超大型浮船塢壓載系統(tǒng)分析

韓軼群，呂玉奎，佟國志

(大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧 大連 116113)

0 前言

近年來，隨著國際上對(duì)礦砂和原油運(yùn)輸需求的增加，對(duì)超大型礦砂船、散貨船和超大型油船、FPSO的需求也愈來愈多，使得具有建造成本低、使用靈活的浮船塢愈來愈受到各大船廠重視。我公司于2005年自行完工建造并投入使用了30萬噸級(jí)大型浮船塢，開創(chuàng)了國內(nèi)運(yùn)用大型浮船塢修、造船的先河。繼2008年我公司向韓國三星重工完工交付了超大型舉力浮船塢——12萬t舉力浮船塢后，2010年又向三星重工完工交付13萬t舉力浮船塢，并刷新世界最大舉力浮船塢的紀(jì)錄。

對(duì)于浮船塢而言，無論是在船舶進(jìn)出塢的沉浮塢過程，還是船舶利用浮船塢下水過程，都需要浮船塢具有很高的調(diào)載能力。壓載系統(tǒng)的性能直接決定了浮船塢調(diào)載能力，是浮船塢設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。本文以韓國三星重工12萬t舉力浮船塢為依托，吸收韓國先進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)浮船塢壓載系統(tǒng)的調(diào)載能力進(jìn)行分析技術(shù)難點(diǎn)開展攻關(guān)研究。

1 大型浮船塢壓載系統(tǒng)原理及布置的分析與研究

1.1 壓載泵及管路布置的確定

大型浮船塢一般設(shè)置多個(gè)泵艙，每個(gè)泵艙一般設(shè)置2組壓載泵，且左右舷對(duì)稱布置。2組壓載泵通過壓載主管線及中間連通閥連通。每個(gè)壓載艙設(shè)有一個(gè)吸口和控制閥，每臺(tái)壓載泵可同時(shí)為多個(gè)壓載艙壓載和排載，在應(yīng)急情況下，可打開船舯附近主管上的連接閥為更多的壓載艙進(jìn)行壓載和排載。韓國三星重工12萬t舉力浮船塢每臺(tái)壓載泵正常工作狀態(tài)下可同時(shí)為6個(gè)壓載艙壓載和排載，在應(yīng)急工況時(shí)最多可為12個(gè)壓載艙壓載和排載。

1.2 改進(jìn)海底閥箱和應(yīng)急海底密封裝置設(shè)計(jì)

浮船塢泵艙一般設(shè)有左右舷2個(gè)海底閥箱，海底閥箱格柵材質(zhì)建議選為SUS316L，流水空隙大于吸入管橫截面積的2倍。每個(gè)海底閥箱安裝一套防海生物裝置。此外應(yīng)配有應(yīng)急海水密封裝置，可用于應(yīng)急情況下的封堵以及日常海底閥箱、海水閥的維修，避免了超大型浮船塢進(jìn)塢維修保養(yǎng)困難的現(xiàn)狀。

2 大型浮船塢壓載系統(tǒng)的排水量計(jì)算

根據(jù)韓國三星重工12萬t舉力浮船塢技術(shù)規(guī)格書中浮船塢工作時(shí)間要求:在排水量為7萬t的船進(jìn)塢時(shí)，浮船塢由吃水16m升至工作狀態(tài)吃水6.5m，所需時(shí)間約為3 h，對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行分析:浮船塢在整個(gè)上升過程中處于動(dòng)態(tài)平衡，在16m和6.5m這兩個(gè)吃水高度時(shí)分別處于靜止?fàn)顟B(tài)，忽略浮船塢上升的中間過程，對(duì)兩個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行分析計(jì)算可得出壓載水排量，計(jì)算方法如下所示:

式中:M塢為浮船塢的質(zhì)量;M1為吃水16m時(shí)艙中壓載水的質(zhì)量;M2為吃水16m時(shí)塢的排水量;M船為船的質(zhì)量;M3為吃水6.5m時(shí)艙中壓載水的質(zhì)量;M4為吃水6.5m時(shí)塢的排水量。

M船=7萬 t，M2=26.251 萬 t，M4=21.02 萬t。

(1)－(2):

M1－M船－M3=M2－M4

M1－7 －M3=5.231

鏡頭一閃，出現(xiàn)了一個(gè)躺在病床上，滿臉都是繃帶的人，“兇手對(duì)王大明進(jìn)行了慘無人性的人身傷害，受害人在被打昏的情況下被割掉了鼻子、耳朵、生殖器……”我終于知道，那天晚上劉偉遞給黑裙子女孩子的那個(gè)包里包的是什么了。

M1－M3=12.231，M1－M3為壓載水排出量，亦為泵的總排量。

根據(jù)公式 (引用船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)－輪機(jī)分冊(cè)):泵總排量=總壓載水量/所需排水時(shí)間 ×1.25，可以算出泵的總排量為5萬t，本塢共設(shè)10臺(tái)壓載泵，每臺(tái)泵的流量為5000m3/h。

3 優(yōu)化壓載閥及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，改善壓載控制性能

浮船塢壓載閥一般采用遙控電液式蝶閥或遙控液壓蝶閥對(duì)壓載閥開關(guān)進(jìn)行控制。通過分析比較韓國三星重工12萬t舉力浮船塢和其他浮船塢，電液式雙液壓缸的驅(qū)動(dòng)遙控蝶閥不設(shè)液壓控制管路，使用方面安全、可靠、節(jié)能、環(huán)保，基本不需要日常維護(hù)，也避免了因液壓控制設(shè)備及管路引起的閥無法正常開關(guān)的現(xiàn)象，當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可使用應(yīng)急手動(dòng)液壓泵進(jìn)行手動(dòng)操作。所有遙控蝶閥的開關(guān)可在壓載控制室的操控臺(tái)進(jìn)行遙控操作，且具有閥開度顯示和開關(guān)顯示燈，壓載閥的控制方式分手動(dòng)和自動(dòng)控制方式，手動(dòng)控制即通過操作壓載控制臺(tái)模擬板上的控制開關(guān)，自動(dòng)控制是根據(jù)下水對(duì)象對(duì)浮船塢吃水情況進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，在下水過程中接收吃水傳感器反饋的信號(hào)與設(shè)定值比較，從而控制蝶閥開關(guān)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)載。表1為韓國三星重工12萬t舉力浮船塢的設(shè)計(jì)要求。

表1 韓國三星重工12萬t舉力浮船塢的設(shè)計(jì)要求

4 壓載系統(tǒng)管路布置分析及優(yōu)化

大型浮船塢具有壓載艙多、艙容大，并且調(diào)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，壓載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)浮船塢的整體性能有著重要的影響。

韓國三星重工12萬t舉力浮船塢設(shè)置有5個(gè)泵艙，在每個(gè)泵艙左、右舷各布置1臺(tái)壓載泵，2臺(tái)泵通過貫穿整個(gè)泵艙的主壓載管路相連接，主壓載管路中部設(shè)置1個(gè)液控蝶閥。

通過對(duì)壓載系統(tǒng)原理的研究，發(fā)現(xiàn)如按原泵艙壓載系統(tǒng)原理圖布置壓載管系將存在一定問題。由于海底閥箱位置及泵艙綜合布置等原因，泵艙主壓載管路布置產(chǎn)生兩處Z型管段，而在壓載系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，此Z型管段的彎頭處將產(chǎn)生較大的介質(zhì)內(nèi)壓拉力。

1)正常工作壓力下介質(zhì)內(nèi)壓拉力計(jì)算。

2)最大工作壓力下介質(zhì)內(nèi)壓拉力計(jì)算。

管通徑 ND=800.00mm; 管壁厚 δ=12.70mm;有效截面積S=0.48m2;最大工作內(nèi)壓P=4.00kg/cm2;最大介質(zhì)內(nèi)壓拉力F=192 kN。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，在巨大的介質(zhì)內(nèi)壓拉力的作用下，管路容易從伸縮接頭處脫出，造成管路泄漏。因此必須考慮在Z型管段拐點(diǎn)處各加一個(gè)重支撐，以抵消壓載管路產(chǎn)生的介質(zhì)內(nèi)壓拉力。

雖然該方案可行，但增加了很多工作量，經(jīng)研究決定通過改變海底閥箱布置，使壓載管在同一直線上布置，避免了介質(zhì)內(nèi)壓拉力的產(chǎn)生，同時(shí)保留伸縮節(jié)以抵消管道產(chǎn)生的熱脹冷縮變化，管道應(yīng)力和撓度滿足規(guī)范要求 (ASME B31.3)。

5 增加應(yīng)急管路設(shè)置，增強(qiáng)壓載系統(tǒng)安全性

出于對(duì)浮船塢安全性能的考慮，建議在每個(gè)相鄰泵艙壓載主管間增加連通管路，如果同一泵艙的2臺(tái)壓載泵均無法工作時(shí)，相鄰泵艙的壓載泵可做備用泵，以保證壓載系統(tǒng)正常工作，增加了浮船塢操作的安全性。以No.1、No.2泵艙為例進(jìn)行分析。其中新增設(shè)在右舷連接No.1泵艙和No.2泵艙的連通管路通徑與泵艙壓載主管相同，均為ND 800。該連通管路上設(shè)置1個(gè)遙控蝶閥作為應(yīng)急連通閥，正常工作時(shí)為常閉狀態(tài)?？紤]到連通管路長度較大，為消除管路熱應(yīng)力的影響，在連通管路上增設(shè)2個(gè)伸縮接頭。在浮船塢使用過程中，如No.1泵艙中2臺(tái)壓載泵均出現(xiàn)故障，可開啟連通管路上的應(yīng)急連通閥和No.1泵艙主管路上的連通閥BA12V，由No.2泵艙中的壓載泵代替工作，實(shí)現(xiàn)No.1和No.2兩組壓載艙中壓載水的調(diào)駁，從而保證浮船塢的正常工作。在No.2泵艙和No.3泵艙壓載主管路間設(shè)置同樣的連通管路，該管路布置在浮箱的左舷，其它泵艙均以同樣的方式增設(shè)連通管路，以保持管路系統(tǒng)整體布置的對(duì)稱性。

通過本次論文的分析、研究和總結(jié)，不斷提升大型浮船塢壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)我國船舶工業(yè)在國際市場上的競爭力。

［1］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)［M］.國防工業(yè)出版社，2002.

［2］(美)查爾斯·貝赫特 IV(Charles Becht IV).陳登豐，秦叔經(jīng)，等，譯.工藝管道ASME B31.實(shí)用指南［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2005.