海底光纜是如何抵御海水腐蝕及進行檢測維護的？

2023-02-10 15:22:43 作者：中國腐蝕與防護網來源：中國腐蝕與防護網分享至：

海底通訊電纜是用絕緣材料包裹的導線，鋪設在海底用來實現國家之間的電信傳輸。首批海底通訊電纜提供電報通訊，后來開始引入電話通訊和互聯網通訊，而現代的光纜還使用了光纖技術，因此被稱為海底光纜。

自從1985年海底光纜誕生以來，海底光纜建設遍布全世界。目前海底光纜系統已成為國際跨海、洲際通訊的主要方式，也是島嶼和大陸之間信息傳遞的重要途徑。海底光纜載量大、可靠性高、傳輸質量高，在軍事和民用通訊方面發揮重要作用，尤其是在國際通訊方面，具有不可替代的地位。

但自其誕生之日起，海底光纜就面臨著各種威脅和挑戰。海底光纜長期浸泡在海水中，極易受到海水腐蝕；另外也經常遭受漁網、魚鉤、鐵錨等鉤抓，發生彎曲、變形甚至斷裂，導致海底光纜系統通訊阻塞，造成巨大經濟損失。

海底光纜的修復難度甚至高于鋪設的過程。淺海區域還可借助人工來完成檢測及簡單修復，要從深達幾百米甚至幾千米的海床上找到直徑不到10厘米的損壞光纜，就如同大海撈針。目前，對海底光纜進行斷點定位和維修仍是非常困難的技術問題。

海底光纜如何“防腐”？

海底光纜由于長期浸泡在濃度高的海水中，所以極易受到海水腐蝕。此外，氫分子會擴散到光纖的玻璃材料中，使光纖的損耗變大。因此海底光纜既要防止內部產生氫氣，同時還要防止氫氣從外部滲入光纜。目前，海底光纜的結構是將經過一次或兩次涂層處理后的光纖螺旋地繞包在中心，加強構件（用鋼絲制成）包在周圍。

海底光纜的結構

放個海底的實物圖，更直觀：

海底光纜看上去有點像輸油管道，其實，海底光纜和陸地光纜最大的區別就是它的“鎧裝保護”。一般來說，“鎧裝保護”包括下圖所示的幾層：

之所以要這么多層的保護，就是因為海底光纜面對的海底環境極其復雜嚴苛。首先是海水的腐蝕，海底光纜的外層聚合物層就是為了防止海水和加固鋼纜反應產生氫氣。即使外層真的被腐蝕，內層的銅管、石蠟、碳酸樹脂也會防止氫氣危害到光纖。氫氣分子的滲入，會導致光纖傳輸衰耗增加。

除了海水腐蝕之外，海底光纜還要承受海底壓力，以及自然災害（地震、海嘯等）、人為因素（漁民打撈作業）的重重考驗。如果沒有加強鎧裝的保護，海底光纜是無法長期穩定工作的。

鯊魚襲擊海底光纜

但是，即便有這么嚴實的保護，海底光纜仍然不能永久使用，它的使用壽命一般來說只是25年。

海底光纜如何檢測？

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海底光纜的損壞情況

造成海底光纜損壞的因素可分為兩類：一類是人為因素，諸如漁業活動、船只拋錨等；另一類是自然災害，包括地震和海嘯等。人類活動是海底光纜損壞的主要因素，據有關統計，海洋水產養殖及漁業活動、船舶拋錨、海洋工程等因素造成的光纜損壞占全部光纜損壞的95%左右。

人類活動對海底光纜造成的破壞示意圖

通常情況下，拋錨能夠破壞海底光纜的絕緣層、電導體、光纖，甚至完全切斷海底光纜，進而引起絕緣失效、電路損壞、光纖失效甚至光纜斷裂。

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海底光纜的維修

首先，對損壞的海底光纜進行測試，根據測試結果，可初步確定海底光纜的狀態和大致損壞位置，制定維修方案；其次，打撈海底光纜，根據打撈方案，使用海纜敷設船在靠近斷點附近打撈回收海底光纜，處理斷點兩端，系上標記；隨后，清掃維修段海底路由，找到合適維修和掩埋布設路由。完成上述操作后，海底光纜重新接通；打撈出水的海底光纜被連接起來，并做好絕緣處理；測試正常后，完成第一次接通。隨后，維修段運至預期埋設點，轉運至埋設機準備埋設；接著，進行第二次接通測試；最后，使用水下機器人對海底光纜斷點兩端進行測試；測試正常后，兩端托起光纜，敷設船進行敷設施工，完成光纜維修。

在整個維修過程中，測量斷點位置并精確定位斷點位置是一個關鍵技術。定位斷點包括測試斷點距離近岸距離和準確定位斷點位置兩個方面。

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海底光纜斷點位置的確定

在岸上確定光纜斷點的方法有多種，常用的方法包括光時域反射計測試法、電壓測試法、電容測試法、音頻測試法、在線監測法等。

光時域反射計測試法是利用瑞利散射原理，根據測試數據可判斷出斷點距離，并與原始記錄進行比較，可在海圖上大致確定斷點的經緯度。方便的做法是將斷點坐標標注在海底光纜施工圖上，同時標注相應的打撈區域，確定打撈位置、打撈路徑及其他打撈標志。但是，由于裸露段光纜被海水沖刷，相對施工位置有較大偏移，導致通過比對斷點距離和施工圖紙準確確定斷點位置的可能性很小。

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海底光纜的檢測方法

近年來，隨著聲吶技術的發展，聲吶提供了一種經濟有效的海底光纜維修手段。使用聲吶，可探測海底光纜在海床的裸露段，測量掩埋深度，確定光纜位置，檢測光纜在海床狀態，調查布設區海床地形地貌等。

聲吶工作原理和海底光纜檢測示意圖

與此同時，海底光纜水下機器人巡檢、維修技術也得到快速發展。通過潛水員和作業船進行海底光纜檢測、打撈的方法，逐漸被水下機器人作業取代。由于在工作深度、探測范圍、連續工作時間等方面的優勢，水下機器人探測技術突破了深度、潛水員工作時間和環境要求、作業船低效率拖曳等瓶頸，在深水區海底光纜檢測、維護方面已完全取代潛水員和船只拖曳作業模式。

⑴ 海底光纜水下機器人檢測技術

水下機器人用于海底光纜巡檢時，首先使用AUV對海纜布設區域進行掃測，找到光纜斷點位置。然后使用ROV輔助打撈作業，吹除泥沙暴露光纜，使用機械手剪斷光纜，抓取光纜帶到海面。與此同時，水下機器人將無線信號收發器放置光纜斷點位置，以便后續維修時連接使用。通過信號收發器提供的位置，將光纜另一端打撈出水。在工作母船上，用相應裝置連接光纜兩端，使用近端登陸站信號進行檢測，確定光纜故障端。切除故障部分，進行重新接通，進行信號測試，通訊正常后，按程序進行水下重新布設。

通過以上分析可以看出，水下機器人技術解決了我國海底光纜打撈的重大難題，即工作深度的限制、定位精度和檢測效率問題。水下機器人工作深度不受限制，可以根據巡檢作業要求設計不同工作深度的AUV。機器人技術代替人工作業，可避免潛水員生命危險，大大提高工作效率。通過纜線跟蹤技術，探測傳感器可獲取更多穩定的探測效果，取得更高質量的數據。AUV可在廣闊范圍內，以極高的效率、極低的花費，實現管線目標的連續跟蹤探測。因此，水下機器人在海底光纜檢測、維修方面具有廣闊的應用空間。

⑵ 海底光纜無人艇檢測技術

除了使用水下機器人進行海底光纜巡檢外，無人艇在水下管線自動檢測方面也展現出極大潛能。無人艇是集成多傳感器的智能化設備，通過傳感器獲取海底管線狀態，自動、經濟地完成管線檢測。其體積小、質量小、吃水淺，且無需人員隨艇作業，非常適合執行淺水區域（如海島礁周邊、灘涂區、潮間帶等）海底光纜檢測任務。

2019年，裝載多波束測深儀的M40型無人艇完成了海底石油管線檢測，發現總長超過1000米的7處暴露段。2019年9月，XOCEAN使用XO-450型和MBES型管線檢測無人艇在英格蘭東海岸和德國沿岸開展了管線檢測。2019年3月，搭載側掃聲吶的TC40型無人艇用于長江流域排污管道檢測。

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海底光纜的無人自動檢測技術

國外發展現狀

國外海底光纜無人檢測機器人正快速發展，技術已較為成熟。成立于1936年的法國ECA公司，已供貨軍用和民工水下潛艇。早在1980年，公司設計了第一代無人水下自動無人艇（ALISTAR 3000AUV），用于海底管線檢測。隨后又發展出A18TD和A18D型產品。工作深度覆蓋20～3000m，連續工作時間可達12小時，巡航速度3kn。能夠攜帶多種傳感器，如側掃聲吶、多波束測量裝置、淺地層剖面儀及其他便攜型傳感器。

A18TD工作水深20～3000m，相對第一代產品，續航能力提高一倍，達到24小時，巡航速度3kn，右舷可搭載右視合成孔徑聲吶、多波束測量設備、攝像機；左側可搭載左視合成孔徑聲吶、濁度計、熒光計、甲烷傳感器等。A18D工作水深5～3000m，3kn航速下可續航24小時，可搭載側掃聲吶、多波束聲吶、淺地層剖面儀、前視聲吶、溫鹽深剖面儀及其它海洋環境測量傳感器。

挪威CC公司研制的HUGIN管線檢測AUV可搭載多波束聲吶（KongsbergEM2040）、側掃聲吶（EdgeTech120/410 kHz）、淺地層剖面儀（EdgeTech 1～6kHz）、高分辨率水下相機、溫鹽深剖面儀等設備。除了傳統傳感器，德國Ilmenau大學研制的AUV還可搭載磁場探測陣列。

休斯頓機械電子公司稱其研制的Aquanaut水下機器人是世界首款雙模機器人，具有水下變形重組能力。

通常來講，傳統的水下無人航行器可分為兩類：一類是魚雷型自航航行器，另一類是用于業務化測量偵察的滑翔型航行器。Aquanaut機器人兼具兩者優勢，在執行長航程任務時，是一個魚雷型機器人，具有長距離探測海底管線的能力，使用鋰電池時其續航能力可超過200km。

國內發展現狀

目前，國內一些研究所涉足AUV自動監測海底管線研究領域。大部分研究僅依靠單一傳感器，如水下相機、低照度相機、前視聲吶等，在水池開展實驗，還不具備獨立探測海底管線的技術。海底光纜自動檢測，在國內還有很大發展空間。

中國海洋大學研制的“藍鯨”海纜檢測機器人已初具能力，實現了精確導航、實時觀測、智能航行、靈活自適應跟蹤等功能。在此基礎上，“藍鯨”可進一步升級，加裝高精度設備，提高海纜檢測精度，進行模塊化設計，根據檢測目標定制針對性設備，實現機器人的多功能擴展。

浙江啟明電力集團公司研制的“啟明”海底光纜維修機器人，能夠準確快速定位光纜斷點，大大縮短搜尋時間。能夠安全、高效完成附屬設施的打撈，并在修理完畢后進行布設。此外，該AUV還可搭載更多設備，完成多種水下作業。

中信重工機械股份有限公司研制的KC-ROV水下機器人，可加載聲吶探測設備，實現大范圍、長距離探測，最大作業深度300米，最遠探測距離120米。

中科院研制的“遠征2號”水下機器人，搭載了高低頻合成孔徑聲吶，能夠同時工作在高低頻段，比其他聲吶技術更適合海底管線探測。低頻具有一定穿透能力，能夠探測掩埋管線目標，探測掩埋深度可達2米，具有較強的探測效能，探測效果如下圖所示。

無人潛航器檢測掩埋光纜目標

結束語

長期以來，海底光纜屢遭破壞，導致通訊阻塞，造成巨大經濟損失。維護損壞的海底光纜，首先需要快速準確地定位光纜損壞段，斷點的快速檢測和精確定位是一個重要問題。隨著水下無人技術的發展，為海底光纜檢測提供了一種有效手段，通過多平臺多傳感器的搭配使用，可逐步實現光纜斷點的三維檢測和精確定位。

在無人艇加裝高、低頻合成孔徑聲吶、多波束聲吶及其它長距離探測設備，可實現海底以上200米以內的快速大范圍探測，通過多傳感器數據融合，獲取海底光纜的位置信息，引導AUV設備進行抵近探測。AUV設備上搭載的探測設備，如磁探陣列、高分辨率水下相機、激光掃描儀等，探測精度較高，但探測范圍有限。在領受任務后，AUV航行到相關區域，在固定高度（如距底5米）進一步獲取目標的精確位置、尺寸、磁特征、損壞狀況等信息。因此，使用水下無人裝備開展海底纜線的智能化自動檢測，實現海底纜線的高效探測、準確識別，是未來的發展趨勢和應用方向之一。

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