海底电缆敷设船及相关施工设备研究综述

近年来，海岛经济、海上风电场、海洋可再生能源和海上智能电网的迅速发展，对海上电力传输提出了新的要求。海底电缆作为目前应用最广泛的海上电力传输设备，其使用已有100多年的历史。电缆铺设在海床上的最主要作用就是输电。近40年来，随着国内外输变电、制造加工技术、施工技术、铺设船施工技术的发展，海底电缆的长距离输电技术也有了很大的提高。

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连接漂浮式风电的海底电缆

一、海底电缆铺设船舶及设备发展

电缆敷设船（CLV）是由海底电缆发展而来的，其发展可分为3个阶段：第一阶段为20世纪50年代以前的海底电报电缆；第二阶段为同轴电缆，从20世纪50年代到80年代中期；第三阶段为光、光电复合电缆，自20世纪80年代至今。海底电缆可分为海底电报电缆和海底电力电缆2种。与电报电缆的CLV相比，电缆的CLV起步较晚，发展较慢。1850年8月，世界上第一条海底电报电缆由英国和法国在多佛尔海峡铺设。当时的建造船大多是由商船改装而成，而商船缺乏铺设电缆的专用设备。作业水深有限，大多数船舶只能在浅水作业。20世纪60、70年代，欧洲和北美开始出现越洋海底电缆建设。随着对同轴电缆施工要求的不断提高，专业化的敷设船应运而生。20世纪80年代，可变螺距和侧推力器增强了船舶的操纵性，导致了电缆铺设技术的改进。20世纪80年代末，海底电缆的大规模发展，推动了更多大吨位CLV的迅速出现。20世纪90年代初，在电缆铺设领域出现了专业的10000tCLV。

进入21世纪，现代CLV上安装了越来越多的专业设备，包括动态定位（DP）系统、电缆敷设机械以及其他自动控制和测量系统。先进的动态定位系统、艉门电缆敷设新模式、自动敷设机械和基于物联网的残留物控制系统，构成了现代CLV的基本要素和特点。DP系统是一种由计算机控制的船舶自动操纵系统。通过采集精确定位、气象、潮流速度等数据，计算机可控制DP系统自动调节不同推进器（螺旋桨、横向推进器、舵机）的推力，实现精确的动态定位。DP-1级至少包含1个DP系统，能够自动保持船舶的位置和航向；DP-2级应该包含2个独立的DP系统，不管另一个系统处于什么状态，都可以独立运行；DP-3级应该至少有3个DP系统和其他附加要求，能够实现先进的动态定位，记录瞬时经纬度，有效控制船舶航速。船舶操纵性的提高使甲板操作方式发生变革。电缆敷设和埋设作业可在船尾进行，节省甲板空间，优化船舶总体空间规划，提高船舶的作业效率。

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海缆布缆船及施工现场

海底电缆敷设机（CLM）是现代海底电缆敷设的专用设备，是衡量现代海底电缆敷设效率的重要指标。CLM有线形和鼓形2种类型。这2种类型的CLM都有各自的优势。鼓形CLM在甲板上所占空间小，张力大，运行状态稳定。直线形CLM适用于长距离作业，以较小的张力占用较大的空间。此外，CLM应在自动张力控制模式或铺设速度控制模式下运行。对于后一种模式，应考虑电缆剩余长度。剩余长度不仅与电缆总长度有关，还与路由长度有关。当电缆由CLM敷设时，路由同时被CLV的移动覆盖。船舶航速与敷设航速的同步协调应由计算机系统控制和实现。

二、海底电缆铺设船舶国内外发展现状

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⒈国内发展现状

在我国，国内海底电缆工程起步较晚，相关技术相对落后。独立构建的CLV数量较少。此外，与国外发达国家相比，国内CLV的电缆承载和铺设能力仍有较大差距，制约了海底电缆工程的运行效率。由于CLV吨位大，海底电缆工程在近岸浅海进行。定位系统主要由锚和系泊线组成，同时CLM是传统的埋缆机，不能满足日益增长的海底电缆需求。

国内首个CLV名称为“邮电1号”。它是在1976年根据中国和日本之间建造海底电缆的协议设计和建造的。该船的长度和宽度分别为71.4m和10.5m。排水量1300t，巡航速度14kn。最大电缆承载能力为400t。邮电1号采用特殊的V型外截面形状，以获得良好的稳定性，提高推力效率。埋线机用直线式和滚筒式CLM及牵引绞车。CLV在1976年5月投入使用，并完成了电缆铺设任务。

“建缆1号”是浙江舟山启明电力公司的主舰，可深埋海底电缆，于2010年6月投入使用。建缆1号先后完成南方电网公司江门110kV工程、舟山四角110kV并网工程、大曲110kV变电所扩建工程、黄泽山110kV工程电缆深埋任务。CLV是一种无动力平底驳船，使用锚和系泊绳进行定位，适用于浅水作业。启明公司通过安装一个直径为18.0m的转盘升级了建缆1号。转盘承载能力为2000t，在无级变速模式下可实现0～18.0m/min的卸缆，提高了电缆敷设作业的安全性和效率。此外，监测系统也进行了升级，电力配置更加合理。

“舟电7号”CLV于2011年自主设计建造，适用于海上作业。CLV具有动态定位功能，可用于电缆的敷设、打捞和掩埋。舟电7号由舟山电力局和海军通信和应用研究所联合开发，长度为75m，吃水3.5m，满载排水量3000t，抗风能力8级。CLV可将电缆埋至3.5m深的地下。

“启帆9号”被认为是中国最先进的CLV，于2018年8月建成。它是第一个5000tCLV，服务于舟山500kV电力连接工程。启帆9号的长度为110m，型宽为32m，型深为6.5m，最大吃水4.8m，最大排水量为14300t。该CLV配备了8点锚泊系统、单点牵引系统、DP系统和船上净化室。电缆承载能力为5000t，为国内最大。即，220kV电压等级的海底电缆最长敷设距离将从30km增加1倍至60km。此外，启帆9号可以在不同的服务海况下运行，包括复杂的潮流条件和更高的抗风水平。

5000吨级海底电缆施工船启帆9号

虽然国内CLV发展迅速，但CLV数量依旧较少，吨位也相对较小。电缆的敷设能力和运行效率与国外先进的电缆敷设船相比有较大差距。此外，国内海底电缆铺设工程的数量也相对较少，而且这些工程也都是在近岸浅海进行的。因此，需要提高大吨位CLV的自主开发能力，以满足更复杂条件下高压级电缆敷设工程的需求。

⒉国外发展现状

国外海底电缆建设较早，技术先进的海底电缆船能够满足大多数海洋环境条件。国外CLV的电缆敷设能力优于国内CLV，特别是在海底电缆的长距离施工方面，积累了较多的现场作业经验。此外，作业覆盖了浅水和深水，这意味着国外的CLV在水深上没有限制。电缆承载能力是CLV的核心承载能力。

Nexans Skaggerak建于1976年，属于Nexans工程公司。这种CLV的电缆装载能力为7000t。船长118.25m，模制宽度32.15m。Nexans Skaggerak公司利用射流铺设凹槽，为海底电缆施工提供了一些新的思路。与此同时，Nexans Skaggerak配备了当时最先进的全球定位系统和几台起重机。它参与了挪威和荷兰之间的许多海底电缆项目，总长为576km。全球海洋系统工程公司于1979年建造了BoldEndurance，载重5450t，长139m，宽20m，吃水5.8m，巡航速度为6.3kn。

Deep Constructor建于1980年，属于Technip工程公司，长126m，模宽25.0m，承载能力2000t，可用于深水管道建设和电缆敷设。在建成后，Deepconstructor经历了几次修改，以适应施工需求的变化。Guilio Verne建于1983年，属于倍耐力和普睿司曼工程公司。船长133.2m，型宽30.5m，吃水7.7m，载货能力7000t。该CLV配备DP-2系统，能够进行最具挑战性的水下作业。GuilioVerne的最大工作水深为1600m。具有先进的喷气和其他类型的挖沟机，可同时铺设和埋设海底电缆，最大埋设深度为3.0m。

耐克森海缆敷设船

Discoverer Barge属于Subocean Group工程公司，该敷设船建于1985年。长度为91.0m，模制宽度为30.0m，吃水6.1m，装载能力为5500t。TeamOman建于1999年，属于Teamnico工程公司。船长86.1m，型宽24.0m，吃水4.8m，载重4800t。Deep Blue是1艘铺设在海底的电缆和管道的施工船，于2001年在韩国蔚山的MIPO船厂建造，属于德西尼布工程公司，长207m，模制宽度32m，承载能力2800t。Seven Oceans建于2007年，属于海底工程公司，长157.3m，模宽28.4m，载重3500t。船上最多可乘坐120人。Seven Oceans配备了6台额定功率为3360kW的柴油发动机。

“亚特兰大”号建于2008年，属于Assodiver工程公司。长度97m，模制宽度31m。亚特兰大号的最大吃水为4.26m，载重能力为4500t。该CLV配备了DP系统，该系统是专为在浅水敷设电缆而设计的。2008年以来，参与了Sy1 Win1，Hel Win2，Cyclades，Western HVDC Link，Veja Mate等项目。亚特兰大可以铺设并埋设长度为30km、埋设深度为1.55m的海底电缆。

2009年，Oceanteam Powerand Umbilical工程公司建造了CLV“North Ocean102”。船长137m，型宽27m，吃水6.8m，载重7000t，航速12.3kn。North Ocean102拥有DP系统和垂直电缆敷设系统。作业水深范围为10～3000m。同年，Technip工程公司构建了一个新的CLV“Apache2”。实际上，Apache2是一艘管道铺设船，可以铺设电缆，长度为138m，模压宽度为27m，装载能力为2000t。

除了上述的CLV外，还有几个大型CLV正在建设中。例如，世界上最大的CLV“列奥纳多·达·芬奇”，将于2021年完成。最大电缆承载能力将是10000t，可以在3000m的水深铺设电缆，并将参与英国和丹麦之间的电缆铺设项目。除了大规模开发的方向外，环保节能也是重要的方向。荷兰海事公司Van Oord正在建造一个新的环保CLV，将于2023年完工，长度为130m，模压宽度为28m，装载能力为8000t。这艘CLV是一艘使用生物质燃料的混合动力船舶，将装备智能电缆铺设控制系统和DP-2系统。

可以看出，国外的CLV具有更大的承载能力，大多数CLV能够承受超过3000t的电缆。这些CLV适用于不同深度的海水。改进了敷设设备和控制系统，提高了敷设效率。转盘平面回扭是目前最常用的方式，适用于平滑电缆的松解，实现全回扭。

三、海底电缆铺设船舶发展趋势

随着高电压级、大截面海底电缆的使用和海底电力通信复合电缆的出现，对CLV提出了长距离作业和大电缆承载能力的要求。同时，随着现代信息技术、自动控制技术和大数据技术的大量应用，对于新开发的CLV来说，大电缆承载能力、模块化技术、复杂水深作业能力、多功能和环保将是未来的发展趋势。随着跨海并网的发展，海底电缆的长度不断增加。为了提高敷设效率，对电缆承载能力的要求也会更大。例如，普睿司曼集团开发的CLV“列奥纳多·达·芬奇”将使用2个转盘，负载能力分别为10000t和7000t。模块化是当前工程船舶设计的一个重要方向。采用模块化技术，通过模块的快速更换，缩短了运行周期。此外，根据不同的工作要求，可以使用不同的模块对CLV的功能进行修改，这将扩大船舶的使用范围。对于以往的浅水敷设工程，浅层表层土壤较为松软。锚索不埋或埋得较浅，容易被锚或海洋生物破坏。随着可靠性和安全性要求的提高，硬海底深埋技术将是今后需要解决的问题。

目前，CLV的功能单一，不能满足目前电缆敷设的要求。旧海底电缆的假检修、海床的扫测、水下作业、打捞等已成为先进海底运输工具的一部分功能。例如，Lewek Connector具有较大的甲板面积和起重机覆盖面积，可用于施工检修平台。配备的WROV可以辅助准确的电缆敷设作业。考虑到化石燃料的消耗和海洋环境的保护，未来的CLV应该更加环保，减少任何可能的海洋污染。例如，Van Oord公司开发的CLV将利用生物质燃料作为混合动力，以减少二氧化碳排放。

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海底电缆敷设船 “Rene Descartes”配套ROV

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四、结语

随着海洋的快速发展，对海底电缆的需求日益增加。作为铺设海底电缆的主要工具，海底电缆敷设船舶在人类活动中发挥着重要作用。本研究对海底电缆敷设船舶的研究进行了简要的总结，并对国内外CLV的现状进行了综述。根据未来的发展趋势，提出了CLV未来的设计方向。
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