CN114355537A - 一种带有保护套管的海光缆长距离敷设系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种带有保护套管的海光缆长距离敷设系统和方法，本系统包括布缆设备、套管安装设备、光缆角度监测设备、海底光缆模拟设备和光缆性能监测设备；布缆设备将海光缆输送至海水中；套管安装设备用于在海光缆上安装保护套管；光缆角度监测设备用于实施监测海光缆的入水角度；海底光缆模拟设备用于模拟显示海光缆在海底的敷设状态；光缆性能检测设备用于实时监测海光缆的通信性能。本方法包括：根据海光缆的敷设深度和力学性能，得到入水角度阈值；在海光缆上安装保护套管，并进行海光缆的敷设，同时监控海光缆的入水角度和承受的张力值。本申请实现了海光缆保护轻量化效果，减小了海光缆因张力而遭受到的损伤，确保了海光缆的性能。

Description

一种带有保护套管的海光缆长距离敷设系统和方法

技术领域

本申请属于海洋工程技术领域，具体涉及一种带有保护套管的海光缆长距离敷设系统和方法。

背景技术

跨洋国际海底光缆路由难免需要穿越落差或坡度较大区域，考虑其所用海缆主要为轻量保护型，其外部保护相对薄弱，容易受地形影响而磨损产生故障；另外在交越处两方缆型可能存在不一致的情况，即一方海缆有铠装而另一方没有，则可能导致没有铠装的一方海缆更容易磨损受伤；由于国际光缆中断产生的影响巨大，而深海海底光缆的维修打捞工艺十分复杂且费用高昂，为避免以上几类故障的发生，可以考虑对某些区域的海底光缆安装保护套管。

目前，在浅海海底光缆工程的近岸保护施工中会常常用到一种铸铁保护套管，这种套管采用首尾相扣的设计，安装简单且外壳坚固，可以抵御外部船锚钩挂或重物砸压，但由于其自重较大，在水深超过100米后就会因其压载在海底光缆上的重力太大，对海底光缆本体将造成损伤，故其应用范围主要在50米以浅区域。

对于深海海底光缆，则可以采用一种新型保护套管即URADUCT保护套管进行保护，这种保护套管在国际上已有很多应用先例，但主要是应用在电缆保护上，且连续安装长度一般也不超过1000米。

如何在确保海缆安全的情况下，在大水深、大长度安装URADUCT套管，成了本领域的研究重点。

发明内容

本申请提出了一种带有保护套管的海光缆长距离敷设系统和方法，采用URADUCT保护套管作为海光缆的保护套管，根据海光缆的力学性能确定海光缆的正常安装形态，实现既能保证保护套管正常安装，又不损伤海光缆，还能做到长距离敷设。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种带有保护套管的海光缆长距离敷设系统，包括布缆设备、套管安装设备、光缆角度监测设备、海底光缆模拟设备和光缆性能监测设备；

所述布缆设备用于将海光缆输送至海水中；

所述套管安装设备用于在所述海光缆上安装所述保护套管，所述保护套管采用URADUCT保护套管；

所述光缆角度监测设备用于实施监测所述海光缆的入水角度；

所述海底光缆模拟设备用于模拟显示所述海光缆在海底的敷设状态；

所述光缆性能监测设备用于实时监测所述海光缆的通信性能。

可选的，首节所述保护套管安装后，需要在所述保护套管的入水端设置防滑脱措施。

可选的，根据所述海光缆的力学性能，设置所述海光缆的入水角度阈值，所述海光缆的所述入水角度应在所述入水角度阈值范围内，当所述入水角度达到所述入水角度阈值时，调整施工船只的行进位置和行进速度。

可选的，所述布缆设备包括张力监测装置，所述张力监测装置用于监测所述海光缆承受的张力；

当所述海光缆承受的张力达到预设限值时，所述布缆设备加快输送所述海光缆，和/或控制所述施工船只的行进速度。

可选的，所述海底光缆模拟设备根据所述入水角度、所述海光缆的入水长度和施工船只的位移情况，模拟所述海光缆在海底的敷设情况。

可选的，向所述海光缆通入测试信号，所述光缆性能监测设备通过检测所述测试信号，获取所述海光缆的通信性能。

另一方面，为实现上述目的，本申请还公开了一种带有保护套管的海光缆长距离敷设方法，包括如下步骤：

根据施工船只的性能和工作台情况，确定海光缆敷设方式；

根据所述海光缆的敷设深度和所述海光缆的力学性能，得到所述海光缆在敷设时的入水角度阈值；

在所述海光缆上安装所述保护套管，并进行所述海光缆的敷设，同时监控所述海光缆的入水角度和承受的张力值，当所述入水角度达到所述入水角度阈值时，或者承受的张力达到张力限值时，停止所述海光缆的敷设，并调整所述施工船只的行进速度和/或行进位置，所述保护套管为URADUCT保护套管。

可选的，首节所述保护套管安装后，需要在所述保护套管的入水端设置防滑脱措施。本申请的有益效果为：

本申请公开了一种带有保护套管的海光缆长距离敷设系统和方法，将应用于电缆保护的URADUCT保护套管应用于深海底，作为海光缆的保护套管，实现了海光缆保护轻量化效果，减小了海光缆因张力而遭受到的损伤；同时，根据海光缆的入水形态，控制输送动作，保证了海光缆的完好，确保了海光缆的性能；模拟监控海光缆在深海底的敷设形态，随时掌握海底光缆质量状况，做到发现问题及时处理。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一种带有保护套管的海光缆长距离敷设系统和方法结构示意图；

附图标记说明

1、海光缆；11、光缆角度监测设备；12、套管安装设备；13、布缆设备；14、张力监测装置；15、光缆性能监测设备；16、海底光缆模拟设备；21、缆仓。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

传统的海光缆采用铸铁保护套管，这种套管采用首尾相扣的设计，安装简单且外壳坚固，可以抵御外部船锚钩挂或重物砸压，但由于其自重较大，在水深超过100米后就会因其压载在海底光缆上的重力太大，对海底光缆本体将造成损伤，故其应用范围主要在50米以浅区域。对于深海海底光缆，则可以采用一种新型保护套管即URADUCT保护套管进行保护，但是这种URADUCT保护套管主要是应用在电缆保护上，且连续安装长度一般也不超过1000米。而本申请技术方案则是将这种URADUCT保护套管应用于深海海底保护海光缆。

如图1所示，一种带有保护套管的海光缆1长距离敷设系统结构示意图，整套系统一般安装布置在施工船只尾部，包括布缆设备13、套管安装设备12、光缆角度监控设备、海底光缆模拟设备16和光缆性能监测设备15。具体的，布缆设备13用于将缆仓21中的海光缆1输送至海水中；套管安装设备12用于在海光缆1上安装保护套管，保护套管采用URADUCT保护套管；光缆角度监控设备用于实施监测海光缆1的入水角度，并控制布缆设备13输送海光缆1；海底光缆模拟设备16用于模拟显示海光缆1在海底的敷设状态；光缆性能检测设备用于实时监测海光缆1的通信性能。

本实施例采用的URADUCT保护套管的内孔直径为25mm；外径为75mm；最小弯曲半径为1.25m。套管的每段长度为2.0m，每段套管分雌、雄二片，通过设在管上的定位销柱与销孔组成一体，最后再由绑扎在管子外表的扎带将整条套管连成整体。具体检验指标如表1所示：

表1

检测项目	单位	测定值
			拉伸强度	Mpa	38
伸长率	％	550
			拉断变形	％	8
抗撕强度	KN/M	70
			巴邵氏回弹	％	48
比重密度	G/CM<sup>3</sup>	1.08
			压缩永久变形	Method B	33
硬度		83

深海海底光缆敷设作业一般采用定余量方式，本实施例也采用该种方式。当施工船航行至需安装URADUCT保护套管位置附近时应提前减速，并做好相关人员、设备及材料的准备工作。布缆设备13通常采用鼓轮机或者轮胎机，两者的原理和效果一样，本实施例采用鼓轮机。

为确保套管安装能够顺利进行，施工船只应在布缆设备13后方留出至少4m*1m的空间，可供两个工位同步安装，每个工位各自负责每段2m长的套管安装。若条件允许可以留出更大空间供更多操作人员同时安装，提高整体速度。

不过套管安装速度(一般两个工位同时安装为100-200米/小时)始终是远小于光缆定余量时的敷设速度(一般为2000-5000米/小时)，因此在具体施工时一般会采用以下两种布放方式：

(1)先安装，后敷设。即施工船只利用动力定位系统在某点定位，待安装一定长度套管后，操作布缆设备13向海中敷设，施工船只也行进相应距离后定位，继续安装套管，然后布缆设备13继续敷设，如此反复进行。

(2)边安装，边铺设。即施工船只低速航行，布缆设备13同步低速运行。由于套管安装必须全部由人工完成，安装速度受限，因此这种方式要求船只具备以极低速航行(每小时100米)的能力，或者多安排安装工位和人员，以弥补安装速度与最低航行速度间的差距。

在实际施工过程中具体采用哪种方法还需根据船只性能、操作空间、人员配备以及实时天气及海况决定。安装结束后由于海缆上承载了套管的重量，建议采用逐步加速的方式，待全部套管着底后再恢复至正常布缆速度。

在本实施例中，采用先安装后敷设的方式，提前安装一定长度的保护套管，以便正式开始敷设时，缓解套管安装速度和布缆设备13之间的速度差距。

为防止首节套管在通过尾部鼓轮时，套管与光缆间发生滑脱。因此首节套管在光缆安装后，应在套管的入水端设置防滑脱措施。在本实施例中，可采用直径10mm的绳索，先在光缆上缠绕8圈以上，然后在将绳索绑扎在套管上。绳索绑扎后应尽可能保持平滑过渡。

当施工船只达到施工位置时，应减慢航速至缓慢停止前进，布缆设备13则加速布缆，至光缆入水角度维持在70度左右。即定余量敷设模式转换成定张力敷设模式时，方可进行后续套管的安装。布缆设备13中设置有张力监测装置，用于监测海光缆1承受的张力，如果海光缆1承受的张力超出自身限制，则说明施工船只行进位置超出预设位置，需要调整船只的行进位置。如果采用边安装边布设的方式，则有可能是施工船只行进速度过快，需要降低船只速度，或者提高布缆设备13的输送速度。

关于海光缆1的入水角度，可根据其力学性能指标确定，采用海缆定张力模式敷设的传统张力计算公式：T＝whg/(1-cosα)，式中：T＝海缆所受张力(N)，W＝海缆的水中重量(N/m)，h＝敷设水深(m)，α＝入水角度(度)。

本实施例采用的轻量保护型海光缆1主要参数如表2所示：

表2

参数名称	单位	标称值
			外径	mm	Φ20.3
空气中质量	kg/m	0.87
			海水中质量	kg/m	0.54
断裂拉伸负荷(UTS)	kN	100
			瞬时拉伸负荷(NTTS)	kN	65
工作拉伸负荷(NOTS)	kN	35
			永久拉伸负荷(NPTS)	kN	23
无张力最小弯曲半径	m	0.9

该型海光缆1不同入水角时所受张力情况如表3所示

表3

入水角度(度)	60°	65°	70°	75°	80°	85°	90°
								光缆水中重量(Kg/m)	0.54	0.54	0.54	0.54	0.54	0.54	0.54
水深(m)	3500	3500	3500	3500	3500	3500	3500
								张力(KN)	37.04	32.08	28.145	24.99	22.41	20.29	18.52

注：表中计算张力值时未考虑URADUCT保护套管的重量、以及水流对套管及光缆产生的漩涡阻力、水阻力等引起的附加张力。

考虑海光缆1安装套管后将造成海光缆1承载的重量增加，以该URADUCT保护套管为例，其在海水中的重量约为0.35kg/m(已包含钛合金扎带重量)，在不同水深下海缆所受张力的计算值如表4、表5、表6所示：

表4

表5

表6

理论上来说，在不考虑建设成本的情况下，尽量多装URADUCT保护套管会给海缆带来更强的保护，但在实际工程实施过程中并不能连续安装任意长度的套管，因为安装套管对海缆带来的最大影响就是造成海缆在敷设施工时所受张力将增大，一旦接近或超过其NOTS，将给海缆本体带来巨大风险。

根据上述计算结果，可以看出在不考虑气象因素的情况下，连续安装URADUCT保护套管的长度主要受海缆NOTS、套管水中重量、敷设水深以及敷设速度(即入水角度)等因素的影响，可进行以下粗略推导：

考虑到海缆本体安全，根据工程实践经验，在本实施例中，将海缆所受张力达到NOTS的80％设定为安装限值，此时就停止安装，即：

F_Max＝NOTS*0.8

式中F_Max＝海缆所能承受的安全布放张力，NOTS＝海缆工作拉伸负荷。另外，将海缆所受张力达到NOTS的60％设定为防范限值，达到防范限值时，发出提示信息，以便于施工人员提前采取相应措施。

在一定水深下，施工船尾端海缆所受水中海缆对其拉力为：

F_s＝L*N*sinα

式中N是海缆所受张力，F_s＝施工船尾端海缆所受水中海缆对其拉力，L＝施工船尾端至着底点间的海缆长度(实际应为悬链线，为简化计算，此处按直线考虑)，α＝海缆入水角度。张力监测设备实时监测该拉力，一旦拉力值超出限度，则向布缆设备13发出停止信号，布缆设备13停止工作，以防止海光缆1因张力过大而损伤。

进一步的，可知URADUCT保护套管的最大安装长度为：

式中L_Max＝最大安装长度，G_海＝单位长度URADUCT保护套管的海中重量。

对于有中继系统，由于中继器重量远大于相同长度海缆重量，因此若在中继器附近安装URADUCT保护套管将进一步增大海缆所受张力，建议待中继器着底后再安装，即套管首末端应距离中继器至少一到一点五倍水深以上。此外，以上计算未考虑气象因素，实际工程中若受气象条件影响，可安装的最大长度还应根据海缆所受张力情况适当调整。

在本实施例中，套管安装采用二个作业面，每个作业面各自负责流水线上每段长2m的套管安装。安装人员利用套管安装设备12，将2m长的雌、雄套管在光缆合并后，先将不锈钢钛合金扎带套在套管的首、尾二端，并立即用气动扎带机将其扎紧固定，然后依次将中间的扎带固定扎紧。特殊情况时，也可采用合成树脂材料的扎带对套管进行固定，以提高套管安装速度。

同时，在敷设过程中，还要注意海光缆1的入水角度，表4、5、6中已经根据海光缆1的力学性能，计算出了在不同敷设深度、不同入水角度、对应的不同张力值，光缆角度监测设备11安装于船尾，实时监测海光缆1的入水角度，如果入水角度过小，则海光缆1承受的张力将会大幅增加，造成海光缆1的损伤，本实施例中的入水角度控制在70-85度，即70度是敷设，85度时停止，然后船只行进一定距离，改变入水角度至70度时，船舶再次停止，继续再安装套管，鼓轮机铺缆，依次反复进行。本实施例采用先安装保护套管，再敷设的方式，因此角度过小很有可能是施工船只的行进位置发生错误，此时需要修正施工船只的位置，使海光缆1入水角度恢复至合理范围内。如果采用边安装边敷设的方式，则可能是施工船的行进速度过快，需要控制船速，或者控制布缆设备13加快海光缆1的输送速度，加快布缆。当入水角度接近垂直时，则需要移动施工船只位置，或者加快船只速度。进一步的，同张力监测设备一样，设置入水角度的防范阈值，例如设定10度的余量，提前发出提示信息。

在本实施例中，海底光缆模拟设备16根据入水角度、海光缆1的入水长度和施工船只的位移情况，模拟海光缆1在海底的敷设情况。通过3D模型和预设定的标记(由施工配套软件提供)，监控布放过程中的沉底情况，确保保护段在预定的路由位置上着底，如果判断出现敷设异常，则停止敷设作业。

在本实施例中，还在施工船的测试室中，在海光缆1的末端设置光缆性能检测设备，通过监测设备对施工中的海底光缆性能进行全程监测并记录，随时掌握海底光缆质量状况，发现问题及时停止海光缆1的敷设，并采取相应处理措施。

本申请实施例还公开了一种带有保护套管的海光缆1长距离敷设方法，包括如下步骤：

根据施工船只的性能和工作台情况，确定海光缆1敷设方式；

根据海光缆1的敷设深度和海光缆1的力学性能，得到海光缆1在敷设时的入水角度阈值；

在海光缆1上安装保护套管，并进行海光缆1的敷设，特别的，首节保护套管安装后，需要在保护套管的入水端设置防滑脱措施；同时监控海光缆1的入水角度和承受的张力值，当入水角度达到入水角度阈值时，或者承受的张力达到张力限值时，停止海光缆1的敷设，并调整施工船只的行进速度和/或行进位置，保护套管为URADUCT保护套管。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种带有保护套管的海光缆长距离敷设系统，其特征在于，包括布缆设备(13)、套管安装设备(12)、光缆角度监测设备(11)、海底光缆模拟设备(16)和光缆性能监测设备(15)；

所述布缆设备(13)用于将海光缆(1)输送至海水中；

所述套管安装设备(12)用于在所述海光缆(1)上安装所述保护套管，所述保护套管采用URADUCT保护套管；

所述光缆角度监测设备(11)用于实施监测所述海光缆(1)的入水角度；

所述海底光缆模拟设备(16)用于模拟显示所述海光缆(1)在海底的敷设状态；

所述光缆性能监测设备用于实时监测所述海光缆(1)的通信性能。

2.根据权利要求1所述的带有保护套管的海光缆长距离敷设系统，其特征在于，首节所述保护套管安装后，需要在所述保护套管的入水端设置防滑脱措施。

3.根据权利要求1所述的带有保护套管的海光缆长距离敷设系统，其特征在于，根据所述海光缆(1)的力学性能，设置所述海光缆(1)的入水角度阈值，所述海光缆(1)的所述入水角度应在所述入水角度阈值范围内，当所述入水角度达到所述入水角度阈值时，调整施工船只的行进位置和行进速度。

4.根据权利要求1所述的带有保护套管的海光缆长距离敷设系统，其特征在于，所述布缆设备(13)包括张力监测装置(14)，所述张力监测装置(14)用于监测所述海光缆(1)承受的张力；

当所述海光缆(1)承受的张力达到预设限值时，所述布缆设备(13)加快输送所述海光缆(1)，和/或控制施工船只的行进速度。

5.根据权利要求3所述的带有保护套管的海光缆长距离敷设系统，其特征在于，所述海底光缆模拟设备(16)根据所述入水角度、所述海光缆(1)的入水长度和施工船只的位移情况，模拟所述海光缆(1)在海底的敷设情况。

6.根据权利要求1所述的带有保护套管的海光缆长距离敷设系统，其特征在于，向所述海光缆(1)通入测试信号，所述光缆性能监测设备通过监测所述测试信号，获取所述海光缆(1)的通信性能。

7.一种带有保护套管的海光缆长距离敷设方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据施工船只的性能和工作台情况，确定海光缆(1)敷设方式；

根据所述海光缆(1)的敷设深度和所述海光缆(1)的力学性能，得到所述海光缆(1)在敷设时的入水角度阈值；

在所述海光缆(1)上安装所述保护套管，并进行所述海光缆(1)的敷设，同时监控所述海光缆(1)的入水角度和承受的张力值，当所述入水角度达到所述入水角度阈值时，或者承受的张力达到张力限值时，停止所述海光缆(1)的敷设，并调整所述施工船只的行进速度和/或行进位置，所述保护套管为URADUCT保护套管。

8.根据权利要求7所述的带有保护套管的海光缆长距离敷设方法，其特征在于，首节所述保护套管安装后，需要在所述保护套管的入水端设置防滑脱措施。

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