散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)研究

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(中海油田服務股份有限公司，北京 101149)

現有的三用工作船上物料的儲存輸送裝置對各種物料的兼容性有限，不同的儲存輸送裝置只能針對單一的物料進行存儲和輸送，功能設備設置過多，占據了工作船有限的空間，也容易造成部分存儲輸送設備的閑置，限制了工作船的運載利用率。依托十二五國家科技重大專項課題《海洋深水工程重大裝備及配套工程技術》的子課題《深水油田工程支持船及配套技術》，設計一套散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)，以實現散料和泥漿的通用運載，使工作船所運載的物料種類和適應能力得到增強，獲得更大的裝載量、更高效和遠距離的輸送能力。

1 現有散料輸送系統(tǒng)和泥漿輸送系統(tǒng)分析

本公司建造的UT788CD深水三用工作船，是迄今為止國內外最頂級的深水三用工作船，以該船的散料輸送系統(tǒng)和泥漿輸送系統(tǒng)為例進行分析。

1.1 散料輸送系統(tǒng)

三用工作船散料輸送系統(tǒng)采用氣力輸送，實現粉狀干散料在岸上基站、三用工作船與海上鉆井平臺之間密閉的、長距離運輸和輸送作業(yè)。

散料輸送系統(tǒng)的作業(yè)方式分為裝貨和卸貨作業(yè)，裝貨作業(yè)是由岸上基站將散料送入三用工作船上的散料儲存罐，卸貨作業(yè)則是由工作船將散料罐內的干散料輸送至海上平臺上的儲存罐。三用工作船上的空氣壓縮機不僅為卸貨過程提供動力風源，還兼有助力和掃線的功能。

散料輸送系統(tǒng)主要由散料罐、流程管系、動力風源、執(zhí)行機構和顯示控制設備等部分組成[1]。

4只散料罐分為兩組，每組為一個獨立的輸送單元，在船舯部左、右舷各有2個散料進料口，具備同時向兩組罐輸送散料的流程設置。在船艉部左、右舷各有兩個散料輸出口，可同時輸送2種不同的物料?？紤]到管路內散料殘量的清掃和必要時提供助力或排除堵塞故障，每組管路均設有一組掃線閥件。

干散料排放時輸送壓縮空氣進入罐內加壓，氣化器充入壓縮空氣使干散料形成氣、料兩相流態(tài)化，將儲存罐內的干散料排放至輸送系統(tǒng)管路，實現遠距離，高速度輸送[2]。

動力風源為電動螺桿空壓機和冷凍式干燥機組，工作時可實現無人值守。

散料艙內所有閥件均采用電控氣動雙作用方式，整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)在駕駛室內進行控制，應急情況下也可以進行現場手動操作。

各罐的工作和控制氣源壓力信息，料位信息可在集控臺上監(jiān)測。

1.2 泥漿輸送系統(tǒng)

三用工作船的泥漿輸送系統(tǒng)負責輸送水基泥漿、油基泥漿、合成鉆井液等，由輸送系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)兩部分組成。

輸送系統(tǒng)在陸地泥漿站、三用工作船和海上鉆井平臺之間進行長距離、高效傳輸。鉆井泥漿含有固體顆粒，比重大，輸送的距離遠，必須使用高耐磨材質和高固容率的輸送泵進行輸送。鉆井泥漿儲存在泥漿艙中，容易產生沉淀分層現象，最有效的方法是在泥漿艙中設置機械攪拌器進行不間斷的攪拌和使用循環(huán)泵進行內部循環(huán)保證它的流動性[3]。

輸送系統(tǒng)主要包括液態(tài)泥漿艙、泥漿輸送泵、泥漿攪拌機、循環(huán)泵、控制系統(tǒng)等設備；清洗子系統(tǒng)主要包括污水泵、清洗水泵、洗艙機等設備。

控制系統(tǒng)對包括液位高度、壓力顯示、溫度顯示、運行時間、故障報警等信號進行集中處理。

清洗系統(tǒng)是在泥漿輸送完成后，對泥漿艙和輸送管路進行清洗和吹掃，為下一次泥漿裝載做好準備。

1.3 現有輸送系統(tǒng)的缺陷分析

現有供應船的散料輸送系統(tǒng)和泥漿輸送系統(tǒng)為各自獨立的系統(tǒng)，散料儲存在散料罐，泥漿儲存在泥漿艙內，不同的處理系統(tǒng)只能針對單一的物料進行儲存和輸送，造成部分儲存輸送設備的閑置，導致工作船的運載利用率下降。

特別是對于深海、深遠海域鉆井作業(yè)的物料供應，若不能充分發(fā)揮工作船的運載利用率，勢必造成船舶資源的浪費，大大增加鉆井物料供應的成本。

現有輸送系統(tǒng)有待改進之處如下。

1)散料排放方式決定了散料罐是壓送設備，按承受最大工作壓力0.7MPa壓力容器制造，建造難度和成本較高。

2)散料罐的圓柱體外形不能有效地利用船艙的空間，裝載量偏低。

3)泥漿艙存在死角且有船體結構，泥漿攪拌有局限性，容易產生沉淀分層現象，影響泥漿的物理性能。

4)泥漿艙存在死角且有船體構件，不易自動清洗，殘留物影響泥漿的儲存質量。

2 散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)

2.1 兼容儲存罐

干散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)創(chuàng)新設計的兼容儲存罐安裝在工程船的主甲板以下，按照船體密封罐的氣密要求建造，上部為棱柱體，下部為圓錐體結構(見圖1)，可充分利用空間提高工程船運載能力。

圖1 兼容儲存裝置在三用工作船內安裝區(qū)域

兼容儲存罐裝置由罐體、進料器、刀型閘閥、泥漿輸送泵、干散料料斗及清洗機等組成。

罐體底板上設計有干散料和泥漿各自獨立的出口，輸送一種物料時底板上的另一個出料口用盲板封閉。罐體頂部開設有人孔，由人孔蓋封閉。罐體上設有料位計，可同時適用于干散料和泥漿。加熱裝置采用6個鋼質的盒式加熱板安裝在罐體的圓錐體外部。

進料器安裝在兼容儲存罐底板中心，用于排出罐內物料和攪拌罐內物料，可同時適用于干散料和泥漿，進料器上配備有一個可裝可拆的攪拌葉輪，攪拌葉輪僅用于儲存泥漿時的攪拌。

干散料出料口和泥漿出料口都通過各自的刀型閘閥與其輸送設備連接。

泥漿輸送泵為帶料斗的螺桿泵，輸送泵料斗側面設有側緣接口，輸送泥漿時可作為另一個進料口。

干散料料斗上設有一個噴射泵接口法蘭和多個壓縮空氣接口，可連接噴射泵和壓縮空氣管路。

罐清洗機為可編程的雙噴嘴清洗機，由空壓機驅動，清洗時經人孔垂直安裝在罐內。兼容儲存罐底部結構見圖2。

圖2 兼容儲存罐底部結構示意

2.2 兼容系統(tǒng)的干散料輸送

兼容輸送系統(tǒng)用于干散料輸送時，儲存罐環(huán)形底板的泥漿出料口用盲板封閉。

兼容輸送系統(tǒng)用于干散料輸出時，配備一個專用的“干散料流化排放站”。干散料流化排放站是散料輸送的主要硬件，與干散料料斗出口連接，是一套壓送裝置。排放站由流化排放罐(3個5.5 m3的罐)、羅茨真空泵(1個，真空度波動范圍19～53 kPa)、壓縮空氣緩沖罐(1個3.5 m3的罐)、旋風集塵器(1個，0.5 m3)等組成，見圖3。干散料流化排放站同時僅供一套兼容儲存罐流化排放散料使用,其設計壓力為1.2 MPa，工作壓力為0.8 MPa。

圖3 干散料排放站結構示意

干散料輸送時進料器上不安裝攪拌葉輪，調整進料器液壓馬達的轉速，進料器對干散料進行攪拌和排料。干散料料斗和刀型閘閥同時開啟，使干散料注入料斗。調整閘閥開口的大小向料斗提供必要的注入量和控制輸送量。開啟料斗上的噴射泵，并向料斗輸入壓縮空氣，使料斗內的干散料形成氣、料兩相流態(tài)化。

此時，兼容儲存罐內的工作壓力是一個正壓，干散料排放站的流化排放罐則通過羅茨風機抽真空產生負壓環(huán)境，在儲存罐和排放罐的壓力差作用下，料斗內的干散料經管路流化輸送至流化排放罐。然后壓縮空氣緩沖罐提供壓縮空氣，使排放罐內的干散料在壓力作用下，被排放至輸送管路。

3個排放罐輪流填充-加壓-排放，用這種方式循環(huán)直至兼容儲存罐騰空，干散料排放站連通下一個兼容儲存罐，從而實現干散料由儲存罐向海上作業(yè)平臺的遠距離、高速度的流化輸送。

現有的散料輸送系統(tǒng)一般通過正壓力將干散料排出儲存罐，儲存罐需要比較大的耐壓，而兼容輸送系統(tǒng)則是通過正、負壓力差將干散料送出儲存罐，因此兼容儲存罐的耐壓僅為現有系統(tǒng)的1/10。兼容輸送系統(tǒng)的工藝流程見圖4。散料輸送速度、管徑和空氣量計算詳見文獻[4]。

圖4 干散料輸送工藝流程示意

1)散料輸送速度計算。

經調研鉆井平臺距海平面的變化高度為10～20 m，三用工作船用動力定位方法靠泊，艉部與平臺串靠，經估算三用工作船輸送管接口與平臺儲存罐管接口距離為80 m。輸送能力定為:水平距離120 m，垂直距離40 m，90°的彎管2個。參數計算如下。

根據中高壓氣力輸送速度的經驗公式為

(1)

式中：V——中高壓氣力輸送速度，m/s;

α——與物料粒徑有關的系數；查表1，輸送物料為粉狀，取α=12;

γ——物料顆粒的重度，干散料的輸送用密實重度γs=2.5 t/m3;

B——系數，其值為(2～5)×10-5，干燥粉狀物料取3×10-5;

L當——輸送管道的折算長度，m ;

L當=L平+κ1L斜+κ2L直+nR彎。

其中：n——彎管數，

κ1=1.1～1.5，κ2=1.3～2

L當=L平+κ1L斜+κ2L豎+nR彎=200 m。

表1 物料的α值

2)散料輸送管徑計算。

設單位時間輸送的物料重量為Gs，輸送所需的空氣重量為Ga，兩者之比稱為混合比，以m表示,m=Gs/Ga。輸送的固相顆粒為粘土粉、水泥和重晶石粉，顆粒直徑為150 μm，固相質量流量為Gs=75 t/h。采用壓送式輸送裝置輸送，按“流態(tài)化壓送”的方法，其混合比m選取范圍在40～80，現取m=75。

空氣重度為γa=1.205 kg/m3)，輸送所需的空氣量Q由下式可以求得。

(2)

若輸送氣流速度為v,m/s，則輸料管內徑D由下式可以求得。

選取散料輸送管徑為125 mm。

3)散料輸送空氣量計算。

設空氣的重度為γa=1.205 kg/m3，輸送所需的空氣量Q由下式可以求得。初步估算耗氣量為

2.3 兼容系統(tǒng)的泥漿輸送

兼容輸送系統(tǒng)用于泥漿輸送時，儲存罐環(huán)形底板的干散料出料口用盲板封閉。

兼容儲存罐用作泥漿的儲存，類似現有深水三用工作船的泥漿艙，但兼容儲存罐裝有進料器和攪拌葉輪，在運輸過程中能更好地保持泥漿的物理性能。兼容輸送系統(tǒng)還具有一個單獨的洗罐系統(tǒng)。

進料器上安裝一個泥漿攪拌葉輪，調整進料器液壓馬達的轉速，使進料器的轉速是干散料轉速的3倍，以保證泥漿充分攪拌，避免發(fā)生沉淀。

泥漿輸送泵和刀型閘閥同時開啟，使泥漿注入泵料斗。閘閥開口的大小調整到可以提供必要的注入量和控制輸送量。

泥漿輸送泵料斗側面有一個接口，可作為進料口連接到其它儲存罐或泥漿艙，使幾個兼容儲存罐(或泥漿艙)連通泥漿泵，即一臺泥漿泵可以為多個兼容罐(或泥漿艙)輸送泥漿，見圖5。

1)泥漿泵流量計算。

要求在1 h內向平臺輸送60 m3泥漿，輸送垂直高度40 m、水平距離120 m 。

圖5 泥漿泵為多個兼容罐(或泥漿艙)輸送

泥漿粘度300 cSt;泥漿比重2.5 kg/L。

按照要求時間抽空泥漿所需流量為

Q=1.1v/t=1.1×60/1=66 m3/h(按1.1安全系數考慮),

選取泥漿泵輸送的工作流量Q=75 m3/h。

2)泥漿輸送管徑計算。

泥漿泵輸送流量為Q=75 m3/h;

泥漿輸送管路流速取v=Q/A=1.25 m/s;

泥漿泵輸送管徑D= [106×4×75/(3 600×3.14×1.2)]1/2=149 mm;

泥漿輸送管徑取150 mm。

2.4 洗罐系統(tǒng)

洗罐系統(tǒng)用于儲存物料后的清洗或者更換物料品種前的清洗。

清洗時，罐底的干散料出口用盲板封閉，進料器上安裝攪拌葉輪，調整進料器液壓馬達的轉速，使進料器的轉速是干散料輸送時的3倍。

打開兼容儲存罐頂部的人孔蓋，將清洗機垂直安裝在罐內，清洗機雙噴嘴旋轉從罐頂部至底部進行噴霧清洗，進料器旋轉攪拌，螺桿泵將罐內污水排至污水艙。

如果需要高質量的清洗，可以先用加有表面活性劑的熱水進行清洗，再用清潔水清洗殘留的臟水和清潔劑。清洗完成后，移出清洗機并封閉人孔蓋，打開壓縮空氣閥，吹除殘留水。吹水工序結束，開啟罐體的加熱裝置，通過加熱板清除罐內殘余水分，干燥儲存罐。

3 結論

1)散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)研究制定了散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)技術方案，實現了干散料和泥漿等各種液、固物料的兼容儲存、輸送和運載。

2)有效地利用了船艙的空間，提高船舶裝載量，同時提高儲存輸送設備的利用率，避免其閑置造成船舶資源的浪費。

3)使三用工作船所運載的物料種類和適應能力得到增強，可獲得更大的船舶利用率，更高效和遠距離的輸送能力。

下一步還需對散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)進行更加深入的研究，進一步優(yōu)化系統(tǒng)設置，完成裝船試驗，并通過試驗驗證對系統(tǒng)進行改進，完善系統(tǒng)設計。最終將散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)應用于國內自主開發(fā)設計的海洋工程船中，增加船舶本身的附加值，提高市場競爭力。

[1] 李詩久,周曉君.氣力輸送理論與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1992.

[2] 余洲生.氣力輸送及其應用[M].北京:人民交通出版社,1989.

[3] 烏效鳴,胡郁樂,賀冰新,等.鉆井液與巖土工程漿液[M].北京:中國地質大學出版社,2002.

[4] 周乃如,朱鳳德.氣力輸送原理與設計計算[M].鄭州:河南科學技術出版社,1981.