海洋平臺(tái)工作船深水大型拖纜機(jī)選型分析

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(1.武昌船舶重工有限責(zé)任公司,武漢 430064;2.武漢交通職業(yè)學(xué)院,武漢 430065)

隨著海洋油氣開(kāi)采向深遠(yuǎn)海進(jìn)軍，海洋工程裝備也逐步向深水大型化方面發(fā)展。對(duì)為海洋石油鉆井平臺(tái)提供長(zhǎng)途拖航、深水起拋錨等服務(wù)的海洋平臺(tái)工作船而言，則要求作為主要拖曳設(shè)備的拖纜機(jī)具備更強(qiáng)的拖曳能力。然而，船級(jí)社相關(guān)規(guī)范在船舶系柱拖力、拖纜破斷載荷、拖纜機(jī)支持載荷、拖纜機(jī)工作載荷等拖曳系統(tǒng)主要性能參數(shù)之間并沒(méi)有給出明確要求。尤其是系柱拖力超過(guò)1 620 kN的海洋平臺(tái)工作船，拖纜機(jī)的設(shè)備選型及性能參數(shù)已經(jīng)超出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建造標(biāo)準(zhǔn)。為此，對(duì)深水大型拖纜機(jī)進(jìn)行選型研究，擬定選型步驟，明確拖曳系統(tǒng)主要性能參數(shù)之間的關(guān)系，完成拖纜機(jī)設(shè)備選型。

1 船級(jí)規(guī)范的相關(guān)要求

具備拖曳功能的海洋平臺(tái)工作船通常配備有專用的拖纜機(jī)進(jìn)行拖曳作業(yè)，尤其是系柱拖力達(dá)到2 000 kN，進(jìn)行深水作業(yè)的海洋平臺(tái)工作船往往配備有深水大型拖纜機(jī)。

1.1 CCS規(guī)范對(duì)拖纜機(jī)的要求

中國(guó)船級(jí)社鋼制海船入級(jí)規(guī)范(2012)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)第2篇第10章對(duì)授予TUG附加標(biāo)志船舶所配置的拖曳設(shè)備提出了相應(yīng)要求?！兑?guī)范》指出，拖纜機(jī)構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)拖纜的破斷強(qiáng)度來(lái)決定，并要求拖曳設(shè)備處支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷應(yīng)不小于拖曳系統(tǒng)的破斷強(qiáng)度[1]。

可以看出，CCS《規(guī)范》并未對(duì)拖纜機(jī)的主要性能參數(shù)作出具體要求，只是籠統(tǒng)地指出拖纜機(jī)構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)由拖纜的破斷強(qiáng)度來(lái)決定，也并未給出拖纜機(jī)構(gòu)件和拖纜破斷強(qiáng)度之間的具體關(guān)系。此外，《規(guī)范》要求拖曳設(shè)備處支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)載荷應(yīng)不小于拖曳系統(tǒng)的破斷強(qiáng)度，也只是強(qiáng)調(diào)拖纜機(jī)船體支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)不小于整個(gè)拖曳系統(tǒng)的破斷強(qiáng)度，并未明確拖纜機(jī)設(shè)備性能參數(shù)和拖纜破斷強(qiáng)度和船舶系柱拖力之間的關(guān)系。但是，從整個(gè)拖曳系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以得出以下關(guān)系:船舶系柱拖力<拖纜破斷強(qiáng)度<拖纜機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。即在整個(gè)拖曳系統(tǒng)中，為保證正常拖航，要求船舶系柱拖力的值最小。如果出現(xiàn)緊急情況，啟動(dòng)應(yīng)急釋放裝置，釋放拖纜。在最惡劣的情況下，如果應(yīng)急釋放裝置也發(fā)生故障，拖纜機(jī)及船體支持結(jié)構(gòu)也不應(yīng)發(fā)生過(guò)載而結(jié)構(gòu)變形，只能是拖纜超出破斷載荷而斷裂。

1.2 ABS規(guī)范對(duì)拖纜機(jī)的要求

美國(guó)船級(jí)社入級(jí)規(guī)范《Rules for Building and Classing Steel Vessels Under 90 Meters(295 Feet)in Length(2011)》在第5部分第8章對(duì)授予Towing Vessels附加標(biāo)志船舶所配置的拖曳設(shè)備提出了相應(yīng)要求，除需向船級(jí)社提交相關(guān)的認(rèn)可文件和系柱拖力試驗(yàn)程序外，對(duì)拖纜機(jī)的設(shè)備選型特地提出參考載荷(RL)的概念，確定了拖纜機(jī)工作載荷和船舶系柱拖力(BP)之間的關(guān)系[2]，見(jiàn)圖1。

圖1 參考載荷和船舶系柱拖力之間的量化關(guān)系

由圖1可知，當(dāng)船舶系柱拖力小于或者等于500 kN時(shí)，參考載荷為2倍的系柱拖力；當(dāng)船舶系柱拖力大于等于1 500 kN時(shí)，參考載荷取1.33倍的系柱拖力；當(dāng)船舶系柱拖力介于二者之間時(shí)，采用插值法求得。

對(duì)該規(guī)范進(jìn)行分析，可知在拖纜機(jī)選型時(shí)需根據(jù)系柱拖力的大小來(lái)確定不同規(guī)格的拖纜機(jī)，對(duì)于深水大型拖纜機(jī)而言，ABS規(guī)范要求拖纜機(jī)的工作載荷至少為船舶系柱拖力的1.33倍。拖纜的破斷載荷不得小于參考載荷，并要求拖纜機(jī)應(yīng)能承受參考載荷而不產(chǎn)生永久變形。

1.3 DNV規(guī)范對(duì)拖纜機(jī)的要求

挪威船級(jí)社《船舶入級(jí)規(guī)范(2013)》第5部分第7章對(duì)授予TUG附加標(biāo)志船舶所配置的拖曳設(shè)備提出了具體要求。尤其值得注意的是，在2007年4月12日“皇族海豚號(hào)”(Bourbon Dolphin)海洋平臺(tái)工作船在設(shè)得蘭(Shetland)海岸外的北海執(zhí)行鉆井平臺(tái)拖航任務(wù)傾覆后，挪威船級(jí)社對(duì)該類型船舶的抗傾覆性以及拖纜機(jī)等拖曳設(shè)備提出了更為嚴(yán)苛的要求。與ABS相同，DNV也給出了參考載荷的概念，并給出了船舶系柱拖力與參考載荷之間的關(guān)系，見(jiàn)表1[3]。

表1 船舶系柱拖力與參考載荷的關(guān)系

由表1可知，當(dāng)船舶系柱拖力小于400 kN時(shí)，參考載荷為3倍的系柱拖力；當(dāng)船舶系柱拖力大于900 kN時(shí)，參考載荷取2倍的系柱拖力；當(dāng)船舶系柱拖力介于二者之間時(shí)，按照公式計(jì)算。而且，規(guī)范還強(qiáng)調(diào)拖纜機(jī)卷筒的工作載荷應(yīng)能承受參考載荷而不產(chǎn)生永久變形。此外，DNV規(guī)范還對(duì)拖纜機(jī)的應(yīng)急釋放作出具體要求，要求拖纜機(jī)在所有工況下發(fā)生緊急情況時(shí)均能釋放拖纜，應(yīng)急釋放后要求拖纜機(jī)的剎車能立即處于正常工作中，甚至在失電狀態(tài)下，也總能實(shí)施應(yīng)急釋放。

與CCS及ABS規(guī)范進(jìn)行比較，可以看出DNV規(guī)范對(duì)拖纜機(jī)性能參數(shù)的要求最為嚴(yán)格，并提出參考載荷的概念，建立船舶系柱拖力與拖纜機(jī)卷筒工作載荷之間的量化關(guān)系。對(duì)于深水大型拖纜機(jī)，拖纜機(jī)的卷筒負(fù)載至少為系柱拖力的2倍。

2 拖航指南的相關(guān)要求

中國(guó)船級(jí)社《海上拖航指南(2011)》(以下簡(jiǎn)稱《指南》)對(duì)海上拖航的最主要拖曳設(shè)備拖纜機(jī)也提出了細(xì)致要求。指南要求，拖纜機(jī)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)能承受拖纜的破斷載荷而不發(fā)生永久變形，拖纜機(jī)的制動(dòng)裝置應(yīng)具備承擔(dān)最大拖纜破斷載荷1.1倍的支持載荷，拖纜機(jī)卷筒上最內(nèi)層拖纜的拖力至少為船舶系柱拖力的2.5倍。拖纜機(jī)除配有主制動(dòng)裝置外，還應(yīng)備有一套應(yīng)急制動(dòng)裝置，并要求其最內(nèi)層拖纜上的制動(dòng)力至少為船舶系柱拖力的2倍。拖纜機(jī)在從事制動(dòng)、拖曳與回收等操作時(shí)，在任何情況下，甚至在正常動(dòng)力源發(fā)生故障時(shí)也應(yīng)能從駕駛室應(yīng)急釋放拖纜[4]。

同時(shí)，《指南》指出，拖纜的最小破斷載荷由船舶的系柱拖力決定，并特別強(qiáng)調(diào)，在正常作業(yè)工況下，拖纜所承受的載荷應(yīng)不超過(guò)其破斷載荷的50%。拖纜最小破斷載荷與船舶系柱拖力之間的具體關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 拖纜最小破斷載荷與船舶系柱拖力的關(guān)系

雖然《指南》只是指導(dǎo)性文件，但是從中可以比較清晰地得到船舶系柱拖力、拖纜破斷載荷、拖纜機(jī)支持載荷、拖纜機(jī)卷筒等最內(nèi)層工作載荷、拖纜機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度之間的關(guān)系。然而，對(duì)現(xiàn)有的海洋平臺(tái)工作船所選用的深水大型拖纜機(jī)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，拖纜機(jī)卷筒最內(nèi)層工作載荷一般達(dá)不到船舶系柱拖力的2.5倍。例如，某海洋平臺(tái)工作船由瓦錫蘭(波蘭)設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)、入挪威船級(jí)社，系柱拖力為2 000 kN，拖纜機(jī)由Rolls-Royce公司提供，拖纜機(jī)卷筒最內(nèi)層工作載荷為4 000 t，達(dá)不到系柱拖力2.5倍的要求。再如，某艘具備世界頂尖水平的深水海洋平臺(tái)工作船，該船由烏斯坦公司設(shè)計(jì)、具有中國(guó)船級(jí)社和英國(guó)勞氏船級(jí)社雙船級(jí)，系柱拖力達(dá)到3 000 kN，拖纜機(jī)仍由Rolls-Royce公司提供，拖纜機(jī)卷筒最內(nèi)層工作載荷為4 500 kN，仍然達(dá)不到系柱拖力2.5倍的要求。

對(duì)于實(shí)船參數(shù)與拖航指南要求存在的偏差進(jìn)行分析，主要有以下兩個(gè)原因：① 拖航指南僅僅只是作為指導(dǎo)性文件，不具備強(qiáng)制性，且出版年代較早；② 近年來(lái)，海工裝備發(fā)展迅猛，深水大型拖纜機(jī)主要性能參數(shù)大幅度提升，拖航指南不具備足夠的普適性。

3 拖纜機(jī)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

在拖纜機(jī)的設(shè)計(jì)、建造過(guò)程中，通常參考的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11869—2007，遠(yuǎn)洋船用拖曳絞車[5]。該標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7365：1983《造船和海上結(jié)構(gòu)物 甲板機(jī)械 遠(yuǎn)洋拖曳絞車》修改而成，適用于拖纜機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和驗(yàn)收。該標(biāo)準(zhǔn)明確給出了拖纜機(jī)主要性能參數(shù)、船舶系柱拖力、拖纜公稱規(guī)格和拖纜破斷載荷之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)表3。

表3 拖纜機(jī)主要性能參數(shù)、船舶系柱拖力、拖纜公稱規(guī)格與拖纜破斷載荷的關(guān)系

由表3可知，系柱拖力小于等于1 620 kN的海洋平臺(tái)工作船可參照該標(biāo)準(zhǔn)確定拖纜機(jī)的主要性能參數(shù)完成拖纜機(jī)的設(shè)備選型。然而，對(duì)系柱拖力達(dá)到2 000 kN、甚至3 000 kN的深水海洋平臺(tái)工作船而言，則很難按照該標(biāo)準(zhǔn)完成深水大型拖纜機(jī)的設(shè)備選型。不過(guò)，對(duì)表3進(jìn)行分析，可以得到船舶系柱拖力與拖纜最小破斷載荷、拖纜機(jī)最小支持載荷以及拖纜機(jī)卷筒載荷之間的關(guān)系，為深水大型拖纜機(jī)的設(shè)備選型提供參考。

4 結(jié)論

1)對(duì)于船舶系柱拖力大于810 kN的海洋平臺(tái)工作船而言，拖纜最小破斷載荷至少為船舶系柱拖力的2倍。

2)拖纜機(jī)最小支持載荷至少為拖纜最小破斷載荷的1.1倍。

3)表3中拖纜機(jī)卷筒載荷約為船舶系柱拖力的1.25倍，考慮到ABS及DNV的要求更為嚴(yán)格，在實(shí)船項(xiàng)目中應(yīng)視船舶入級(jí)情況而定。

這樣，對(duì)于深水大型拖纜機(jī)的設(shè)備選型，在方案設(shè)計(jì)階段，待依據(jù)總體性能完成船舶系柱拖力的預(yù)估后，就可以參照以上結(jié)論確定拖纜最小破斷載荷及拖纜規(guī)格，再確定拖纜機(jī)的最小支持載荷，然后，再根據(jù)船舶的入級(jí)情況確定拖纜機(jī)的卷筒工作載荷。在初步確定拖纜機(jī)卷筒工作負(fù)載和最小支持負(fù)載這兩個(gè)主要性能參數(shù)后，便可以著手進(jìn)行拖纜機(jī)的選型。

[1] 中國(guó)船級(jí)社. 中國(guó)船級(jí)社鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[2] ABS. Rules for building and classing steel vessels under 90 meters(295 Feet)in Length[S].ABS,2011.

[3] DNV，Rules for classification of ships[S].DNV,2013.

[4] 中國(guó)船級(jí)社. 海上拖航指南[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 11869—2007遠(yuǎn)洋船用拖曳絞車[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.