海洋平臺(tái)原油外輸大纜絞車關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)研究

熊大柱，趙雷剛，周英輝，甘正林，胡發(fā)國(guó)

（武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084）

0 引言

大纜絞車是 FPSO、CTV等進(jìn)行串靠外輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)有關(guān)船級(jí)社規(guī)范要求，大纜絞車必需獲得船檢證書才可以上船安裝。但目前，國(guó)際上各大船級(jí)社的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有對(duì)大纜絞車的設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)定，故給生產(chǎn)廠家、船級(jí)社和用戶帶來(lái)諸多不便。為了明確大纜絞車的設(shè)計(jì)要求，十分有必要對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。

1 大纜絞車關(guān)鍵技術(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)形式

大纜絞車不同于系泊絞車[1]和遠(yuǎn)洋船用拖曳絞車[2]，除了有臥式放置的左式絞車和右式絞車之外，還有立式放置的頂式絞車和底式絞車。當(dāng)觀察者位于絞車后方、面向大海時(shí)，如果減速裝置或者卷筒的驅(qū)動(dòng)裝置在卷筒的左邊、右邊、頂部或底部，則可相應(yīng)地把絞車稱為左式、右式、頂式或底式絞車，各式絞車見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 左式絞車

圖2 右式絞車

圖3 頂式絞車

圖4 底式絞車

1.2 快速釋放裝置

大纜絞車與系泊絞車和遠(yuǎn)洋拖曳絞車最顯著的區(qū)別在于是否存在快速釋放裝置。系泊絞車沒(méi)有快速釋放裝置。遠(yuǎn)洋拖曳絞車只有快速釋放功能，但其功能的實(shí)現(xiàn)僅僅是通過(guò)壓板把繩頭壓在滾筒側(cè)板，通過(guò)快速釋放時(shí)的拖拽力把鋼絲繩從壓板中抽出來(lái)實(shí)現(xiàn)的，正常使用時(shí)，拖曳絞車不能把鋼絲繩全部放出，要在滾筒上留幾圈鋼絲繩來(lái)承受拖曳負(fù)載，這就導(dǎo)致拖曳的負(fù)載需由滾筒邊緣承受，所以拖曳絞車需配置剎車力非常大的帶式制動(dòng)器等裝置。同時(shí)，拖曳絞車快速釋放后鋼絲繩頭容易起毛刺，復(fù)裝不太方便。

而大纜絞車的設(shè)計(jì)原則是：卷筒邊緣僅僅承受收放纜拉力、不承受系泊拉力。設(shè)計(jì)大纜絞車快速釋放裝置時(shí)，可以將其與大纜絞車卷筒集成在一起（圖5），也可以將其設(shè)計(jì)成一個(gè)獨(dú)立的裝置（圖 6）。需要說(shuō)明的是：需等系泊大纜從卷筒里完全放出，并且快速釋放裝置承受全部的串靠系泊拉力時(shí)，才能進(jìn)行原油外輸操作。

圖5 集成于絞車卷筒內(nèi)的快速釋放裝置

圖6 獨(dú)立的快速釋放裝置

快速釋放裝置必須設(shè)置系泊拉力監(jiān)測(cè)功能，其拉力監(jiān)測(cè)范圍為安全工作載荷的1.1～1.3倍。當(dāng)系泊拉力達(dá)到安全工作載荷的 60%和 75%時(shí)，大纜絞車需發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示操作人員觀察判斷是否需要進(jìn)行大纜快速釋放操作。從快速釋放動(dòng)作開(kāi)始到系泊大纜完全脫開(kāi)，允許的最大延時(shí)為4 s。

1.3 安全工作載荷

根據(jù) Cedric Morandini[3]對(duì)英國(guó)北海 1艘典型的FPSO進(jìn)行外輸作業(yè)時(shí)系泊大纜的張力分析，在穿梭油輪不加拖輪、不進(jìn)行動(dòng)力定位的情況下，系泊大纜張力最大值不超過(guò)350 T；在穿梭油輪進(jìn)行動(dòng)力定位，并對(duì)系泊大纜產(chǎn)生50 T的拉力時(shí)，系泊大纜上的拉力為500 T左右。根據(jù)王晨征[4]對(duì)我國(guó)南海1艘典型FPSO進(jìn)行外輸作業(yè)時(shí)系泊大纜張力分析，其系泊拉力不超過(guò)350 T。

穿梭油輪系泊時(shí)，有可能有動(dòng)力定位的需求，故確定大纜絞車的安全工作載荷應(yīng)不小于500 T。如果系泊的油輪為 VLCC，則應(yīng)考慮設(shè)置 2臺(tái)大纜絞車由 2條系泊大纜共同承擔(dān)系泊拉力，設(shè)計(jì)原則是不再提高單臺(tái)大纜絞車的安全工作載荷。

1.4 大纜構(gòu)成及參數(shù)

大纜一般由主纜（Hawser）、摩擦鏈（Chafe chain）、套環(huán)（Thimble）、卸扣（Shackle）、信號(hào)纜（Messenger rope）和浮筒（Buoy）構(gòu)成。其主纜、摩擦鏈、套環(huán)和卸扣為承受系泊拉力的部件，信號(hào)纜和浮筒主要在系泊作業(yè)前連接提油輪時(shí)使用。

大纜主纜一般采用尼龍材質(zhì)的復(fù)編纜繩，由上文可知大纜絞車的安全工作載荷為500 T，系泊大纜要求的最低破斷負(fù)載（Net Dry Breaking Strength，NDBS）為安全工作載荷的1.25倍，故要求系泊大纜NDBS最小為625 T。因尼龍材質(zhì)復(fù)裝編制的系泊大纜沒(méi)有統(tǒng)一的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)制造廠家生產(chǎn)的同一截面直徑的系泊大纜破斷拉力不同，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般選擇直徑為19″（φ=152 mm，NDBS 約為 650 T）、20″（φ=160 mm，NDBS 約為 700 T）、21″（φ=168 mm，NDBS 約為750 T）的系泊大纜就可以滿足絕大部分大纜絞車的系泊拉力負(fù)載要求。

摩擦鏈一般配置為直徑76 mm、等級(jí)R4的日字鏈。如果大纜絞車快速釋放裝置為獨(dú)立的，則主纜首尾需各配置 1條摩擦鏈，首端摩擦鏈用于連接提油輪，尾部摩擦鏈用于連接快速釋放裝置。如果快速釋放裝置集成于大纜絞車，則可以只配置用于連接提油輪的大纜首部摩擦鏈，大纜尾部摩擦鏈可不配置。

1.5 卷筒設(shè)計(jì)

1.5.1 卷筒直徑

卷筒在纏繞尼龍材質(zhì)的大纜時(shí)，如果大纜的彎曲半徑過(guò)小，就會(huì)損傷大纜，所以，卷筒的直徑應(yīng)越大越好。但卷筒的直徑過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致絞車占用空間和重量的增加。從尼龍材質(zhì)的纜繩耐用性和抗彎能力考慮，參考GB/T 4446《系泊絞車》[5]，卷筒最小直徑應(yīng)為尼龍大纜直徑的 6倍。大纜直徑和卷筒最小直徑對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 系泊大纜直徑與卷筒直徑對(duì)應(yīng)表

1.5.2 卷筒容繩量確定

進(jìn)行串靠系泊外輸作業(yè)的典型海域有2種：1）類似巴西和我國(guó)南海海域，此種海域?yàn)殚_(kāi)闊的外海海域，海況較復(fù)雜，為了避免提油輪和FPSO平臺(tái)發(fā)生碰撞，要求兩者之間的距離為150 m；2）類似英國(guó)北海和我國(guó)渤海海域，此種海域?yàn)閮?nèi)海，海況溫和，一般要求提油輪和FPSO之間的系泊距離為80 m～100 m。進(jìn)行串靠外輸時(shí)，大纜絞車的大纜為全部放出狀態(tài)，故系泊大纜的長(zhǎng)度一般只有2種選擇，即150 m左右或者80 m～100 m。

直徑76 mm、等級(jí)R4的摩擦鏈的長(zhǎng)度需大于止鏈器（提油輪端）或者應(yīng)急釋放裝置（FPSO端）到其各自導(dǎo)纜孔的距離，一般為10 m。信號(hào)纜的長(zhǎng)度一般為150 m～200 m，其直徑不超過(guò)100 mm。

整個(gè)系泊大纜，包括主纜、摩擦鏈、信號(hào)纜，應(yīng)能全部?jī)?chǔ)存于大纜絞車卷筒上。

1.6 卷筒收放纜負(fù)載

大纜絞車收纜負(fù)載主要有 3部分構(gòu)成：1）系泊大纜的濕重，為了方便計(jì)算，取GAMA 98纜繩作為參考依據(jù)，其系泊纜繩濕態(tài)下線密度為17.5 kg/m，150 m大纜的重量為2.6 T；2）摩擦鏈重量、信號(hào)纜及其附件重量，約為2 T；3）傳輸油輪側(cè)收放纜拉力負(fù)載，約為2 T。

故總收放負(fù)載為7 T左右，一般取1.5倍～2倍安全系數(shù)，故要求大纜絞車能承受約14 T的收放纜繩負(fù)載。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)大纜絞車的結(jié)構(gòu)形式、快速釋放裝置、安全工作載荷、大纜構(gòu)成及參數(shù)、卷筒設(shè)計(jì)、卷筒收放纜負(fù)載進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明，內(nèi)容基本覆蓋了海洋平臺(tái)原油外輸大纜絞車的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，為大纜絞車的設(shè)計(jì)提供了參考。