海洋平臺工作船深水大型拖纜機選型分析

,

(1.武昌船舶重工有限責任公司,武漢 430064;2.武漢交通職業學院,武漢 430065)

隨著海洋油氣開采向深遠海進軍，海洋工程裝備也逐步向深水大型化方面發展。對為海洋石油鉆井平臺提供長途拖航、深水起拋錨等服務的海洋平臺工作船而言，則要求作為主要拖曳設備的拖纜機具備更強的拖曳能力。然而，船級社相關規范在船舶系柱拖力、拖纜破斷載荷、拖纜機支持載荷、拖纜機工作載荷等拖曳系統主要性能參數之間并沒有給出明確要求。尤其是系柱拖力超過1 620 kN的海洋平臺工作船，拖纜機的設備選型及性能參數已經超出了相應的設計建造標準。為此，對深水大型拖纜機進行選型研究，擬定選型步驟，明確拖曳系統主要性能參數之間的關系，完成拖纜機設備選型。

1 船級規范的相關要求

具備拖曳功能的海洋平臺工作船通常配備有專用的拖纜機進行拖曳作業，尤其是系柱拖力達到2 000 kN，進行深水作業的海洋平臺工作船往往配備有深水大型拖纜機。

1.1 CCS規范對拖纜機的要求

中國船級社鋼制海船入級規范(2012)(以下簡稱《規范》)第2篇第10章對授予TUG附加標志船舶所配置的拖曳設備提出了相應要求。《規范》指出，拖纜機構件的設計應根據拖纜的破斷強度來決定，并要求拖曳設備處支承結構的設計載荷應不小于拖曳系統的破斷強度[1]。

可以看出，CCS《規范》并未對拖纜機的主要性能參數作出具體要求，只是籠統地指出拖纜機構件的設計應由拖纜的破斷強度來決定，也并未給出拖纜機構件和拖纜破斷強度之間的具體關系。此外，《規范》要求拖曳設備處支承結構的設計載荷應不小于拖曳系統的破斷強度，也只是強調拖纜機船體支撐結構強度應不小于整個拖曳系統的破斷強度，并未明確拖纜機設備性能參數和拖纜破斷強度和船舶系柱拖力之間的關系。但是，從整個拖曳系統進行分析，可以得出以下關系:船舶系柱拖力<拖纜破斷強度<拖纜機結構強度。即在整個拖曳系統中，為保證正常拖航，要求船舶系柱拖力的值最小。如果出現緊急情況，啟動應急釋放裝置，釋放拖纜。在最惡劣的情況下，如果應急釋放裝置也發生故障，拖纜機及船體支持結構也不應發生過載而結構變形，只能是拖纜超出破斷載荷而斷裂。

1.2 ABS規范對拖纜機的要求

美國船級社入級規范《Rules for Building and Classing Steel Vessels Under 90 Meters(295 Feet)in Length(2011)》在第5部分第8章對授予Towing Vessels附加標志船舶所配置的拖曳設備提出了相應要求，除需向船級社提交相關的認可文件和系柱拖力試驗程序外，對拖纜機的設備選型特地提出參考載荷(RL)的概念，確定了拖纜機工作載荷和船舶系柱拖力(BP)之間的關系[2]，見圖1。

圖1 參考載荷和船舶系柱拖力之間的量化關系

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

對該規范進行分析，可知在拖纜機選型時需根據系柱拖力的大小來確定不同規格的拖纜機，對于深水大型拖纜機而言，ABS規范要求拖纜機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，并要求拖纜機應能承受參考載荷而不產生永久變形。

1.3 DNV規范對拖纜機的要求

挪威船級社《船舶入級規范(2013)》第5部分第7章對授予TUG附加標志船舶所配置的拖曳設備提出了具體要求。尤其值得注意的是，在2007年4月12日“皇族海豚號”(Bourbon Dolphin)海洋平臺工作船在設得蘭(Shetland)海岸外的北海執行鉆井平臺拖航任務傾覆后，挪威船級社對該類型船舶的抗傾覆性以及拖纜機等拖曳設備提出了更為嚴苛的要求。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系，見表1[3]。

表1 船舶系柱拖力與參考載荷的關系

由表1可知，當船舶系柱拖力小于400 kN時，參考載荷為3倍的系柱拖力；當船舶系柱拖力大于900 kN時，參考載荷取2倍的系柱拖力；當船舶系柱拖力介于二者之間時，按照公式計算。而且，規范還強調拖纜機卷筒的工作載荷應能承受參考載荷而不產生永久變形。此外，DNV規范還對拖纜機的應急釋放作出具體要求，要求拖纜機在所有工況下發生緊急情況時均能釋放拖纜，應急釋放后要求拖纜機的剎車能立即處于正常工作中，甚至在失電狀態下，也總能實施應急釋放。

與CCS及ABS規范進行比較，可以看出DNV規范對拖纜機性能參數的要求最為嚴格，并提出參考載荷的概念，建立船舶系柱拖力與拖纜機卷筒工作載荷之間的量化關系。對于深水大型拖纜機，拖纜機的卷筒負載至少為系柱拖力的2倍。

2 拖航指南的相關要求

中國船級社《海上拖航指南(2011)》(以下簡稱《指南》)對海上拖航的最主要拖曳設備拖纜機也提出了細致要求。指南要求，拖纜機的設計強度應能承受拖纜的破斷載荷而不發生永久變形，拖纜機的制動裝置應具備承擔最大拖纜破斷載荷1.1倍的支持載荷，拖纜機卷筒上最內層拖纜的拖力至少為船舶系柱拖力的2.5倍。拖纜機除配有主制動裝置外，還應備有一套應急制動裝置，并要求其最內層拖纜上的制動力至少為船舶系柱拖力的2倍。拖纜機在從事制動、拖曳與回收等操作時，在任何情況下，甚至在正常動力源發生故障時也應能從駕駛室應急釋放拖纜[4]。

同時，《指南》指出，拖纜的最小破斷載荷由船舶的系柱拖力決定，并特別強調，在正常作業工況下，拖纜所承受的載荷應不超過其破斷載荷的50%。拖纜最小破斷載荷與船舶系柱拖力之間的具體關系見表2。

表2 拖纜最小破斷載荷與船舶系柱拖力的關系

雖然《指南》只是指導性文件，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、拖纜機支持載荷、拖纜機卷筒等最內層工作載荷、拖纜機結構強度之間的關系。然而，對現有的海洋平臺工作船所選用的深水大型拖纜機進行分析發現，拖纜機卷筒最內層工作載荷一般達不到船舶系柱拖力的2.5倍。例如，某海洋平臺工作船由瓦錫蘭(波蘭)設計公司設計、入挪威船級社，系柱拖力為2 000 kN，拖纜機由Rolls-Royce公司提供，拖纜機卷筒最內層工作載荷為4 000 t，達不到系柱拖力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工作船，該船由烏斯坦公司設計、具有中國船級社和英國勞氏船級社雙船級，系柱拖力達到3 000 kN，拖纜機仍由Rolls-Royce公司提供，拖纜機卷筒最內層工作載荷為4 500 kN，仍然達不到系柱拖力2.5倍的要求。

對于實船參數與拖航指南要求存在的偏差進行分析，主要有以下兩個原因：① 拖航指南僅僅只是作為指導性文件，不具備強制性，且出版年代較早；② 近年來，海工裝備發展迅猛，深水大型拖纜機主要性能參數大幅度提升，拖航指南不具備足夠的普適性。

3 拖纜機相關標準要求

在拖纜機的設計、建造過程中，通常參考的標準為GB/T 11869—2007，遠洋船用拖曳絞車[5]。該標準由國際標準ISO7365：1983《造船和海上結構物 甲板機械 遠洋拖曳絞車》修改而成，適用于拖纜機的設計、生產和驗收。該標準明確給出了拖纜機主要性能參數、船舶系柱拖力、拖纜公稱規格和拖纜破斷載荷之間的對應關系，見表3。

表3 拖纜機主要性能參數、船舶系柱拖力、拖纜公稱規格與拖纜破斷載荷的關系

由表3可知，系柱拖力小于等于1 620 kN的海洋平臺工作船可參照該標準確定拖纜機的主要性能參數完成拖纜機的設備選型。然而，對系柱拖力達到2 000 kN、甚至3 000 kN的深水海洋平臺工作船而言，則很難按照該標準完成深水大型拖纜機的設備選型。不過，對表3進行分析，可以得到船舶系柱拖力與拖纜最小破斷載荷、拖纜機最小支持載荷以及拖纜機卷筒載荷之間的關系，為深水大型拖纜機的設備選型提供參考。

4 結論

1)對于船舶系柱拖力大于810 kN的海洋平臺工作船而言，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的要求更為嚴格，在實船項目中應視船舶入級情況而定。

這樣，對于深水大型拖纜機的設備選型，在方案設計階段，待依據總體性能完成船舶系柱拖力的預估后，就可以參照以上結論確定拖纜最小破斷載荷及拖纜規格，再確定拖纜機的最小支持載荷，然后，再根據船舶的入級情況確定拖纜機的卷筒工作載荷。在初步確定拖纜機卷筒工作負載和最小支持負載這兩個主要性能參數后，便可以著手進行拖纜機的選型。

[1] 中國船級社. 中國船級社鋼質海船入級規范[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] 中國船級社. 海上拖航指南[S].北京：人民交通出版社，2011.

[5] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局. GB/T 11869—2007遠洋船用拖曳絞車[S].北京：中國標準出版社，2007.