊耳需要焊接在大梁、交叉点上，抱梁卡固定在大梁的下翼缘上，保证有足够的强度。

绞车或绞磨机需要跨过甲板两条梁进行固定，以保证甲板有足够的承载力，固定方式可使用筋板焊接和吊带/钢丝绳绑扎固定。布场时须完成实际抽拉走线上的拉力测试，通常拉力测试达到计算的最大动态抽拉力数值即可，保持时间5min。

3.2 单桩基础风机

单桩基础风机的电缆护管口位于风机舱底层甲板，电缆护管口竖直向上，抽拉布场与升压站类似。由于风机舱内电气设备较多，不宜动火焊接，因此需要避免焊接吊耳。抽拉牵引设备可使用绞磨机，绞磨机使用吊带固定，护管口正上方使用抱梁卡固定在H型钢上，下面悬挂拉力计和滑轮等设备，风机布场如图4所示。

图4 单桩基础风机舱内布置

3.3 导管架基础风机

导管架基础风机护管口对侧的筒体壁上须提前焊接抽拉吊耳，用于电缆横向抽拉。在上层甲板上固定绞磨机，并切割方形孔，用于抽拉钢丝绳的走线，如图5所示。

图5 导管架基础风机舱内布置

4 电缆抽拉施工

4.1 升压站抽拉

通常将升压站侧作为电缆的首端进行抽拉，电缆首端抽拉的过程如下。

铺缆船靠近升压站，抽拉组将与信号绳连接的尼龙绳抛绳到铺缆船甲板，甲板回收尼龙绳，并与甲板绞车钢丝绳连接。

升压站下放抽拉钢丝绳，铺缆船回收信号绳和抽拉钢丝绳。铺缆船回收信号绳至甲板，拆除信号绳，将抽拉钢丝绳与甲板电缆拖拉网套前索具相连。

铺缆船下放抽拉钢丝绳及索具，安装中心夹具等海缆附件，海缆附件安装完成后，升压站继续回收钢丝绳。当ROV水下观测到拖拉网套进入升压站底部护管口，平台开始下放与回收调整钢丝绳。当电缆拖拉网套抽拉至底层甲板护管口处，停止抽拉。

在海甲板护管处电缆上缠绕吊带，将吊带抽拉至一层甲板护管处，用电动葫芦与电缆缠绕吊带相连，并缓慢带力，抽拉钢丝绳松弛。继续在底层甲板下方护管口处安装缠绕吊带，使用钢丝绳抽拉，重复前述步骤，直至抽出的电缆长度满足要求，此时电缆中心夹具也和升压站底部护管完全密封。使用盘缆小车将电缆盘在底层甲板面上，使用锚固卡子将电缆永久锚固。

4.2 单桩基础风机抽拉

单桩风机电缆抽拉前，有一项特殊的安装“倒刺”工作须提前完成，图6中即为限弯器“倒刺”结构，图7为锥形拖拉头。抽拉施工主要步骤如下。1）铺缆船以DP模式航行至风机侧，风机端下放钢丝绳和信号绳，ROV通过信号绳将抽拉钢丝绳从海缆孔拉出。2）铺缆船下放甲板钢丝绳入水，ROV水下连接甲板钢丝绳和抽拉钢丝绳。铺缆船回收甲板钢丝绳，将抽拉钢丝绳回收至铺缆船甲板。3）甲板将抽拉钢丝绳与“倒刺”锥形拖拉头通过蝴蝶卸扣连接，拖拉头末端连接有尼龙绳信号绳，铺缆船吊装“倒刺”入水。4）风机端开启绞磨机，缓慢回收钢丝绳，以调整拖拉头入海缆孔角度。5）“倒刺”拖拉头45°角进入海缆孔，ROV水下观察，如有必要进行辅助。6）“倒刺”安装到位后，抽拉钢丝绳继续回收，使用超过3.5t的拉力将自断螺丝拉断，使拖拉头与“倒刺”分离。7）拖拉头到达桩基内平台后，停止回收钢丝绳，将抽拉钢丝绳与信号绳通过卸扣连接。电缆抽拉的后续过程基本与以下导管架基础风机电缆抽拉相同，不再详述。

图6 限弯器“倒刺”结构

图7 锥形拖拉头

4.3 导管架基础风机抽拉

通常海洋石油工程中海缆末端平台抽拉的方法有以下几种：“海底拖拉法”“撑杆提拉法”“半圆支架提拉法”等。考虑到风机上抽拉绞磨机的拉力小、附近海床面土质较软、海缆在海床的沉降大等因素，施工时采用“撑杆提拉法”进行海缆抽拉。末端的抽拉过程如下：1）铺缆船切割电缆密封后湿存于海床上，风机抽拉组将信号绳抛绳至铺缆船甲板，铺缆船甲板将其与甲板绞车连接。2） 风机端下放抽拉钢丝绳及信号绳，甲板回收信号绳，ROV水下将湿存电缆的拖拉网套和钢丝绳前面的吊环通过ROV钩进行连接。3）铺缆船使用吊机下放撑杆协助抽拉，ROV水下观察。4）抽拉组回收钢丝绳，做标记记录抽拉长度。5）拖拉网套抽拉出风机桩基内平台，停止抽拉，并在拖拉网套下方电缆处绑扎吊带，拖拉网套与电动葫芦连接，使绞磨机钢丝绳松弛。6）将绞磨机钢丝绳与护管口安装的吊带卸扣连接，继续抽拉，直至电缆抽出护管口需要的长度，通常为20m以上，停止抽拉。7） 将电缆从吊带端开始往前进行剥铠，并将剥好的电缆盘到上层甲板，使用锚固卡子在桩基内平台护管口将电缆永久锚固。

5 结语

该文系统介绍了风电风机基础的类型、抽拉施工设计、施工准备和过程，根据业内首次使用动力定位船和ROV进行电缆抽拉的项目实践，总结了一套风电电缆抽拉的施工工艺，为今后类似的风电项目电缆施工提供技术指导和借鉴。该施工工艺可高效应用于海上风电施工，海上风机抽拉有其自身的特点， 施工时仍需注意以下几点：1）由于风机的基础形式多样，并无一种可通用的布场形式。需要根据待施工风机的特点和现场条件进行布场，合理选取钢丝绳走线和吊耳和抱梁卡的固定点。抽拉施工前需要进行拉力测试，测试时钢丝绳的走线须与实际施工走线完全相同。当电缆抽拉进入风机舱之后，应用尽可能高效的盘缆方式。2）施工前尽可能对升压站电缆护管进行清管操作，清理护管口附近的垃圾和废弃钢丝绳，同时在抽拉过程中平台人员和铺缆船人员协同作业，避免钢丝绳在护管口下部盘积打结。3）单桩基础风机对水面下电缆进塔筒的方式影响较大，如风机设计为柔性限弯器“倒刺”形式，施工时要特别注意限弯器前端锥形拖拉头进入电缆口的角度，如果进孔不顺利，须细致分析原因，使用ROV进行辅助，多次尝试不同角度。4）电缆末端尽量不选择湿存方式，如果无法避免，电缆端部入水前，需要进行高质量的铅封，以避免电缆进水损坏。