海洋调查绞车技术要求存在的问题分析及对策

桑 巍，佟 寅

(中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011)

0 引 言

近年来，随着我国海洋调查和海洋科学研究事业的不断发展，中国船舶及海洋工程设计研究院在海洋调查船设计领域的研究不断推进，在二十世纪七八十年代开发出的向阳红系列远洋调查船和远望系列航天遥测船的基础上，陆续开发设计了一批具有国际先进水平的现代化科考调查船[1]，包括“科学号”海洋科学综合考察船和“雪龙号”海洋破冰科学调查船的改造设计[2]，以及“蛟龙号”载人潜水器支持母船、“东方红3号”深远海综合科学考察实习船和“雪龙二号”极地科学考察破冰船的设计等。海洋调查绞车是开展海洋调查和海洋科学研究用到的重要设备，在进行海洋地质取样、海水水体参数测量和海洋生物调查等作业时协助完成海上定点或拖曳作业，广泛应用于海洋调查船、海洋科学综合考察船和极地科考船等船舶上。

在开发设计海洋调查船的工作中，发现海洋调查绞车不同于其他船用绞车(如系泊绞车、拖带绞车等)，后者在船舶行业中的应用比较广泛，相关船级社规范和标准比较完备[3-5]，船舶行业对其有统一认可和接受的技术要求。相较而言，海洋调查船的专业性很强，船舶行业对此类船型上应用的海洋调查绞车缺少统一的、能普遍理解和接受的技术要求。国际上对此类绞车也缺乏统一的技术要求和标准，国外船级社没有针对此类绞车的规范要求，国外不同厂家制造的绞车的技术要求和技术指标描述彼此不统一。

1 目前海洋调查绞车技术要求存在的问题

1.1 绞车类型的划分方法

绞车类型的划分方法有很多，容易混淆。海洋调查绞车可根据功能的不同分为地质绞车和水文绞车等，可从更专业的功能角度分为CTD(Conductivity,Temperature,Depth)绞车、深拖绞车和ROV(Remote Operated Vehicle)绞车等，可根据使用的缆索种类的不同分为钢索绞车、纤维缆绞车、同轴缆绞车和光电缆绞车等，可根据驱动方式的不同分为电动绞车、液压绞车和电动变频绞车等。

1.2 技术指标的定义

需明确主要技术指标的准确定义。例如，安全工作负荷(Safe Working Load,SWL)缺少适合不同类型绞车的准确定义：对于牵引式绞车系统，需明确SWL是牵引器回收的最大静载荷；对于直拉式绞车系统，需明确SWL是绞车卷筒第一层能回收的最大静载荷。

1.3 技术指标的统一

主要技术指标的要求不够统一。对于动载荷系数，不同绞车制造厂家的技术指标不一致，有的称为动态放大系数(Dynamic Amplifying Factor,DAF)，有的称为动态载荷系数(Dynamic Load Factor,DLF)；同时，设备厂家的技术文件中缺少对动载荷系数的定义(有的仅提供动载荷系数的数值，缺少对应海况级别;有的不提供动载荷系数，仅提供船舶的横倾角和纵倾角)。

1.4 技术指标的完整性

缺少必要的技术指标。对于直拉绞车系统，仅提供SWL，缺少顶层工作负荷(即顶层缆索最大静载荷)，这样就无法确定缆索全部回收到卷筒时绞车工作拉力的大小，进而无法确定水底取样是否能回收到水面。

1.5 海洋调查绞车规范

船级社缺少针对海洋调查绞车的规范要求。由于各船级社没有针对海洋调查绞车的规范要求，绞车制造厂家通常会参考船级社的起重规范要求设计绞车，如参考中国船级社的《船舶与海上设施起重设备规范》[6]、挪威船级社的《Standard for certification No.2.22-Lifting Appliances》[7]和英国劳氏船级社的《Code for lifting appliances in a marine environment》[8]等。中国船级社规范有针对近海用起重机动载荷的计算方法，但仅提供2～3级和5～6级海况下的动载荷计算方法，内容不够完整；挪威船级社和英国劳氏船级社的规范缺少对应海况下的动载荷计算方法。

1.6 海洋调查绞车技术标准

缺少海洋调查绞车技术标准。国际上缺少针对海洋调查绞车的技术标准，国内在二十世纪八十年代初编制了船舶行业标准CB 3150—1983(《船用地质绞车》)和CB 3128—1982(《水文绞车》)。这些标准缺少作业海况要求，不能满足目前海洋综合调查船的大洋深海作业要求。根据作业功能的不同，海洋调查绞车可分为水文绞车、地质绞车、牵引绞车、CTD专用绞车和ROV专用绞车等多种类型，仅有地质绞车和水文绞车标准是不够的，且针对不同功能海洋调查绞车制定不同的标准容易造成不同用途绞车的技术要求不统一，需涵盖各种类型海洋调查绞车的基础技术标准。

2 海洋调查绞车的主要技术指标要求

由于用途和作业工况等不同，海洋调查绞车与其他类型船用绞车有很多区别，根据近年来在海洋调查船设计工作和海洋调查绞车应用工作中积累的经验，结合上文提出的相关问题，认为海洋调查绞车应提供以下技术指标和定义。

2.1 绞车类型

海洋调查绞车类型有多种划分方法，需进行多个层级的划分。虽然绞车的种类有很多，但绞车的结构形式总体来说只有直拉式和牵引式2种。由于牵引式绞车能有效减小缆绳的工作张力，一般将其应用于工作拉力较大的场景中。相对而言，直拉式绞车一般应用于工作拉力较小的场景中。2种绞车的应用都非常普遍，因此从大的范畴将海洋调查绞车划分为直拉式和牵引式2种较为合理，结构形式可作为第一个划分层级。根据驱动方式的不同，海洋调查绞车可分为电动绞车和液压绞车2种。由于传动效率、控制系统和维护保养等方面的原因，电动变频绞车逐渐成为主流，液压绞车的应用逐渐减少，驱动方式可作为第二个划分层级。根据使用的缆索种类或绞车功能的不同，海洋调查绞车可分为钢索绞车、纤维缆绞车、同轴缆绞车和光电缆绞车等。随着缆索和海洋调查作业的发展，还会产生更多类型的绞车，这个层级是开放性的，因此将其作为第三个划分层级。目前海洋调查绞车的类型至少可从这3个层级划分。

2.2 SWL

对于直拉式绞车，SWL指在设计作业海况下，卷筒卷绕第一层缆索时，绞车以额定线速度收缆，证明能回收的最大静载荷；对于牵引式绞车，SWL指在设计作业海况下，牵引器以额定线速度收缆，证明能回收的最大静载荷。SWL定义了绞车最大工作载荷，是衡量绞车作业能力最基本的技术指标。由于海洋调查绞车不同于船用系泊绞车，其作业能力与海上作业海况紧密相关，因此SWL需对应于作业海况。

2.3 额定线速度

对于直拉式绞车，额定线速度指卷筒卷绕第一层缆索，以SWL收缆时，缆索的最大线速度；对于牵引式绞车，额定线速度指牵引器以SWL收缆时，缆绳的最大线速度。额定线速度定义了绞车在最大工作载荷下的最大工作速度，当绞车的载荷下降时，可获得更快的工作速度，海洋调查绞车的载荷在大部分作业工况下都较小，更快的工作速度有利于缩短作业周期，特别适于深海作业。

2.4 顶层工作负荷

对于直拉式绞车，顶层工作负荷指在设计作业工况下，缆索全部卷绕在卷筒上时，绞车以顶层线速度收缆，证明能回收的最大静载荷。顶层工作负荷定义了缆索在绞车卷筒中卷绕到顶层时，绞车的最大工作载荷。海洋调查作业，特别是深海作业的一个特点是作业水深大，最大作业水深可达6 000～7 000 m，甚至全海深，海洋调查绞车上的缆索很长，绞车卷筒上的缆索可卷绕30层，甚至40层，缆索在卷筒底层和顶层时，绞车的拉力相差很大，当采样回收到水面时绞车的拉力是否仍能满足要求，是需关注的重要技术指标。

2.5 顶层线速度

对于直拉式绞车，顶层线速度指缆索全部缠绕在卷筒上，以顶层工作负荷收缆时，缆索的最大线速度。顶层线速度定义了直拉式绞车在顶层工作负荷下的最大工作速度。

2.6 动载荷系数ψ

动载荷系数ψ指在设计作业工况下，绞车工作时考虑船舶运动(包括横摇、纵摇和升沉等)造成的动载荷效应的系数。该系数乘以安全工作负荷之后所得参数代表所有动载荷效应作用于系统上的载荷。动载荷系数ψ定义了船舶运动产生的绞车附加载荷系数，海洋调查船经常在深海区域作业，当海况达到4级，甚至5级时，仍需完成调查任务。同时，在海上作业过程中，深海调查作业装置布放回收的周期较长(几个小时，甚至十几个小时)，海况随时可能发生变化，即使变得较为恶劣，回收作业仍需完成，因此海况引起的绞车载荷增加是必须考虑的。动载荷系数可根据船舶性能数据及设计作业海况、浪高等，参考公认的国际或国家标准(如EN 13852)，或公认的船舶运动响应软件计算得出。在缺少具体项目数据的情况下，可参考推荐的动载荷荷系数(见表1)进行绞车初步设计计算，其中不同海况下的动载荷系数为参考中国船级社的《船舶与海上设施起重设备规范》[6]中近海用起重机在不同海况下的动载力计算方法计算所得结果。

表1 推荐的动载荷系数

2.7 保持负载

保持负载指绞车制动装置提供的最大缆索张力,定义了绞车提供的最大刹车力。保持负载应不小于SWL与动载系数的乘积，当动载荷系数小于1.5时，保持负载为1.5倍的SWL。此外，还需注意保持负载与SWL的区别。

2.8 绞车形式

绞车的形式与调查船的设计和绞车在船上的布置密切相关。调查船上的固定装船绞车通常是埋舱布置的，绞车布置在主甲板以下的舱室内，根据船舷边布放回收设备的位置，通过多个滑轮将缆索导到舷边。绞车系统在船上的布置直接决定绞车的形式。为使绞车的形式与其在船上的布置协调一致，需对绞车形式进行定义。对绞车的基本形式进行定义有利于避免设计和制造出的绞车不能满足调查船设计对绞车系统的要求，可在早期调查船设计阶段明确绞车的基本形式，做到调查船设计与绞车设计在前期协调一致。海洋调查绞车分为直拉式和牵引式2种，其中直拉式绞车的同一个绞车卷筒提供有缆索牵引和存储2种功能。图1为左式直角左出缆排缆直拉式绞车和右式直角左出缆排缆直拉式绞车，反映绞车驱动电机分别位于绞车的左侧和右侧，缆索通过直角排缆器导向绞车左侧。牵引绞车的牵引器和储绳卷筒分别承担缆索牵引和存储的功能。图2为左式直角右出缆排缆牵引式绞车和右式直角右出缆排缆牵引式绞车，反映绞车驱动电机分别位于绞车的左侧和右侧，缆索先通过直角排缆器导向绞车牵引器，再通过一个滑轮导向舱外。

图1 左式直角左出缆排缆直拉式绞车和右式直角左出缆排缆直拉式绞车

图2 左式直角右出缆排缆牵引式绞车和右式直角右出缆排缆牵引式绞车

2.9 主动波浪补偿功能

主动波浪补偿功能是降低海水波浪运动对作业任务的影响，保证科考调查任务顺利完成；波浪补偿系统可补偿船舶因受到波浪的影响而造成的绳端设备升沉运动，在该系统的作用下，绳端设备可在垂向保持相对静止。配合主动波浪补偿功能，船上需配置船舶运动参数传感器，海洋调查绞车的技术文件中需明确说明该绞车是否具有主动波浪补偿功能，绞车系统需根据该要求设计。

2.10 绞车的强度要求

在最大负载条件下，相关部件的计算许用应力不大于0.45倍的材料上屈服强度ReH或0.2%规定非比例延伸屈服强度Rp0.2。这里最大负载指的是SWL与动载荷系数的乘积。在最大负载条件下，绞车处于收放缆状态，绞车传动部件及其机械结构需满足以上要求。在保持负载条件下，相关部件的计算许用应力不大于0.9倍的材料上屈服强度ReH或0.2%规定非比例延伸屈服强度Rp0.2。这里保持负载应不小于SWL与动载系数的乘积。当动载荷系数小于1.5时，保持负载为1.5倍的SWL。在保持负载条件下，绞车处于刹车状态，绞车的刹车装置及其结构强度需满足以上要求，不发生永久变形、不损坏。

3 海洋调查绞车的试验验证要求

对于海洋调查绞车而言，需通过试验验证其技术指标是否满足设计要求。由于缺少海洋调查绞车的规范要求和技术标准，目前常规做法是根据设备制造厂家确定的试验大纲进行试验，但设备制造厂家和船东经常会对试验内容和试验要求的细节产生分歧，有时意见很难达成一致。根据近年来在海洋调查船设计和海洋调查绞车应用工作中积累的经验，主要试验项目和相关要求建议如下。

3.1 静载负荷试验

静载负荷试验要求建议为：在绳端施加试验负荷，2 min内卷筒无滑移，各受力部件无损坏。当动载荷系数小于1.25时，试验负荷为1.25倍的SWL；当动载荷系数大于等于1.25时，试验负荷不小于ψ与SWL的乘积。对于同轴电缆或光电缆，可用相同直径其他材质的缆绳替代进行该试验。由于缺少海洋调查绞车的规范要求和技术标准，设备制造厂家会参照船级社关于起重设备的规范确定海洋调查绞车的试验载荷，如中国船级社2007年版的《船舶与海上设施起重设备规范》。该规范中关于起重设备试验载荷的要求见表2[6]。

表2 起重设备、货物或车辆升降机的试验负荷 单位：kN

由于在高海况下工作的海洋调查绞车的使用工况不同于常规的在港口附近水域工作的船用吊机的使用工况，根据表1，在四级海况下工作的海洋调查绞车的动载荷系数为1.8，绞车的工作负荷远大于表2中规定的起重设备在SWL≤196 kN时的试验负荷，中国船级社规范对起重设备试验载荷的要求是不适用于海洋调查绞车的，因此确定合理的海洋调查绞车的试验载荷验证绞车的作业能力是非常必要的。

3.2 动载负荷试验

动载负荷试验要求建议为：以1.25倍的SWL进行吊重块试验，低速起升，低速下降，重复2次。在SWL下以额定线速度收放缆不少于5 min，在此期间进行制动试验。在以1.25倍SWL进行吊重块试验的同时，可通过与另一台绞车对拉进行低速试验载荷下的动载荷试验。

3.3 主动波浪补偿试验

主动波浪补偿试验要求建议为：若绞车配置主动波浪补偿，需进行主动波浪补偿试验。给绞车传输因海况引起的绞车升沉运动信息，检验绞车系统的主动波浪补偿性能。主动波浪补偿试验内容需经采购方和制造厂家同意之后确定。主动波浪补偿试验难以模拟海上实际操作情况，需在海上进行验证，采购方可根据其实际作业需求和制造厂家协商试验方法和要求。

4 结 语

海洋调查绞车缺少统一的、能被普遍理解和接受的技术要求带来了很多问题，比如同样的技术指标“SWL”可能并不是一个概念，这会造成绞车的能力存在较大差异，甚者会导致船上的设备无法满足海上作业要求，因此确定统一的技术要求和技术指标是非常必要的。通过梳理、分析和总结海洋调查绞车的技术要求，在涉及主要技术指标要求的绞车类型、技术指标的定义、技术指标的统一和技术指标的完整性方面，在涉及海洋调查绞车试验验证要求的静载负荷试验、动载负荷试验和主动波浪补偿试验要求方面，提出了统一技术要求的建议。船级社规范主要涉及船舶一般安全性的要求，海洋调查绞车的专业性较强，不易被船级社规范覆盖，编制国际统一的标准是解决海洋调查绞车技术要求问题的方法，需要船舶行业在此方向做进一步的推进工作。