海洋平台原油外输大缆绞车关键技术参数设计研究

熊大柱，赵雷刚，周英辉，甘正林，胡发国

（武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084）

0 引言

大缆绞车是 FPSO、CTV等进行串靠外输的关键设备，根据有关船级社规范要求，大缆绞车必需获得船检证书才可以上船安装。但目前，国际上各大船级社的相关规范和标准没有对大缆绞车的设计进行系统的规定，故给生产厂家、船级社和用户带来诸多不便。为了明确大缆绞车的设计要求，十分有必要对其关键技术进行相关研究。

1 大缆绞车关键技术

1.1 结构形式

大缆绞车不同于系泊绞车[1]和远洋船用拖曳绞车[2]，除了有卧式放置的左式绞车和右式绞车之外，还有立式放置的顶式绞车和底式绞车。当观察者位于绞车后方、面向大海时，如果减速装置或者卷筒的驱动装置在卷筒的左边、右边、顶部或底部，则可相应地把绞车称为左式、右式、顶式或底式绞车，各式绞车见图1～图4。

图1 左式绞车

图2 右式绞车

图3 顶式绞车

图4 底式绞车

1.2 快速释放装置

大缆绞车与系泊绞车和远洋拖曳绞车最显著的区别在于是否存在快速释放装置。系泊绞车没有快速释放装置。远洋拖曳绞车只有快速释放功能，但其功能的实现仅仅是通过压板把绳头压在滚筒侧板，通过快速释放时的拖拽力把钢丝绳从压板中抽出来实现的，正常使用时，拖曳绞车不能把钢丝绳全部放出，要在滚筒上留几圈钢丝绳来承受拖曳负载，这就导致拖曳的负载需由滚筒边缘承受，所以拖曳绞车需配置刹车力非常大的带式制动器等装置。同时，拖曳绞车快速释放后钢丝绳头容易起毛刺，复装不太方便。

而大缆绞车的设计原则是：卷筒边缘仅仅承受收放缆拉力、不承受系泊拉力。设计大缆绞车快速释放装置时，可以将其与大缆绞车卷筒集成在一起（图5），也可以将其设计成一个独立的装置（图 6）。需要说明的是：需等系泊大缆从卷筒里完全放出，并且快速释放装置承受全部的串靠系泊拉力时，才能进行原油外输操作。

图5 集成于绞车卷筒内的快速释放装置

图6 独立的快速释放装置

快速释放装置必须设置系泊拉力监测功能，其拉力监测范围为安全工作载荷的1.1～1.3倍。当系泊拉力达到安全工作载荷的 60%和 75%时，大缆绞车需发出报警信号，提示操作人员观察判断是否需要进行大缆快速释放操作。从快速释放动作开始到系泊大缆完全脱开，允许的最大延时为4 s。

1.3 安全工作载荷

根据 Cedric Morandini[3]对英国北海 1艘典型的FPSO进行外输作业时系泊大缆的张力分析，在穿梭油轮不加拖轮、不进行动力定位的情况下，系泊大缆张力最大值不超过350 T；在穿梭油轮进行动力定位，并对系泊大缆产生50 T的拉力时，系泊大缆上的拉力为500 T左右。根据王晨征[4]对我国南海1艘典型FPSO进行外输作业时系泊大缆张力分析，其系泊拉力不超过350 T。

穿梭油轮系泊时，有可能有动力定位的需求，故确定大缆绞车的安全工作载荷应不小于500 T。如果系泊的油轮为 VLCC，则应考虑设置 2台大缆绞车由 2条系泊大缆共同承担系泊拉力，设计原则是不再提高单台大缆绞车的安全工作载荷。

1.4 大缆构成及参数

大缆一般由主缆（Hawser）、摩擦链（Chafe chain）、套环（Thimble）、卸扣（Shackle）、信号缆（Messenger rope）和浮筒（Buoy）构成。其主缆、摩擦链、套环和卸扣为承受系泊拉力的部件，信号缆和浮筒主要在系泊作业前连接提油轮时使用。

大缆主缆一般采用尼龙材质的复编缆绳，由上文可知大缆绞车的安全工作载荷为500 T，系泊大缆要求的最低破断负载（Net Dry Breaking Strength，NDBS）为安全工作载荷的1.25倍，故要求系泊大缆NDBS最小为625 T。因尼龙材质复装编制的系泊大缆没有统一的强度标准，各个制造厂家生产的同一截面直径的系泊大缆破断拉力不同，根据经验，一般选择直径为19″（φ=152 mm，NDBS 约为 650 T）、20″（φ=160 mm，NDBS 约为 700 T）、21″（φ=168 mm，NDBS 约为750 T）的系泊大缆就可以满足绝大部分大缆绞车的系泊拉力负载要求。

摩擦链一般配置为直径76 mm、等级R4的日字链。如果大缆绞车快速释放装置为独立的，则主缆首尾需各配置 1条摩擦链，首端摩擦链用于连接提油轮，尾部摩擦链用于连接快速释放装置。如果快速释放装置集成于大缆绞车，则可以只配置用于连接提油轮的大缆首部摩擦链，大缆尾部摩擦链可不配置。

1.5 卷筒设计

1.5.1 卷筒直径

卷筒在缠绕尼龙材质的大缆时，如果大缆的弯曲半径过小，就会损伤大缆，所以，卷筒的直径应越大越好。但卷筒的直径过大，将会导致绞车占用空间和重量的增加。从尼龙材质的缆绳耐用性和抗弯能力考虑，参考GB/T 4446《系泊绞车》[5]，卷筒最小直径应为尼龙大缆直径的 6倍。大缆直径和卷筒最小直径对应数据见表1。

表1 系泊大缆直径与卷筒直径对应表

1.5.2 卷筒容绳量确定

进行串靠系泊外输作业的典型海域有2种：1）类似巴西和我国南海海域，此种海域为开阔的外海海域，海况较复杂，为了避免提油轮和FPSO平台发生碰撞，要求两者之间的距离为150 m；2）类似英国北海和我国渤海海域，此种海域为内海，海况温和，一般要求提油轮和FPSO之间的系泊距离为80 m～100 m。进行串靠外输时，大缆绞车的大缆为全部放出状态，故系泊大缆的长度一般只有2种选择，即150 m左右或者80 m～100 m。

直径76 mm、等级R4的摩擦链的长度需大于止链器（提油轮端）或者应急释放装置（FPSO端）到其各自导缆孔的距离，一般为10 m。信号缆的长度一般为150 m～200 m，其直径不超过100 mm。

整个系泊大缆，包括主缆、摩擦链、信号缆，应能全部储存于大缆绞车卷筒上。

1.6 卷筒收放缆负载

大缆绞车收缆负载主要有 3部分构成：1）系泊大缆的湿重，为了方便计算，取GAMA 98缆绳作为参考依据，其系泊缆绳湿态下线密度为17.5 kg/m，150 m大缆的重量为2.6 T；2）摩擦链重量、信号缆及其附件重量，约为2 T；3）传输油轮侧收放缆拉力负载，约为2 T。

故总收放负载为7 T左右，一般取1.5倍～2倍安全系数，故要求大缆绞车能承受约14 T的收放缆绳负载。

2 结束语

本文对大缆绞车的结构形式、快速释放装置、安全工作载荷、大缆构成及参数、卷筒设计、卷筒收放缆负载进行了简要的说明，内容基本覆盖了海洋平台原油外输大缆绞车的关键设计参数，为大缆绞车的设计提供了参考。