海洋平台工作船深水大型拖缆机选型分析

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(1.武昌船舶重工有限责任公司,武汉 430064;2.武汉交通职业学院,武汉 430065)

随着海洋油气开采向深远海进军，海洋工程装备也逐步向深水大型化方面发展。对为海洋石油钻井平台提供长途拖航、深水起抛锚等服务的海洋平台工作船而言，则要求作为主要拖曳设备的拖缆机具备更强的拖曳能力。然而，船级社相关规范在船舶系柱拖力、拖缆破断载荷、拖缆机支持载荷、拖缆机工作载荷等拖曳系统主要性能参数之间并没有给出明确要求。尤其是系柱拖力超过1 620 kN的海洋平台工作船，拖缆机的设备选型及性能参数已经超出了相应的设计建造标准。为此，对深水大型拖缆机进行选型研究，拟定选型步骤，明确拖曳系统主要性能参数之间的关系，完成拖缆机设备选型。

1 船级规范的相关要求

具备拖曳功能的海洋平台工作船通常配备有专用的拖缆机进行拖曳作业，尤其是系柱拖力达到2 000 kN，进行深水作业的海洋平台工作船往往配备有深水大型拖缆机。

1.1 CCS规范对拖缆机的要求

中国船级社钢制海船入级规范(2012)(以下简称《规范》)第2篇第10章对授予TUG附加标志船舶所配置的拖曳设备提出了相应要求。《规范》指出，拖缆机构件的设计应根据拖缆的破断强度来决定，并要求拖曳设备处支承结构的设计载荷应不小于拖曳系统的破断强度[1]。

可以看出，CCS《规范》并未对拖缆机的主要性能参数作出具体要求，只是笼统地指出拖缆机构件的设计应由拖缆的破断强度来决定，也并未给出拖缆机构件和拖缆破断强度之间的具体关系。此外，《规范》要求拖曳设备处支承结构的设计载荷应不小于拖曳系统的破断强度，也只是强调拖缆机船体支撑结构强度应不小于整个拖曳系统的破断强度，并未明确拖缆机设备性能参数和拖缆破断强度和船舶系柱拖力之间的关系。但是，从整个拖曳系统进行分析，可以得出以下关系:船舶系柱拖力<拖缆破断强度<拖缆机结构强度。即在整个拖曳系统中，为保证正常拖航，要求船舶系柱拖力的值最小。如果出现紧急情况，启动应急释放装置，释放拖缆。在最恶劣的情况下，如果应急释放装置也发生故障，拖缆机及船体支持结构也不应发生过载而结构变形，只能是拖缆超出破断载荷而断裂。

1.2 ABS规范对拖缆机的要求

美国船级社入级规范《Rules for Building and Classing Steel Vessels Under 90 Meters(295 Feet)in Length(2011)》在第5部分第8章对授予Towing Vessels附加标志船舶所配置的拖曳设备提出了相应要求，除需向船级社提交相关的认可文件和系柱拖力试验程序外，对拖缆机的设备选型特地提出参考载荷(RL)的概念，确定了拖缆机工作载荷和船舶系柱拖力(BP)之间的关系[2]，见图1。

图1 参考载荷和船舶系柱拖力之间的量化关系

由图1可知，当船舶系柱拖力小于或者等于500 kN时，参考载荷为2倍的系柱拖力；当船舶系柱拖力大于等于1 500 kN时，参考载荷取1.33倍的系柱拖力；当船舶系柱拖力介于二者之间时，采用插值法求得。

对该规范进行分析，可知在拖缆机选型时需根据系柱拖力的大小来确定不同规格的拖缆机，对于深水大型拖缆机而言，ABS规范要求拖缆机的工作载荷至少为船舶系柱拖力的1.33倍。拖缆的破断载荷不得小于参考载荷，并要求拖缆机应能承受参考载荷而不产生永久变形。

1.3 DNV规范对拖缆机的要求

挪威船级社《船舶入级规范(2013)》第5部分第7章对授予TUG附加标志船舶所配置的拖曳设备提出了具体要求。尤其值得注意的是，在2007年4月12日“皇族海豚号”(Bourbon Dolphin)海洋平台工作船在设得兰(Shetland)海岸外的北海执行钻井平台拖航任务倾覆后，挪威船级社对该类型船舶的抗倾覆性以及拖缆机等拖曳设备提出了更为严苛的要求。与ABS相同，DNV也给出了参考载荷的概念，并给出了船舶系柱拖力与参考载荷之间的关系，见表1[3]。

表1 船舶系柱拖力与参考载荷的关系

由表1可知，当船舶系柱拖力小于400 kN时，参考载荷为3倍的系柱拖力；当船舶系柱拖力大于900 kN时，参考载荷取2倍的系柱拖力；当船舶系柱拖力介于二者之间时，按照公式计算。而且，规范还强调拖缆机卷筒的工作载荷应能承受参考载荷而不产生永久变形。此外，DNV规范还对拖缆机的应急释放作出具体要求，要求拖缆机在所有工况下发生紧急情况时均能释放拖缆，应急释放后要求拖缆机的刹车能立即处于正常工作中，甚至在失电状态下，也总能实施应急释放。

与CCS及ABS规范进行比较，可以看出DNV规范对拖缆机性能参数的要求最为严格，并提出参考载荷的概念，建立船舶系柱拖力与拖缆机卷筒工作载荷之间的量化关系。对于深水大型拖缆机，拖缆机的卷筒负载至少为系柱拖力的2倍。

2 拖航指南的相关要求

中国船级社《海上拖航指南(2011)》(以下简称《指南》)对海上拖航的最主要拖曳设备拖缆机也提出了细致要求。指南要求，拖缆机的设计强度应能承受拖缆的破断载荷而不发生永久变形，拖缆机的制动装置应具备承担最大拖缆破断载荷1.1倍的支持载荷，拖缆机卷筒上最内层拖缆的拖力至少为船舶系柱拖力的2.5倍。拖缆机除配有主制动装置外，还应备有一套应急制动装置，并要求其最内层拖缆上的制动力至少为船舶系柱拖力的2倍。拖缆机在从事制动、拖曳与回收等操作时，在任何情况下，甚至在正常动力源发生故障时也应能从驾驶室应急释放拖缆[4]。

同时，《指南》指出，拖缆的最小破断载荷由船舶的系柱拖力决定，并特别强调，在正常作业工况下，拖缆所承受的载荷应不超过其破断载荷的50%。拖缆最小破断载荷与船舶系柱拖力之间的具体关系见表2。

表2 拖缆最小破断载荷与船舶系柱拖力的关系

虽然《指南》只是指导性文件，但是从中可以比较清晰地得到船舶系柱拖力、拖缆破断载荷、拖缆机支持载荷、拖缆机卷筒等最内层工作载荷、拖缆机结构强度之间的关系。然而，对现有的海洋平台工作船所选用的深水大型拖缆机进行分析发现，拖缆机卷筒最内层工作载荷一般达不到船舶系柱拖力的2.5倍。例如，某海洋平台工作船由瓦锡兰(波兰)设计公司设计、入挪威船级社，系柱拖力为2 000 kN，拖缆机由Rolls-Royce公司提供，拖缆机卷筒最内层工作载荷为4 000 t，达不到系柱拖力2.5倍的要求。再如，某艘具备世界顶尖水平的深水海洋平台工作船，该船由乌斯坦公司设计、具有中国船级社和英国劳氏船级社双船级，系柱拖力达到3 000 kN，拖缆机仍由Rolls-Royce公司提供，拖缆机卷筒最内层工作载荷为4 500 kN，仍然达不到系柱拖力2.5倍的要求。

对于实船参数与拖航指南要求存在的偏差进行分析，主要有以下两个原因：① 拖航指南仅仅只是作为指导性文件，不具备强制性，且出版年代较早；② 近年来，海工装备发展迅猛，深水大型拖缆机主要性能参数大幅度提升，拖航指南不具备足够的普适性。

3 拖缆机相关标准要求

在拖缆机的设计、建造过程中，通常参考的标准为GB/T 11869—2007，远洋船用拖曳绞车[5]。该标准由国际标准ISO7365：1983《造船和海上结构物 甲板机械 远洋拖曳绞车》修改而成，适用于拖缆机的设计、生产和验收。该标准明确给出了拖缆机主要性能参数、船舶系柱拖力、拖缆公称规格和拖缆破断载荷之间的对应关系，见表3。

表3 拖缆机主要性能参数、船舶系柱拖力、拖缆公称规格与拖缆破断载荷的关系

由表3可知，系柱拖力小于等于1 620 kN的海洋平台工作船可参照该标准确定拖缆机的主要性能参数完成拖缆机的设备选型。然而，对系柱拖力达到2 000 kN、甚至3 000 kN的深水海洋平台工作船而言，则很难按照该标准完成深水大型拖缆机的设备选型。不过，对表3进行分析，可以得到船舶系柱拖力与拖缆最小破断载荷、拖缆机最小支持载荷以及拖缆机卷筒载荷之间的关系，为深水大型拖缆机的设备选型提供参考。

4 结论

1)对于船舶系柱拖力大于810 kN的海洋平台工作船而言，拖缆最小破断载荷至少为船舶系柱拖力的2倍。

2)拖缆机最小支持载荷至少为拖缆最小破断载荷的1.1倍。

3)表3中拖缆机卷筒载荷约为船舶系柱拖力的1.25倍，考虑到ABS及DNV的要求更为严格，在实船项目中应视船舶入级情况而定。

这样，对于深水大型拖缆机的设备选型，在方案设计阶段，待依据总体性能完成船舶系柱拖力的预估后，就可以参照以上结论确定拖缆最小破断载荷及拖缆规格，再确定拖缆机的最小支持载荷，然后，再根据船舶的入级情况确定拖缆机的卷筒工作载荷。在初步确定拖缆机卷筒工作负载和最小支持负载这两个主要性能参数后，便可以着手进行拖缆机的选型。

[1] 中国船级社. 中国船级社钢质海船入级规范[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] 中国船级社. 海上拖航指南[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T 11869—2007远洋船用拖曳绞车[S].北京：中国标准出版社，2007.