海底光缆是如何抵御海水腐蚀及进行检测维护的？

2023-02-10 15:22:43 作者：中国腐蚀与防护网来源：中国腐蚀与防护网分享至：

海底通讯电缆是用绝缘材料包裹的导线，铺设在海底用来实现国家之间的电信传输。首批海底通讯电缆提供电报通讯，后来开始引入电话通讯和互联网通讯，而现代的光缆还使用了光纤技术，因此被称为海底光缆。

自从1985年海底光缆诞生以来，海底光缆建设遍布全世界。目前海底光缆系统已成为国际跨海、洲际通讯的主要方式，也是岛屿和大陆之间信息传递的重要途径。海底光缆载量大、可靠性高、传输质量高，在军事和民用通讯方面发挥重要作用，尤其是在国际通讯方面，具有不可替代的地位。

但自其诞生之日起，海底光缆就面临着各种威胁和挑战。海底光缆长期浸泡在海水中，极易受到海水腐蚀；另外也经常遭受渔网、鱼钩、铁锚等钩抓，发生弯曲、变形甚至断裂，导致海底光缆系统通讯阻塞，造成巨大经济损失。

海底光缆的修复难度甚至高于铺设的过程。浅海区域还可借助人工来完成检测及简单修复，要从深达几百米甚至几千米的海床上找到直径不到10厘米的损坏光缆，就如同大海捞针。目前，对海底光缆进行断点定位和维修仍是非常困难的技术问题。

海底光缆如何“防腐”？

海底光缆由于长期浸泡在浓度高的海水中，所以极易受到海水腐蚀。此外，氢分子会扩散到光纤的玻璃材料中，使光纤的损耗变大。因此海底光缆既要防止内部产生氢气，同时还要防止氢气从外部渗入光缆。目前，海底光缆的结构是将经过一次或两次涂层处理后的光纤螺旋地绕包在中心，加强构件（用钢丝制成）包在周围。

海底光缆的结构

放个海底的实物图，更直观：

海底光缆看上去有点像输油管道，其实，海底光缆和陆地光缆最大的区别就是它的“铠装保护”。一般来说，“铠装保护”包括下图所示的几层：

之所以要这么多层的保护，就是因为海底光缆面对的海底环境极其复杂严苛。首先是海水的腐蚀，海底光缆的外层聚合物层就是为了防止海水和加固钢缆反应产生氢气。即使外层真的被腐蚀，内层的铜管、石蜡、碳酸树脂也会防止氢气危害到光纤。氢气分子的渗入，会导致光纤传输衰耗增加。

除了海水腐蚀之外，海底光缆还要承受海底压力，以及自然灾害（地震、海啸等）、人为因素（渔民打捞作业）的重重考验。如果没有加强铠装的保护，海底光缆是无法长期稳定工作的。

鲨鱼袭击海底光缆

但是，即便有这么严实的保护，海底光缆仍然不能永久使用，它的使用寿命一般来说只是25年。

海底光缆如何检测？

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海底光缆的损坏情况

造成海底光缆损坏的因素可分为两类：一类是人为因素，诸如渔业活动、船只抛锚等；另一类是自然灾害，包括地震和海啸等。人类活动是海底光缆损坏的主要因素，据有关统计，海洋水产养殖及渔业活动、船舶抛锚、海洋工程等因素造成的光缆损坏占全部光缆损坏的95%左右。

人类活动对海底光缆造成的破坏示意图

通常情况下，抛锚能够破坏海底光缆的绝缘层、电导体、光纤，甚至完全切断海底光缆，进而引起绝缘失效、电路损坏、光纤失效甚至光缆断裂。

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海底光缆的维修

首先，对损坏的海底光缆进行测试，根据测试结果，可初步确定海底光缆的状态和大致损坏位置，制定维修方案；其次，打捞海底光缆，根据打捞方案，使用海缆敷设船在靠近断点附近打捞回收海底光缆，处理断点两端，系上标记；随后，清扫维修段海底路由，找到合适维修和掩埋布设路由。完成上述操作后，海底光缆重新接通；打捞出水的海底光缆被连接起来，并做好绝缘处理；测试正常后，完成第一次接通。随后，维修段运至预期埋设点，转运至埋设机准备埋设；接着，进行第二次接通测试；最后，使用水下机器人对海底光缆断点两端进行测试；测试正常后，两端托起光缆，敷设船进行敷设施工，完成光缆维修。

在整个维修过程中，测量断点位置并精确定位断点位置是一个关键技术。定位断点包括测试断点距离近岸距离和准确定位断点位置两个方面。

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海底光缆断点位置的确定

在岸上确定光缆断点的方法有多种，常用的方法包括光时域反射计测试法、电压测试法、电容测试法、音频测试法、在线监测法等。

光时域反射计测试法是利用瑞利散射原理，根据测试数据可判断出断点距离，并与原始记录进行比较，可在海图上大致确定断点的经纬度。方便的做法是将断点坐标标注在海底光缆施工图上，同时标注相应的打捞区域，确定打捞位置、打捞路径及其他打捞标志。但是，由于裸露段光缆被海水冲刷，相对施工位置有较大偏移，导致通过比对断点距离和施工图纸准确确定断点位置的可能性很小。

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海底光缆的检测方法

近年来，随着声呐技术的发展，声呐提供了一种经济有效的海底光缆维修手段。使用声呐，可探测海底光缆在海床的裸露段，测量掩埋深度，确定光缆位置，检测光缆在海床状态，调查布设区海床地形地貌等。

声呐工作原理和海底光缆检测示意图

与此同时，海底光缆水下机器人巡检、维修技术也得到快速发展。通过潜水员和作业船进行海底光缆检测、打捞的方法，逐渐被水下机器人作业取代。由于在工作深度、探测范围、连续工作时间等方面的优势，水下机器人探测技术突破了深度、潜水员工作时间和环境要求、作业船低效率拖曳等瓶颈，在深水区海底光缆检测、维护方面已完全取代潜水员和船只拖曳作业模式。

⑴ 海底光缆水下机器人检测技术

水下机器人用于海底光缆巡检时，首先使用AUV对海缆布设区域进行扫测，找到光缆断点位置。然后使用ROV辅助打捞作业，吹除泥沙暴露光缆，使用机械手剪断光缆，抓取光缆带到海面。与此同时，水下机器人将无线信号收发器放置光缆断点位置，以便后续维修时连接使用。通过信号收发器提供的位置，将光缆另一端打捞出水。在工作母船上，用相应装置连接光缆两端，使用近端登陆站信号进行检测，确定光缆故障端。切除故障部分，进行重新接通，进行信号测试，通讯正常后，按程序进行水下重新布设。

通过以上分析可以看出，水下机器人技术解决了我国海底光缆打捞的重大难题，即工作深度的限制、定位精度和检测效率问题。水下机器人工作深度不受限制，可以根据巡检作业要求设计不同工作深度的AUV。机器人技术代替人工作业，可避免潜水员生命危险，大大提高工作效率。通过缆线跟踪技术，探测传感器可获取更多稳定的探测效果，取得更高质量的数据。AUV可在广阔范围内，以极高的效率、极低的花费，实现管线目标的连续跟踪探测。因此，水下机器人在海底光缆检测、维修方面具有广阔的应用空间。

⑵ 海底光缆无人艇检测技术

除了使用水下机器人进行海底光缆巡检外，无人艇在水下管线自动检测方面也展现出极大潜能。无人艇是集成多传感器的智能化设备，通过传感器获取海底管线状态，自动、经济地完成管线检测。其体积小、质量小、吃水浅，且无需人员随艇作业，非常适合执行浅水区域（如海岛礁周边、滩涂区、潮间带等）海底光缆检测任务。

2019年，装载多波束测深仪的M40型无人艇完成了海底石油管线检测，发现总长超过1000米的7处暴露段。2019年9月，XOCEAN使用XO-450型和MBES型管线检测无人艇在英格兰东海岸和德国沿岸开展了管线检测。2019年3月，搭载侧扫声呐的TC40型无人艇用于长江流域排污管道检测。

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海底光缆的无人自动检测技术

国外发展现状

国外海底光缆无人检测机器人正快速发展，技术已较为成熟。成立于1936年的法国ECA公司，已供货军用和民工水下潜艇。早在1980年，公司设计了第一代无人水下自动无人艇（ALISTAR 3000AUV），用于海底管线检测。随后又发展出A18TD和A18D型产品。工作深度覆盖20～3000m，连续工作时间可达12小时，巡航速度3kn。能够携带多种传感器，如侧扫声呐、多波束测量装置、浅地层剖面仪及其他便携型传感器。

A18TD工作水深20～3000m，相对第一代产品，续航能力提高一倍，达到24小时，巡航速度3kn，右舷可搭载右视合成孔径声呐、多波束测量设备、摄像机；左侧可搭载左视合成孔径声呐、浊度计、荧光计、甲烷传感器等。A18D工作水深5～3000m，3kn航速下可续航24小时，可搭载侧扫声呐、多波束声呐、浅地层剖面仪、前视声呐、温盐深剖面仪及其它海洋环境测量传感器。

挪威CC公司研制的HUGIN管线检测AUV可搭载多波束声呐（KongsbergEM2040）、侧扫声呐（EdgeTech120/410 kHz）、浅地层剖面仪（EdgeTech 1～6kHz）、高分辨率水下相机、温盐深剖面仪等设备。除了传统传感器，德国Ilmenau大学研制的AUV还可搭载磁场探测阵列。

休斯顿机械电子公司称其研制的Aquanaut水下机器人是世界首款双模机器人，具有水下变形重组能力。

通常来讲，传统的水下无人航行器可分为两类：一类是鱼雷型自航航行器，另一类是用于业务化测量侦察的滑翔型航行器。Aquanaut机器人兼具两者优势，在执行长航程任务时，是一个鱼雷型机器人，具有长距离探测海底管线的能力，使用锂电池时其续航能力可超过200km。

国内发展现状

目前，国内一些研究所涉足AUV自动监测海底管线研究领域。大部分研究仅依靠单一传感器，如水下相机、低照度相机、前视声呐等，在水池开展实验，还不具备独立探测海底管线的技术。海底光缆自动检测，在国内还有很大发展空间。

中国海洋大学研制的“蓝鲸”海缆检测机器人已初具能力，实现了精确导航、实时观测、智能航行、灵活自适应跟踪等功能。在此基础上，“蓝鲸”可进一步升级，加装高精度设备，提高海缆检测精度，进行模块化设计，根据检测目标定制针对性设备，实现机器人的多功能扩展。

浙江启明电力集团公司研制的“启明”海底光缆维修机器人，能够准确快速定位光缆断点，大大缩短搜寻时间。能够安全、高效完成附属设施的打捞，并在修理完毕后进行布设。此外，该AUV还可搭载更多设备，完成多种水下作业。

中信重工机械股份有限公司研制的KC-ROV水下机器人，可加载声呐探测设备，实现大范围、长距离探测，最大作业深度300米，最远探测距离120米。

中科院研制的“远征2号”水下机器人，搭载了高低频合成孔径声呐，能够同时工作在高低频段，比其他声呐技术更适合海底管线探测。低频具有一定穿透能力，能够探测掩埋管线目标，探测掩埋深度可达2米，具有较强的探测效能，探测效果如下图所示。

无人潜航器检测掩埋光缆目标

结束语

长期以来，海底光缆屡遭破坏，导致通讯阻塞，造成巨大经济损失。维护损坏的海底光缆，首先需要快速准确地定位光缆损坏段，断点的快速检测和精确定位是一个重要问题。随着水下无人技术的发展，为海底光缆检测提供了一种有效手段，通过多平台多传感器的搭配使用，可逐步实现光缆断点的三维检测和精确定位。

在无人艇加装高、低频合成孔径声呐、多波束声呐及其它长距离探测设备，可实现海底以上200米以内的快速大范围探测，通过多传感器数据融合，获取海底光缆的位置信息，引导AUV设备进行抵近探测。AUV设备上搭载的探测设备，如磁探阵列、高分辨率水下相机、激光扫描仪等，探测精度较高，但探测范围有限。在领受任务后，AUV航行到相关区域，在固定高度（如距底5米）进一步获取目标的精确位置、尺寸、磁特征、损坏状况等信息。因此，使用水下无人装备开展海底缆线的智能化自动检测，实现海底缆线的高效探测、准确识别，是未来的发展趋势和应用方向之一。

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