海洋調查絞車技術要求存在的問題分析及對策

桑 巍，佟 寅

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引 言

近年來，隨著我國海洋調查和海洋科學研究事業的不斷發展，中國船舶及海洋工程設計研究院在海洋調查船設計領域的研究不斷推進，在二十世紀七八十年代開發出的向陽紅系列遠洋調查船和遠望系列航天遙測船的基礎上，陸續開發設計了一批具有國際先進水平的現代化科考調查船[1]，包括“科學號”海洋科學綜合考察船和“雪龍號”海洋破冰科學調查船的改造設計[2]，以及“蛟龍號”載人潛水器支持母船、“東方紅3號”深遠海綜合科學考察實習船和“雪龍二號”極地科學考察破冰船的設計等。海洋調查絞車是開展海洋調查和海洋科學研究用到的重要設備，在進行海洋地質取樣、海水水體參數測量和海洋生物調查等作業時協助完成海上定點或拖曳作業，廣泛應用于海洋調查船、海洋科學綜合考察船和極地科考船等船舶上。

在開發設計海洋調查船的工作中，發現海洋調查絞車不同于其他船用絞車(如系泊絞車、拖帶絞車等)，后者在船舶行業中的應用比較廣泛，相關船級社規范和標準比較完備[3-5]，船舶行業對其有統一認可和接受的技術要求。相較而言，海洋調查船的專業性很強，船舶行業對此類船型上應用的海洋調查絞車缺少統一的、能普遍理解和接受的技術要求。國際上對此類絞車也缺乏統一的技術要求和標準，國外船級社沒有針對此類絞車的規范要求，國外不同廠家制造的絞車的技術要求和技術指標描述彼此不統一。

1 目前海洋調查絞車技術要求存在的問題

1.1 絞車類型的劃分方法

絞車類型的劃分方法有很多，容易混淆。海洋調查絞車可根據功能的不同分為地質絞車和水文絞車等，可從更專業的功能角度分為CTD(Conductivity,Temperature,Depth)絞車、深拖絞車和ROV(Remote Operated Vehicle)絞車等，可根據使用的纜索種類的不同分為鋼索絞車、纖維纜絞車、同軸纜絞車和光電纜絞車等，可根據驅動方式的不同分為電動絞車、液壓絞車和電動變頻絞車等。

1.2 技術指標的定義

需明確主要技術指標的準確定義。例如，安全工作負荷(Safe Working Load,SWL)缺少適合不同類型絞車的準確定義：對于牽引式絞車系統，需明確SWL是牽引器回收的最大靜載荷；對于直拉式絞車系統，需明確SWL是絞車卷筒第一層能回收的最大靜載荷。

1.3 技術指標的統一

主要技術指標的要求不夠統一。對于動載荷系數，不同絞車制造廠家的技術指標不一致，有的稱為動態放大系數(Dynamic Amplifying Factor,DAF)，有的稱為動態載荷系數(Dynamic Load Factor,DLF)；同時，設備廠家的技術文件中缺少對動載荷系數的定義(有的僅提供動載荷系數的數值，缺少對應海況級別;有的不提供動載荷系數，僅提供船舶的橫傾角和縱傾角)。

1.4 技術指標的完整性

缺少必要的技術指標。對于直拉絞車系統，僅提供SWL，缺少頂層工作負荷(即頂層纜索最大靜載荷)，這樣就無法確定纜索全部回收到卷筒時絞車工作拉力的大小，進而無法確定水底取樣是否能回收到水面。

1.5 海洋調查絞車規范

船級社缺少針對海洋調查絞車的規范要求。由于各船級社沒有針對海洋調查絞車的規范要求，絞車制造廠家通常會參考船級社的起重規范要求設計絞車，如參考中國船級社的《船舶與海上設施起重設備規范》[6]、挪威船級社的《Standard for certification No.2.22-Lifting Appliances》[7]和英國勞氏船級社的《Code for lifting appliances in a marine environment》[8]等。中國船級社規范有針對近海用起重機動載荷的計算方法，但僅提供2～3級和5～6級海況下的動載荷計算方法，內容不夠完整；挪威船級社和英國勞氏船級社的規范缺少對應海況下的動載荷計算方法。

1.6 海洋調查絞車技術標準

缺少海洋調查絞車技術標準。國際上缺少針對海洋調查絞車的技術標準，國內在二十世紀八十年代初編制了船舶行業標準CB 3150—1983(《船用地質絞車》)和CB 3128—1982(《水文絞車》)。這些標準缺少作業海況要求，不能滿足目前海洋綜合調查船的大洋深海作業要求。根據作業功能的不同，海洋調查絞車可分為水文絞車、地質絞車、牽引絞車、CTD專用絞車和ROV專用絞車等多種類型，僅有地質絞車和水文絞車標準是不夠的，且針對不同功能海洋調查絞車制定不同的標準容易造成不同用途絞車的技術要求不統一，需涵蓋各種類型海洋調查絞車的基礎技術標準。

2 海洋調查絞車的主要技術指標要求

由于用途和作業工況等不同，海洋調查絞車與其他類型船用絞車有很多區別，根據近年來在海洋調查船設計工作和海洋調查絞車應用工作中積累的經驗，結合上文提出的相關問題，認為海洋調查絞車應提供以下技術指標和定義。

2.1 絞車類型

海洋調查絞車類型有多種劃分方法，需進行多個層級的劃分。雖然絞車的種類有很多，但絞車的結構形式總體來說只有直拉式和牽引式2種。由于牽引式絞車能有效減小纜繩的工作張力，一般將其應用于工作拉力較大的場景中。相對而言，直拉式絞車一般應用于工作拉力較小的場景中。2種絞車的應用都非常普遍，因此從大的范疇將海洋調查絞車劃分為直拉式和牽引式2種較為合理，結構形式可作為第一個劃分層級。根據驅動方式的不同，海洋調查絞車可分為電動絞車和液壓絞車2種。由于傳動效率、控制系統和維護保養等方面的原因，電動變頻絞車逐漸成為主流，液壓絞車的應用逐漸減少，驅動方式可作為第二個劃分層級。根據使用的纜索種類或絞車功能的不同，海洋調查絞車可分為鋼索絞車、纖維纜絞車、同軸纜絞車和光電纜絞車等。隨著纜索和海洋調查作業的發展，還會產生更多類型的絞車，這個層級是開放性的，因此將其作為第三個劃分層級。目前海洋調查絞車的類型至少可從這3個層級劃分。

2.2 SWL

對于直拉式絞車，SWL指在設計作業海況下，卷筒卷繞第一層纜索時，絞車以額定線速度收纜，證明能回收的最大靜載荷；對于牽引式絞車，SWL指在設計作業海況下，牽引器以額定線速度收纜，證明能回收的最大靜載荷。SWL定義了絞車最大工作載荷，是衡量絞車作業能力最基本的技術指標。由于海洋調查絞車不同于船用系泊絞車，其作業能力與海上作業海況緊密相關，因此SWL需對應于作業海況。

2.3 額定線速度

對于直拉式絞車，額定線速度指卷筒卷繞第一層纜索，以SWL收纜時，纜索的最大線速度；對于牽引式絞車，額定線速度指牽引器以SWL收纜時，纜繩的最大線速度。額定線速度定義了絞車在最大工作載荷下的最大工作速度，當絞車的載荷下降時，可獲得更快的工作速度，海洋調查絞車的載荷在大部分作業工況下都較小，更快的工作速度有利于縮短作業周期，特別適于深海作業。

2.4 頂層工作負荷

對于直拉式絞車，頂層工作負荷指在設計作業工況下，纜索全部卷繞在卷筒上時，絞車以頂層線速度收纜，證明能回收的最大靜載荷。頂層工作負荷定義了纜索在絞車卷筒中卷繞到頂層時，絞車的最大工作載荷。海洋調查作業，特別是深海作業的一個特點是作業水深大，最大作業水深可達6 000～7 000 m，甚至全海深，海洋調查絞車上的纜索很長，絞車卷筒上的纜索可卷繞30層，甚至40層，纜索在卷筒底層和頂層時，絞車的拉力相差很大，當采樣回收到水面時絞車的拉力是否仍能滿足要求，是需關注的重要技術指標。

2.5 頂層線速度

對于直拉式絞車，頂層線速度指纜索全部纏繞在卷筒上，以頂層工作負荷收纜時，纜索的最大線速度。頂層線速度定義了直拉式絞車在頂層工作負荷下的最大工作速度。

2.6 動載荷系數ψ

動載荷系數ψ指在設計作業工況下，絞車工作時考慮船舶運動(包括橫搖、縱搖和升沉等)造成的動載荷效應的系數。該系數乘以安全工作負荷之后所得參數代表所有動載荷效應作用于系統上的載荷。動載荷系數ψ定義了船舶運動產生的絞車附加載荷系數，海洋調查船經常在深海區域作業，當海況達到4級，甚至5級時，仍需完成調查任務。同時，在海上作業過程中，深海調查作業裝置布放回收的周期較長(幾個小時，甚至十幾個小時)，海況隨時可能發生變化，即使變得較為惡劣，回收作業仍需完成，因此海況引起的絞車載荷增加是必須考慮的。動載荷系數可根據船舶性能數據及設計作業海況、浪高等，參考公認的國際或國家標準(如EN 13852)，或公認的船舶運動響應軟件計算得出。在缺少具體項目數據的情況下，可參考推薦的動載荷荷系數(見表1)進行絞車初步設計計算，其中不同海況下的動載荷系數為參考中國船級社的《船舶與海上設施起重設備規范》[6]中近海用起重機在不同海況下的動載力計算方法計算所得結果。

表1 推薦的動載荷系數

2.7 保持負載

保持負載指絞車制動裝置提供的最大纜索張力,定義了絞車提供的最大剎車力。保持負載應不小于SWL與動載系數的乘積，當動載荷系數小于1.5時，保持負載為1.5倍的SWL。此外，還需注意保持負載與SWL的區別。

2.8 絞車形式

絞車的形式與調查船的設計和絞車在船上的布置密切相關。調查船上的固定裝船絞車通常是埋艙布置的，絞車布置在主甲板以下的艙室內，根據船舷邊布放回收設備的位置，通過多個滑輪將纜索導到舷邊。絞車系統在船上的布置直接決定絞車的形式。為使絞車的形式與其在船上的布置協調一致，需對絞車形式進行定義。對絞車的基本形式進行定義有利于避免設計和制造出的絞車不能滿足調查船設計對絞車系統的要求，可在早期調查船設計階段明確絞車的基本形式，做到調查船設計與絞車設計在前期協調一致。海洋調查絞車分為直拉式和牽引式2種，其中直拉式絞車的同一個絞車卷筒提供有纜索牽引和存儲2種功能。圖1為左式直角左出纜排纜直拉式絞車和右式直角左出纜排纜直拉式絞車，反映絞車驅動電機分別位于絞車的左側和右側，纜索通過直角排纜器導向絞車左側。牽引絞車的牽引器和儲繩卷筒分別承擔纜索牽引和存儲的功能。圖2為左式直角右出纜排纜牽引式絞車和右式直角右出纜排纜牽引式絞車，反映絞車驅動電機分別位于絞車的左側和右側，纜索先通過直角排纜器導向絞車牽引器，再通過一個滑輪導向艙外。

圖1 左式直角左出纜排纜直拉式絞車和右式直角左出纜排纜直拉式絞車

圖2 左式直角右出纜排纜牽引式絞車和右式直角右出纜排纜牽引式絞車

2.9 主動波浪補償功能

主動波浪補償功能是降低海水波浪運動對作業任務的影響，保證科考調查任務順利完成；波浪補償系統可補償船舶因受到波浪的影響而造成的繩端設備升沉運動，在該系統的作用下，繩端設備可在垂向保持相對靜止。配合主動波浪補償功能，船上需配置船舶運動參數傳感器，海洋調查絞車的技術文件中需明確說明該絞車是否具有主動波浪補償功能，絞車系統需根據該要求設計。

2.10 絞車的強度要求

在最大負載條件下，相關部件的計算許用應力不大于0.45倍的材料上屈服強度ReH或0.2%規定非比例延伸屈服強度Rp0.2。這里最大負載指的是SWL與動載荷系數的乘積。在最大負載條件下，絞車處于收放纜狀態，絞車傳動部件及其機械結構需滿足以上要求。在保持負載條件下，相關部件的計算許用應力不大于0.9倍的材料上屈服強度ReH或0.2%規定非比例延伸屈服強度Rp0.2。這里保持負載應不小于SWL與動載系數的乘積。當動載荷系數小于1.5時，保持負載為1.5倍的SWL。在保持負載條件下，絞車處于剎車狀態，絞車的剎車裝置及其結構強度需滿足以上要求，不發生永久變形、不損壞。

3 海洋調查絞車的試驗驗證要求

對于海洋調查絞車而言，需通過試驗驗證其技術指標是否滿足設計要求。由于缺少海洋調查絞車的規范要求和技術標準，目前常規做法是根據設備制造廠家確定的試驗大綱進行試驗，但設備制造廠家和船東經常會對試驗內容和試驗要求的細節產生分歧，有時意見很難達成一致。根據近年來在海洋調查船設計和海洋調查絞車應用工作中積累的經驗，主要試驗項目和相關要求建議如下。

3.1 靜載負荷試驗

靜載負荷試驗要求建議為：在繩端施加試驗負荷，2 min內卷筒無滑移，各受力部件無損壞。當動載荷系數小于1.25時，試驗負荷為1.25倍的SWL；當動載荷系數大于等于1.25時，試驗負荷不小于ψ與SWL的乘積。對于同軸電纜或光電纜，可用相同直徑其他材質的纜繩替代進行該試驗。由于缺少海洋調查絞車的規范要求和技術標準，設備制造廠家會參照船級社關于起重設備的規范確定海洋調查絞車的試驗載荷，如中國船級社2007年版的《船舶與海上設施起重設備規范》。該規范中關于起重設備試驗載荷的要求見表2[6]。

表2 起重設備、貨物或車輛升降機的試驗負荷 單位：kN

由于在高海況下工作的海洋調查絞車的使用工況不同于常規的在港口附近水域工作的船用吊機的使用工況，根據表1，在四級海況下工作的海洋調查絞車的動載荷系數為1.8，絞車的工作負荷遠大于表2中規定的起重設備在SWL≤196 kN時的試驗負荷，中國船級社規范對起重設備試驗載荷的要求是不適用于海洋調查絞車的，因此確定合理的海洋調查絞車的試驗載荷驗證絞車的作業能力是非常必要的。

3.2 動載負荷試驗

動載負荷試驗要求建議為：以1.25倍的SWL進行吊重塊試驗，低速起升，低速下降，重復2次。在SWL下以額定線速度收放纜不少于5 min，在此期間進行制動試驗。在以1.25倍SWL進行吊重塊試驗的同時，可通過與另一臺絞車對拉進行低速試驗載荷下的動載荷試驗。

3.3 主動波浪補償試驗

主動波浪補償試驗要求建議為：若絞車配置主動波浪補償，需進行主動波浪補償試驗。給絞車傳輸因海況引起的絞車升沉運動信息，檢驗絞車系統的主動波浪補償性能。主動波浪補償試驗內容需經采購方和制造廠家同意之后確定。主動波浪補償試驗難以模擬海上實際操作情況，需在海上進行驗證，采購方可根據其實際作業需求和制造廠家協商試驗方法和要求。

4 結 語

海洋調查絞車缺少統一的、能被普遍理解和接受的技術要求帶來了很多問題，比如同樣的技術指標“SWL”可能并不是一個概念，這會造成絞車的能力存在較大差異，甚者會導致船上的設備無法滿足海上作業要求，因此確定統一的技術要求和技術指標是非常必要的。通過梳理、分析和總結海洋調查絞車的技術要求，在涉及主要技術指標要求的絞車類型、技術指標的定義、技術指標的統一和技術指標的完整性方面，在涉及海洋調查絞車試驗驗證要求的靜載負荷試驗、動載負荷試驗和主動波浪補償試驗要求方面，提出了統一技術要求的建議。船級社規范主要涉及船舶一般安全性的要求，海洋調查絞車的專業性較強，不易被船級社規范覆蓋，編制國際統一的標準是解決海洋調查絞車技術要求問題的方法，需要船舶行業在此方向做進一步的推進工作。