李紹燕 潘 曉 陳 諾 韓 強(qiáng)

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司，北京101149；2.上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前言

海洋作為全球油氣資源開發(fā)的新領(lǐng)域，已經(jīng)成為全球油氣資源重要的接替區(qū)。隨著陸地油氣資源總量的減少，海洋油氣資源必將成為21世紀(jì)的能源后備庫。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有60多個國家進(jìn)行了深水油氣勘探，深水已是當(dāng)今世界油氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)。當(dāng)前國際各大石油公司的新動向就是走出已經(jīng)勘探較多的陸架海區(qū)，尋找深海海底的油氣藏。

在國內(nèi)石油消費(fèi)需求快速增長和保障國家石油戰(zhàn)略安全需要的大形勢下，國內(nèi)各大石油公司紛紛將海洋作為重要的油氣資源接替區(qū)。深水海洋油氣資源是我國具有前景的勘探開發(fā)領(lǐng)域。我國深水海域遼闊，可供油氣勘探面積近115萬km2。推進(jìn)我國深海油氣勘探開發(fā)，將為我國油氣儲量增長、適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展需求、緩解油氣進(jìn)口壓力、改善能源結(jié)構(gòu)發(fā)揮重要作用。因此，深海油氣勘探開發(fā)是我國未來油氣資源勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域。

海上石油開發(fā)關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大局。我國海洋石油和天然氣勘探、開采水平與國際水平相比較仍有一定的差距，發(fā)展我國海上石油和天然氣勘探、開采事業(yè)，研發(fā)各類高新技術(shù)、高性能水平的海上石油和天然氣勘探、開采工程所需的海洋工程輔助船舶，是發(fā)展和提高我國海上石油開采綜合能力的一項關(guān)鍵性工作。特別是為保護(hù)國家有限的石油資源，我國的海洋石油、天然氣的開發(fā)已逐漸向深海區(qū)域發(fā)展，實現(xiàn)向深海區(qū)域開發(fā)海洋石油、天然氣資源的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移。為適應(yīng)這種戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，縮短與國際水平的差距，滿足深水作業(yè)要求的萬馬力級深水三用工作船已成為當(dāng)前急需自主研發(fā)的船型。其中一項重要的研究就是要對超大型拖曳設(shè)備的配置進(jìn)行深入研究。超大型拖曳設(shè)備是深水工作船進(jìn)行深水拋起錨和拖曳大型深水平臺的關(guān)鍵性大型設(shè)備。對船型的優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要，超大型多功能拖曳設(shè)備的配置和布置進(jìn)行專題研究，包括拖力達(dá)3 500 kN或以上、具有大容繩量的大型多組卷筒的大型和超大型多功能低壓液壓拖曳設(shè)備的配置、布置及作業(yè)功能和能力等進(jìn)行研究，以滿足進(jìn)行深水拋起錨和長距離拖航作業(yè)能力的大型深水平臺的特殊要求。

1 國際技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

海洋環(huán)境十分惡劣，而且隨著工作水深的不斷增加，這種環(huán)境的惡劣程度將更趨劇烈，另外，海洋油氣資源的開發(fā)利用需要先進(jìn)的海洋工程技術(shù)和裝備作支撐。在國外，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，大型拖曳設(shè)備在三用工作船上的應(yīng)用得到了較快發(fā)展，有數(shù)家著名的海洋工程設(shè)計公司一直注重于深水作業(yè)的三用工作船開發(fā)研究，進(jìn)行輔助深水作業(yè)技術(shù)的探索和研究，如Rolls-Royce設(shè)計公司、VIKSANDVIK設(shè)計公司、ULSTEIN設(shè)計公司和Havyard設(shè)計公司等，先后開發(fā)了適合于深水（水深在500～1 500 m之間）、超深水（1 500 m以上）作業(yè)的大型深水三用工作船。目前，隨著海洋石油、天然氣開發(fā)的鉆井作業(yè)工作水深不斷加大，這種深水三用工作船正向著超大型化、多功能化、高智能化和全自動化等方向發(fā)展，高冗余動力定位船型已成為當(dāng)今國際上開發(fā)的高新技術(shù)船型。

作為全球甲板機(jī)械行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)軍公司，Rolls-Royce不但有自己船舶設(shè)計部門，而且還在甲板機(jī)械行業(yè)一直處于領(lǐng)先地位，特別用于拖曳和起拋錨作業(yè)的大型船舶，其設(shè)備配置具有典型性。

1.1 Rolls-Royce公司設(shè)計的UT788CD

還配置有相應(yīng)的鯊魚鉗和可行走式錨處理吊機(jī)。

1.2 Rolls-Royce公司設(shè)計的UT732CD

圖2 VIK-SANDVIK設(shè)計深水三用工作船UT732CD

1.3 VIK-SANDVIK公司

設(shè)計的VS486 AHTS見圖3。

圖3 VIK－SANDVIK設(shè)計VS486 AHTS

通過以上幾個國外船型，可以看出，深水三用工作船的大型拖曳設(shè)備配置情況，船舶拖曳系柱拖力一般為2 000～3 000 kN，拖纜機(jī)一般配置的能力在4 000～5 000 kN，最大可達(dá)到6 000 kN，容繩量也一般在3 000～6 000 m，甚至達(dá)到萬米以上，并且采用多滾筒絞車，配置大量的儲纜絞車以應(yīng)付更深的深海作業(yè)要求。

2 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

我國海洋工業(yè)開始于21世紀(jì)60年代末期。國內(nèi)三用工作船的發(fā)展，也是隨著海上鉆井作業(yè)裝備不斷向更深水域而發(fā)展。到70年代末期，三用工作船的功率配置在4000～8 000 BHP之間，系柱拉力在400～1 000 kN之間，拖纜機(jī)工作負(fù)荷在1 000～1 500 kN之間。在80年代初期到90年代，三用工作船主力船型的功率配備在10 000～12 000 BHP之間，系柱拉力在1 250～1 500 kN之間，拖纜機(jī)工作負(fù)荷在2 500～3 500 kN之間。在“九五”計劃期間及以后，我國海洋石油和天然氣開發(fā)迅速發(fā)展，海洋工程輔助船也有了較大發(fā)展，已成功地自主研發(fā)設(shè)計和建造了多種船型和品種的海洋工程輔助船，船型主要品種數(shù)十種，船舶建造數(shù)量已達(dá)數(shù)百艘，初步形成了海洋工程輔助船系列。特別是自行成功研制的具有當(dāng)代國際先進(jìn)技術(shù)水平的電力推進(jìn)、動力定位、小水線面、深水作業(yè)、海底綜合檢測等高新技術(shù)海洋工程輔助船舶，在一定程度上提升了我國海洋油氣資源開發(fā)的工程作業(yè)能力，見圖4。

圖4 我國自主研發(fā)設(shè)計建造的10 000 kW深水作業(yè)三用工作船“南海222”（作業(yè)水深800 m）

在“十一五”初期，我國啟動向深水海域油氣資源勘探開發(fā)進(jìn)軍，以滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的要求。深水三用工作船（Deep Water Anchor Handling Tug Supply and Service Vessel， 簡稱：DW－AHTS）是深水油氣資源勘探開發(fā)工程中不可缺少的重要工程裝備。中國海洋石油總公司出資在上海外高橋造船有限公司建造了3 000 m深水半潛式鉆井平臺 “海洋石油981”，作為深水半潛式鉆井平臺提供多種輔助工程作業(yè)服務(wù)的配套項目深水三用工作船。中國海洋石油總公司采用國外技術(shù)出資在武昌船舶重工有限責(zé)任公司建造了2艘具有世界先進(jìn)水平的深水三用工作船“海洋石油681/682”，見圖5。目前我國油氣勘探和開發(fā)工作水深還在500 m左右，與國際水平相比仍有較大差距，深水海域油氣資源勘探開屬起步階級，尚未真正實現(xiàn)深水和超深水的油氣資源勘探和開發(fā)。

圖5 我國建造的大型深水三用工作船“海洋石油681”（作業(yè)水深3 000 m）

3 大型拖曳設(shè)備船舶配置特點(diǎn)

大型拖曳設(shè)備主要為深水三用工作船配套設(shè)備，是為深水海域油氣資源勘探開發(fā)的深水鉆井平臺、海洋工程建筑設(shè)施等提供多種工程作業(yè)配套服務(wù)。通常該類船舶按無限航區(qū)船舶設(shè)計，滿足3 000 m水深作業(yè)要求，抗風(fēng)能力達(dá)到12級；能拖曳深水鉆井平臺、大型海洋工程設(shè)施和大型海洋結(jié)構(gòu)物，是遠(yuǎn)洋拖航的主拖船；能進(jìn)行3 000 m水深拋起錨作業(yè)，提供快速高效的深水、超深水拋起錨、移位、就位作業(yè)服務(wù)；船舶設(shè)有二級動力定位系統(tǒng)，能為海洋工程水下作業(yè)提供多種支持、深水工程輔助作業(yè)等服務(wù)。那么大型拖曳設(shè)備配置的船舶有以下技術(shù)特征：

3.1 船舶配置的強(qiáng)操控定位性能

深水三用工作船的多種作業(yè)工況十分復(fù)雜，作業(yè)海域海況又十分惡劣。深水三用工作船采用雙固定導(dǎo)管槳推進(jìn)形式，設(shè)置大面積襟翼舵，配備大功率首尾側(cè)推器和升降式全回轉(zhuǎn)舵槳裝置。駕駛室具有良好的駕駛和作業(yè)操控工作視野和環(huán)向視線，駕駛室設(shè)前、后駕控臺，采用單手柄綜合操縱系統(tǒng)，進(jìn)行綜合操縱控制。船舶具有在大風(fēng)大浪惡劣海況下優(yōu)良的操縱性能、海上定位能力、耐波性能和減搖性能，作業(yè)能力和作業(yè)適應(yīng)性強(qiáng)，能實施在海上惡劣海況下的定位和原地回轉(zhuǎn)之特殊要求，迅速靠離海上深水鉆井平臺、海洋工程設(shè)施，滿足二級對外消防滅火作業(yè)定位，確保在惡劣氣候環(huán)境下的多種不同作業(yè)服務(wù)功能有效實施和作業(yè)安全。特別是我國南海、東海夏季特有海況條件，抗風(fēng)能力達(dá)到蒲福氏12級風(fēng)，在9級怒濤海況，1/3有義波高大于14 m惡劣海況條件下安全航行。

3.2 設(shè)備配置的全自動化和高智能化

在機(jī)艙集控室和駕駛室駕控臺上均設(shè)有可隨時按需要顯示各種參數(shù)的先進(jìn)設(shè)備。監(jiān)控報警系統(tǒng)采用先進(jìn)的全數(shù)字化式的微機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在指定場所均能監(jiān)控主要設(shè)備的工作狀態(tài)，并以圖象顯示。自動化系統(tǒng)保證重要的機(jī)電設(shè)備連續(xù)正常運(yùn)行和進(jìn)行自動化監(jiān)控。如大型多功能自動液壓拖纜機(jī)、組合式液壓鯊魚鉗/擋纜樁裝置、安全作業(yè)甲板機(jī)械手、盤纜機(jī)、雙尾滾筒、海上作業(yè)全回轉(zhuǎn)液壓起重機(jī)、大型液壓A字架等，并進(jìn)行性能優(yōu)化、功能優(yōu)化、布置優(yōu)化，使設(shè)備的操作控制更趨全自動化、高智能化，以適合深水和超深水作業(yè)，提供更安全、可靠的保證。

3.3 船舶配置的高穩(wěn)性要求

作遠(yuǎn)洋拖航作業(yè)，其海上拖曳穩(wěn)性滿足對無限航區(qū)拖船的要求；作拋起錨作業(yè)，起拋錨橫傾力滿足在3 000 m作業(yè)水深下對拋起錨穩(wěn)性衡準(zhǔn)要求；船舶按照“MSC.235（82）決議：近海供應(yīng)船設(shè)計和構(gòu)造準(zhǔn)則”，其破艙穩(wěn)性滿足任一艙破損進(jìn)水不沉之要求，在撘乘特種人員時，還需滿足“MSC.266（84）決議：特種用途船舶安全規(guī)則2008”分艙要求的概率破艙相關(guān)規(guī)定。

3.4 設(shè)備配置的大型化

隨著作業(yè)水深的增加，作為深水三用工作船，拖曳設(shè)備的配置必然趨于大型化，包括拖曳設(shè)備的作業(yè)能力，卷筒的容繩量等等。在現(xiàn)有的深水三用工作船中，拖纜機(jī)配備三卷筒，容繩量達(dá)到3 000～6 000 m，能力卷筒第一層拉力為5 000 kN，目前最大的拖纜機(jī)能力可達(dá)到6 000 kN以上。

3.5 設(shè)備配置的復(fù)雜化

隨著設(shè)備配置大型化，人力人工作業(yè)已力不能及，必須配備更多地機(jī)械設(shè)備代替人力進(jìn)行拖曳及起拋錨作業(yè)，許多操作需要大型的設(shè)備進(jìn)行替代，對深水錨泊系統(tǒng)的作業(yè)必須實現(xiàn)智能化和自動化，對設(shè)備的配置要求更加復(fù)雜和智能化。

4 超大型拖曳設(shè)備配置

超大型拖曳設(shè)備是此類船舶的核心設(shè)備，其能力的大小決定了此船的工作能力，而超深水的拖曳設(shè)備配置有其獨(dú)特性，與常規(guī)設(shè)備的能力配置要求有了很大的不同。

超大型拖曳設(shè)備在深水起拋錨及拖航過程中起著無比重要的作用，設(shè)備的性能表現(xiàn)決定了整船的作業(yè)能力大小及作業(yè)的可靠安全性。而拖曳及起拋錨的核心設(shè)備主要有拖纜機(jī)、鯊魚鉗和艉滾筒。對于此類三用工作船，拖曳設(shè)備的的配置要求根據(jù)不同的工況有不同的考慮，在深水三用工作船設(shè)備配置的過程中，我們通?？紤]兩種工況，一種工況是拖航工況，即拖曳工況，另一種工況就是起拋錨作業(yè)工況。

拖航和起拋錨作業(yè)工況是兩種差別較大的作業(yè)工況，這兩種工況對拖曳設(shè)備（拖纜機(jī)及鯊魚鉗）的性能要求通常是不一樣的，甚至設(shè)備型式都有不同的要求，下面我們按照兩種工況進(jìn)行分析和研究，綜合考慮，對比選定拖曳設(shè)備類型及完成大型唾液設(shè)備的能力設(shè)計。

4.1 拖航工況設(shè)備配置要求

拖航工況是一種較常規(guī)的工作狀態(tài)，目前來說，此技術(shù)較為成熟，各國船級社的規(guī)范當(dāng)中也做了比較詳盡的規(guī)定和描述，在遠(yuǎn)距離拖航設(shè)計過程中有很好的參考價值。

在拖航工況下，船舶的系柱拖力是一個非常重要的參數(shù)，它決定了拖航作業(yè)能力的大小，它不但決定了整船的動力能力也決定了拖曳設(shè)備的整體作業(yè)能力，拖曳設(shè)備的能力必須和船舶的系柱拖力相匹配，如果拖曳設(shè)備的能力過大，那么船舶的系柱拖力必定限制了拖曳設(shè)備的能力的發(fā)揮，不能充分發(fā)揮拖曳設(shè)備的全部作業(yè)能力，勢必造成浪費(fèi)，但同時也不能太小，太小船舶的整體性能得不到最大的體現(xiàn)，同時會對船舶設(shè)備的安全問題埋下隱患。

各國船級社對于拖曳設(shè)備的配置要求都做了詳細(xì)的規(guī)定，例如對于具有救助、打撈及拖航功能作業(yè)的拖曳設(shè)備，規(guī)范內(nèi)容規(guī)定了拖纜機(jī)的型式（單卷筒或雙卷筒）、纜繩最小破斷力和纜繩數(shù)量及長度（見表1），表中羅列出了此功能船舶設(shè)備配置的最低配置要求和能力大小，對照此要求進(jìn)行配置基本上就可以滿足海上船舶拖航作業(yè)的要求。

表1 船級社對于拖曳設(shè)備配置要求表［1］

根據(jù)表1的要求，在拖航工況下拖纜機(jī)配置要求和能力基本上都可以確定下來，但是有一點(diǎn)需要明確的是，表1的要求僅僅是規(guī)范對拖航工況下拖纜機(jī)的最低要求，在實際設(shè)備選擇配置的過程往往會根據(jù)實際的作業(yè)要求有所提高。設(shè)備的基本選型和設(shè)計過程可參照表1確定鋼絲繩的最小破斷拉力和繩長，從而選定鋼絲繩規(guī)格，拖纜機(jī)可根據(jù)所選鋼絲繩配選。鯊魚鉗和尾滾筒的工作負(fù)載與之在能力上進(jìn)行匹配即可，一般來講，鯊魚鉗和尾滾筒的工作負(fù)載與拖纜機(jī)的支持負(fù)載相當(dāng)即可，但另有規(guī)定要求拖纜機(jī)的支持負(fù)載最大不超過2.5倍的船舶系柱拖力［2］。

4.2 起拋錨作業(yè)設(shè)備配置要求

在起拋錨作業(yè)工況中，特別是超深水起拋錨作業(yè)，風(fēng)浪包括水深對起拋錨的能力要求是非常高的，特別是起拋錨的水深對起拋錨的設(shè)備能力影響是直接而有效的。海上風(fēng)浪條件十分惡劣，深水作業(yè)海況非常復(fù)雜，超深水起拋錨作業(yè)時刻都在挑戰(zhàn)作業(yè)極限。超深水提拋錨設(shè)備所要經(jīng)受的考驗是十分嚴(yán)峻和惡劣的。安全可靠地分析大型起拋錨設(shè)備的選型配置，并讓之能適應(yīng)惡劣的海況要求，這是對設(shè)計者提出的挑戰(zhàn)。

此時，已經(jīng)不能再把系柱拖力作為首要考慮的設(shè)計因素，因為船舶的系住拖力已不再對起拋錨設(shè)備的選型起到主導(dǎo)的決定作用，特別是超過500 m工作水深時，我們在設(shè)計拖纜機(jī)能力時主要就要考慮水深及起拋錨設(shè)備需要克服錨設(shè)備破土力的影響。首先，在超深水起拋錨作業(yè)中，需要配置大量的鋼絲繩能夠深入到幾千米的水下；再次，要考慮把處于深水中的錨及錨鏈拉起，克服錨的破土力及隨著水深不斷增加的錨纜重量；最后，要在惡劣的海況下完成對拖曳設(shè)備的安全控制和操作。

在超深水起拋錨處理過程中，起決定因素的要素總結(jié)起來主要有以下幾點(diǎn)：

1）拖纜機(jī)能力和絞車控制系統(tǒng)張力檢測精度；

2）系柱拖力控制能力；

3）推力系統(tǒng)的定位能力；

4）船舶位置參考系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。

目前，關(guān)于起拋錨設(shè)備的規(guī)范規(guī)則還沒有明確和詳細(xì)地說明，對起拋錨設(shè)備的理解和定義也存在不同的認(rèn)識。在此前提條件下，只能依靠對國外起拋錨處理的一些經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計，但總的要求就是要滿足起拋錨的作業(yè)需求，下面是在搜集的資料中比較下來較為可靠的一些經(jīng)驗公式和設(shè)計原則。

首先，拖纜機(jī)能力要依靠下面的經(jīng)驗公式確定拖纜機(jī)拉力：

式中：Wc——放出的錨纜重量，m；

Wd——拋錨水深，m；

FB——錨的破土力（一般取30%錨的最大抓土力，有時可能更大）

拖纜機(jī)起拋錨鋼絲繩的最小破斷力一般為：2F。

拖纜機(jī)容繩量：

通過以上的經(jīng)驗公式，可以看出，在起拋錨工況中，拖纜機(jī)的能力和容繩量的確定已經(jīng)與船舶的系柱拖力沒有什么直接的關(guān)系，取而代之的錨纜的拋錨水深和錨的破土力才是決定性的因素。當(dāng)然，與前面在拖航工況下確定的參數(shù)進(jìn)行比較后，我們?nèi)〈笳撸源藖頉Q定拖纜機(jī)的能力大小，以便滿足兩種工況的使用要求。

5 結(jié)語

本文參照遠(yuǎn)海拖航的規(guī)范要求，對3 000 m深水起拋錨作業(yè)能力設(shè)計進(jìn)行了研究，并對超大型多功能拖曳設(shè)備的配置簡要地進(jìn)行了說明。文中特別針對拖力達(dá)3 500 kN或以上、具有大容繩量的深水大型多卷筒大型和超大型多功能拖曳設(shè)備的能力設(shè)計給出經(jīng)驗公式，基本都能滿足進(jìn)行深水拋起錨和長距離拖曳大型深水平臺的特殊要求。但是作為深水作業(yè)項目，在這個新興領(lǐng)域內(nèi)還有很多新問題和新情況亟待解決，設(shè)計方法也需更進(jìn)一步完善。

［1］anchor handling manual（MSFmarine safety forum）［G］.

［2］international standard ISO 9089 shipbuilding and marine structures-deck machinery-towing winches for deep sea use［S］.1989.