快速脱缆钩过载问题分析与解决措施研究

谷文强，周清华

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

引言

巴基斯坦卡西姆LNG码头是由中国企业进行设计建造的LNG-FSRU双船并靠码头，共布置1个工作平台、2个靠船墩和4个系缆墩。在码头投入使用后，当船舶靠泊时发现所有快速脱缆钩在引缆过程中均不时出现电动机停车故障；该故障在电动机复位后停止20 s后可以重新启动，但是还有停车情况发生，针对这一情况，进行了现场检测，根据检测数据进行了分析研究，找出故障原因并给出解决方案，为其他LNG码头的快速脱缆钩选型提供重要参考。

1 快速脱缆钩的布置和选型

根据《装卸油品码头防火设计规范》（JTJ237-99）[1]，装卸甲、乙类油品一级码头宜设置快速脱缆装置，巴基斯坦卡西姆LNG码头靠泊的最大FSRU船为173 400 m³FSRU船，外侧靠泊的最大LNG运输船为267 000 m³LNG船，码头在系缆墩和靠船墩上均设置了快速脱缆钩。

根据石油公司国际海事论坛（OCIMF）规范《Mooring Equipment Guidelines》[2]进行双船并靠的系缆的初步布置，但是本项目位于航道边，主要承受较大的纵向水流力和波浪力，所以不能完全按照OCIMF规范进行系泊布置。根据《基于国内外规范和标准的海港工程总平面设计指南》[3]，在施工图阶段系泊布置应结合系泊试验确定，根据最终的系泊试验结果，FSRU的缆绳全部系到码头系缆墩和靠船墩上，外侧的LNG运输船的艏艉缆系到码头两侧系缆墩上会让系缆力分布更均匀合理，外侧LNG运输船其他缆绳可以按照OCIMF规范系到内侧的FSRU船上。因此最终巴基斯坦卡西姆LNG码头每个靠船墩上各布置了1套3钩快速脱缆钩用于FSRU船舶的倒缆系缆，内侧两个系缆墩各布置了1套4钩快速脱缆钩用于FSRU船的横缆系缆，外侧两个系缆墩各布置了2套快速脱缆钩，其中内侧的3钩快速脱缆钩用于FSRU的艏艉缆系缆，最外侧的2钩快速脱缆钩用于外侧靠泊的LNG运输船的艏艉缆系缆。

根据中国规范《港口工程荷载规范》（JTS 144-1-2010）[4]规定，系缆力的标准值不应大于缆绳的破断力。但是根据英国规范 6349-2:2010《Maritime works -Part 2:Code of Practice for the Design of Quay Walls,Jetties and Dolphins》[5]规定，岸上系缆设备的安全工作荷载应不小于使用该钩的缆绳的破断力。根据英国规范《Maritime Works-Part 1-2:General -Code of Practice for Assessment of Actions》[6]，对于大型油码头、液化天然气码头、散货码头和集装箱码头，在遭遇50年一遇或者100年一遇的环境条件时，船舶一般不会仍然系泊在码头，正常情况下码头的环境条件限制条件应与船舶系缆设备的能力一致。因此码头上的系缆设备的安全工作荷载需要满足船舶上的系缆设备的最大能力，即快速脱缆钩的安全工作荷载应不小于使用该钩的缆绳破断力。业主提供的卡西姆LNG码头船舶缆绳参数如表1所示，LNG运输船的缆绳破断力为137 t，FSRU的缆绳破断力为124 t，因此快速脱缆钩单钩安全工作荷载取为150 t。对于快速脱缆钩的额定拉力、功率和引缆速度，在国内外规范中均没有选取标准，在项目施工图设计时根据相关项目经验，要求按照额定拉力20 kN和引缆速度10～15 m/min选取配置快速脱缆钩。根据要求，最终选用了特瑞堡的快速脱缆钩，选取的电动绞盘功率为5.5 kW，绞盘直径305 mm，额定拉力可以达到20 kN，额定转速为1 465 rpm，引缆速度可以达到15.6 m/min。当达到最大额定拉力时，快速脱缆钩的绞盘电动机的电压为400 VAC，电流为10.7 A，电动机通过热继电器保护，一旦遇到较大荷载，电动机过载、过热后热继电器会停车保护电动机。

表1 巴基斯坦卡西姆LNG码头船舶缆绳参数

FSRU船舶使用的是钢缆，本项目LNG运输船的靠泊船型为 125 000～267 000 m³LNG船，217 000 m3LNG船和267 000 m³LNG船只使用HMPE缆绳（属于纤维缆），而对于125 000～173 400 m³LNG船HMPE和钢缆两种类型的缆绳均有使用。钢缆比HMPE缆绳要重很多，在引缆时产生的拉力会更大。

2 FSRU和LNG船舶的系缆问题

FSRU船舶在系缆时，系缆顺序为先系倒缆、然后系横缆、最后系艏艉缆。而外侧的LNG运输船在靠泊时，仅艏缆和艉缆需要系到码头两端的快速脱缆钩，其他缆绳均系到FSRU船舶上。

在173 400 m³FSRU船第一次进行靠泊系缆作业时，在引缆过程中，所有快速脱缆钩的绞盘电动机均不时发生停车故障，该故障复位后约30 s后电动机可以重新启动。而当第一艘217 000 m³LNG船靠泊到码头并进行系缆作业时，在将艏缆和艉缆系到两侧系缆墩上的快速脱缆钩时，在引缆过程中两个快速脱缆钩也发生了绞盘电动机停车故障。针对这一问题进行了三次现场检测研究工作。

3 现场检测

3.1 第一次现场检测研究

在FSRU第一次靠泊系缆时发现所有快速脱缆钩绞盘均不时发生停车故障后一周，项目业主巴基斯坦ENGRO公司进行了第一次现场检测，使用FSRU备用缆绳模拟FSRU引缆过程，173 400 m³FSRU使用直径42 mm、破断力为124 t的钢缆，分别针对码头两端最外侧的两个快速脱缆钩MD1-1和MD4-2进行检测（用于外侧LNG运输船的艏艉缆系缆，检测不影响FSRU系泊），保持引缆速度15.6 m/min，结果均发生了快速脱缆钩电动机停车故障，在施加检测荷载前和施加检测荷载后发生故障时电动机内的电压和电流检测结果如表2所示。

表2 快速脱缆钩的第一次检测结果

根据计算，当施加检测荷载时，快速脱缆钩MD1-1的电动机实际功率为9.7 kW（对应拉力约为35.5 kN），MD4-2的电动机实际功率为9.3 kW（对应拉力约为34.0 kN）。所以第一次检测的结果表明快速脱缆钩的实际功率和引缆拉力均超过了额定功率和额定拉力，最终导致电动机过载、过热后热继电器启动停车。停车约20～30 s后再次自动启动，电动机内的电流降低到6.6～6.9 A。

3.2 第二次现场检测研究

在第一艘217 000 m³LNG船靠泊时，项目业主巴基斯坦ENGRO公司进行了第二次现场检测。217 000 m³LNG船大部分缆绳系到FSRU船上，2条艏缆需要系到码头上的快速脱缆钩MD1-1，2条艉缆需要系到码头上的快速脱缆钩 MD4-2，217 000 m³LNG船使用的是直径44 mm的HMPE纤维缆，保持引缆速度15.6 m/min，在引缆过程中，两个快速脱缆钩均不时发生了电动机停机故障，也有部分缆绳引缆时没有发生故障的情况。

快速脱缆钩MD1-1发生停车故障时电动机内的电压为417 V，电流为11.7 A，根据公式（1）计算得出电动机实际功率为7.17 kW（对应拉力约为26.2 kN），快速脱缆钩MD4-2发生停车故障时电动机内的电压为402 V，电流为12.1 A，根据公式（1）计算得出电动机实际功率为7.15 kW（对应拉力约为 26.1 kN）。第二次检测的结果表明，217 000 m³LNG船靠泊时，针对HMPE缆绳的引缆，快速脱缆钩的实际功率和引缆拉力仍然超过了额定功率和额定拉力，最终导致电动机过载、过热后热继电器启动停车。

3.3 第三次现场检测研究

在收到项目业主巴基斯坦ENGRO公司的两次检测结果报告后，设备供应商特瑞堡公司派专业检测人员去现场进行了第三次检测，第三次检测也是针对某一艘217 000 m³LNG船靠泊时的引缆情况进行检测。在引缆过程中，特瑞堡检测人员检测到MD1-1和MD4-2两个快速脱缆钩电动机内的最大电流为7.3 A，对应电压为408 V，根据公式（1）计算得出电动机内实际功率约为4.37 kW（对应拉力约为16.0 kN），并未超过额定功率和额定拉力，在两个快速脱缆钩引缆过程中并未发生任何停车故障。

特瑞堡检测人员同时记录了引缆时水位距离系缆墩顶面约4 m。

4 检测结果分析

当FSRU船舶第一次靠泊码头，进行引缆作业时所有快速脱缆钩均不时发生了停车故障，在一周后开展了第一次检测，使用FSRU船的钢缆进行引缆检测，发现引缆过程中电动机实际功率和拉力均远远超过额定功率和额定拉力，因此导致发电机过载停车故障。而第二次和第三次均是针对217 000 m³LNG船的HMPE缆绳的引缆过程进行检测，第二次检测得出的电动机实际功率和拉力均超过额定功率和额定拉力导致电动机停车故障，而第三次检测没有发生任何故障。

几次检测有一定差异，综合分析原因如下：

1）缆绳的材料和重量不同，钢缆要比HMPE纤维缆重很多，因此引缆时产生的拉力会更大，在FSRU靠泊引缆时所有的快速脱缆钩均不时发生过载停车故障，第一次检测结果也验证了这一情况。而HMPE纤维缆比较轻，引缆时产生的拉力小很多。

2）码头墩台与水位之间的高差对于引缆时的荷载有一定影响，在第三次检测时，船舶靠泊时为高潮位，水位较高，浮在水面的缆绳距离系缆墩距离较小，在引缆时所需要的拉力较小。第一次和第二次检测并未关注水位情况。但是当水位较低时，码头墩台与水位之间的高差增加，引缆时所需要的拉力也会增加。

3）在检测过程中发现引缆时最大荷载往往发生在船舶缆绳到达墩台边缘时，缆绳与系缆墩边缘之间的摩擦力会增加引缆拉力（本项目系缆墩和靠船墩的前沿已经设计了钢圆角防摩擦），这个摩擦力取决于缆绳与墩台前沿的接触频率和缆绳重量，缆绳与墩台前沿接触较少时引缆拉力会较小，而接触较多时引缆拉力会较大，另外重量越大的缆绳与墩台前沿的摩擦力也会越大，所以钢缆比HMPE纤维缆的摩擦力大，快速脱缆钩引缆过程中产生的引力也会更大。

4）快速脱缆钩绞盘的脚踏开关的操作也有一定影响，在引缆过程中频繁的启动和关闭快速脱缆钩绞盘也会导致电动机过载停车。因此第三次检测没有出现任何过载停车问题，也可能是因为特瑞堡检测人员对于设备的操作更为熟练，而码头作业人员在FSRU船舶和LNG运输船第一次靠泊时对于系缆作业和快速脱缆钩的使用并不熟练。

5 解决方案研究

对于巴基斯坦卡西姆LNG码头快速脱缆钩过载停车问题，需要增加快速脱缆钩绞盘的额定拉力，通过各方沟通过提出了两个解决方案。

1）方案一：更换功率更大的电动机。更换额定功率为11 kW的电动机，绞盘直径305 mm和引缆速度15.6 m/min保持不变，则额定拉力可以增加到40.1 kN。根据三次检测结果，额定拉力40.1 kN的电动机可以满足FSRU船舶和LNG运输船所有缆绳的引缆拉力要求，不会发生过载停车问题。

2）方案二：更换更小的绞盘。将绞盘直径从305 mm更换为 205 mm，则绞缆速度变为10.48 m/min，额定拉力增加到30.1 kN。根据三次检测结果，额定拉力30.1 kN能够满足HMPE纤维缆的引缆拉力要求，但是当针对钢缆进行引缆时，还是可能发生过载问题。如果进一步减小绞盘尺度，绞缆速度会小于10 m/min，作业效率大大降低，作业效率降低较多是业主不能够接受的。

综上分析，最终选择方案一，即更换额定功率为11kW、额定拉力为40.1 kN的电动机，绞盘直径305 mm和引缆速度15.6 m/min保持不变，因此作业效率并未降低。在更换电动机后，所有快速脱缆钩均未再发生过载停车故障。

6 结语

快速脱缆钩绞盘的额定拉力与电动机功率、绞盘尺度和绞缆速度均有关系，而使用绞盘进行引缆时的实际拉力取决于缆绳特性和重量、墩台和水位的高差、缆绳与墩台前沿的摩擦力和操作人员对于设备使用的熟练度等因素。对于快速脱缆钩的选型问题，国内外规范均没有给出相关规定，本项目结合工程实际问题和现场检测试验进行了深入研究分析，最终给出了LNG码头快速脱缆钩选型问题的解决方案，可以供其他相关项目参考。