海洋平臺原油外輸大纜絞車關鍵技術參數設計研究

熊大柱，趙雷剛，周英輝，甘正林，胡發國

（武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084）

0 引言

大纜絞車是 FPSO、CTV等進行串靠外輸的關鍵設備，根據有關船級社規范要求，大纜絞車必需獲得船檢證書才可以上船安裝。但目前，國際上各大船級社的相關規范和標準沒有對大纜絞車的設計進行系統的規定，故給生產廠家、船級社和用戶帶來諸多不便。為了明確大纜絞車的設計要求，十分有必要對其關鍵技術進行相關研究。

1 大纜絞車關鍵技術

1.1 結構形式

大纜絞車不同于系泊絞車[1]和遠洋船用拖曳絞車[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。當觀察者位于絞車后方、面向大海時，如果減速裝置或者卷筒的驅動裝置在卷筒的左邊、右邊、頂部或底部，則可相應地把絞車稱為左式、右式、頂式或底式絞車，各式絞車見圖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洋拖曳絞車最顯著的區別在于是否存在快速釋放裝置。系泊絞車沒有快速釋放裝置。遠洋拖曳絞車只有快速釋放功能，但其功能的實現僅僅是通過壓板把繩頭壓在滾筒側板，通過快速釋放時的拖拽力把鋼絲繩從壓板中抽出來實現的，正常使用時，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承受拖曳負載，這就導致拖曳的負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器等裝置。同時，拖曳絞車快速釋放后鋼絲繩頭容易起毛刺，復裝不太方便。

而大纜絞車的設計原則是：卷筒邊緣僅僅承受收放纜拉力、不承受系泊拉力。設計大纜絞車快速釋放裝置時，可以將其與大纜絞車卷筒集成在一起（圖5），也可以將其設計成一個獨立的裝置（圖 6）。需要說明的是：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，才能進行原油外輸操作。

圖5 集成于絞車卷筒內的快速釋放裝置

圖6 獨立的快速釋放裝置

快速釋放裝置必須設置系泊拉力監測功能，其拉力監測范圍為安全工作載荷的1.1～1.3倍。當系泊拉力達到安全工作載荷的 60%和 75%時，大纜絞車需發出報警信號，提示操作人員觀察判斷是否需要進行大纜快速釋放操作。從快速釋放動作開始到系泊大纜完全脫開，允許的最大延時為4 s。

1.3 安全工作載荷

根據 Cedric Morandini[3]對英國北海 1艘典型的FPSO進行外輸作業時系泊大纜的張力分析，在穿梭油輪不加拖輪、不進行動力定位的情況下，系泊大纜張力最大值不超過350 T；在穿梭油輪進行動力定位，并對系泊大纜產生50 T的拉力時，系泊大纜上的拉力為500 T左右。根據王晨征[4]對我國南海1艘典型FPSO進行外輸作業時系泊大纜張力分析，其系泊拉力不超過350 T。

穿梭油輪系泊時，有可能有動力定位的需求，故確定大纜絞車的安全工作載荷應不小于500 T。如果系泊的油輪為 VLCC，則應考慮設置 2臺大纜絞車由 2條系泊大纜共同承擔系泊拉力，設計原則是不再提高單臺大纜絞車的安全工作載荷。

1.4 大纜構成及參數

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

大纜主纜一般采用尼龍材質的復編纜繩，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。因尼龍材質復裝編制的系泊大纜沒有統一的強度標準，各個制造廠家生產的同一截面直徑的系泊大纜破斷拉力不同，根據經驗，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載要求。

摩擦鏈一般配置為直徑76 mm、等級R4的日字鏈。如果大纜絞車快速釋放裝置為獨立的，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 卷筒設計

1.5.1 卷筒直徑

卷筒在纏繞尼龍材質的大纜時，如果大纜的彎曲半徑過小，就會損傷大纜，所以，卷筒的直徑應越大越好。但卷筒的直徑過大，將會導致絞車占用空間和重量的增加。從尼龍材質的纜繩耐用性和抗彎能力考慮，參考GB/T 4446《系泊絞車》[5]，卷筒最小直徑應為尼龍大纜直徑的 6倍。大纜直徑和卷筒最小直徑對應數據見表1。

表1 系泊大纜直徑與卷筒直徑對應表

1.5.2 卷筒容繩量確定

進行串靠系泊外輸作業的典型海域有2種：1）類似巴西和我國南海海域，此種海域為開闊的外海海域，海況較復雜，為了避免提油輪和FPSO平臺發生碰撞，要求兩者之間的距離為150 m；2）類似英國北海和我國渤海海域，此種海域為內海，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。進行串靠外輸時，大纜絞車的大纜為全部放出狀態，故系泊大纜的長度一般只有2種選擇，即150 m左右或者80 m～100 m。

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

整個系泊大纜，包括主纜、摩擦鏈、信號纜，應能全部儲存于大纜絞車卷筒上。

1.6 卷筒收放纜負載

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

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

2 結束語

本文對大纜絞車的結構形式、快速釋放裝置、安全工作載荷、大纜構成及參數、卷筒設計、卷筒收放纜負載進行了簡要的說明，內容基本覆蓋了海洋平臺原油外輸大纜絞車的關鍵設計參數，為大纜絞車的設計提供了參考。