大型半潛船壓載水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李志壘

（海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

大型半潛船壓載水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李志壘

（海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

為安全可靠地實(shí)現(xiàn)半潛功能，根據(jù)某半潛式自航工程船壓載艙眾多的特點(diǎn)，采用空氣壓載系統(tǒng)與泵壓載系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。試航結(jié)果顯示：壓載水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠安全實(shí)現(xiàn)該半潛式自航工程船海上半潛作業(yè)功能，達(dá)到技術(shù)規(guī)格書(shū)中的有關(guān)要求。

排壓載；空氣壓載系統(tǒng)；泵壓載系統(tǒng)；半潛船

引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展，能源需求越來(lái)越大。由于陸上原油儲(chǔ)量日益枯竭，人們將目光轉(zhuǎn)向?qū)掗煙o(wú)垠的海洋。海洋里不但含有豐富的礦產(chǎn)和資源，而且具有極大的科研價(jià)值。根據(jù)美國(guó)2008年7月發(fā)表的地理勘察報(bào)告，僅在北極地區(qū)已經(jīng)探明的碳?xì)浠衔飪?chǔ)量就富含超過(guò)900億桶石油、2 000萬(wàn)億立方英尺（約56.63萬(wàn)億立方米）天然氣以及400億桶液化天然氣。各種用途的海洋工程船及石油開(kāi)采平臺(tái)成為人們開(kāi)發(fā)海洋資源的重要工具［1］。

作為海洋工程船，大型半潛式自航工程船具有海洋石油和天然氣勘探、開(kāi)采工程裝備等海上運(yùn)輸和安裝功能獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的運(yùn)輸船舶相比，半潛船壓載水系統(tǒng)更為復(fù)雜，必須對(duì)其壓載系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和計(jì)算分析，以確保該工程船半潛作業(yè)時(shí)的船舶穩(wěn)性。本文以5萬(wàn)噸半潛船“海洋石油278”為例，對(duì)其壓載水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 概 述

1.1 設(shè)計(jì)目的

5萬(wàn)噸“海洋石油278”半潛船的設(shè)計(jì)用途為可采用浮托法（floatover）運(yùn)輸和安裝樁腿結(jié)構(gòu)的上部模塊功能［2］。同時(shí)，該船具備下潛至最大設(shè)計(jì)吃水的能力，通過(guò)該方式裝載/卸載及運(yùn)輸類(lèi)似半潛鉆井平臺(tái)和其他海洋結(jié)構(gòu)物浮體貨物。當(dāng)船艉朝向碼頭系泊時(shí)，能夠通過(guò)滑道裝載/卸載SPAR等各種貨物。經(jīng)簡(jiǎn)易改裝后，可以裝載和運(yùn)輸更龐大的貨物。

1.2 壓載系統(tǒng)原理和組成

全船共設(shè)置86個(gè)壓載艙，約可容納壓載水100 000 t，通過(guò)2套壓載系統(tǒng)迅速實(shí)現(xiàn)全船的壓載、排載。其中位于主船體的多個(gè)壓載艙采用壓縮空氣壓、排載；其余的壓載艙采用傳統(tǒng)的泵壓載系統(tǒng)。壓載艙布置圖如圖1所示。

泵壓載系統(tǒng)分成艉部泵壓載系統(tǒng)和首部泵壓載系統(tǒng)2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。所有主甲板以上的壓載艙接入泵壓載系統(tǒng)。其他壓載艙同空氣壓載/排載系統(tǒng)相連。在排載工況，壓縮空氣通過(guò)壓縮空氣管進(jìn)入壓載艙，利用壓縮空氣的壓力將水排出壓載艙；在壓載工況，利用空壓機(jī)抽出空氣管內(nèi)的空氣以加快壓載速度。

2 空氣壓載系統(tǒng)

2.1 工作原理

空氣壓載系統(tǒng)工作的原理：壓載時(shí)，關(guān)閉壓縮空氣管的遙控蝶閥并打開(kāi)通大氣遙控蝶閥，再打開(kāi)壓載艙的通海管上的遙控蝶閥，通過(guò)海水的壓力向壓載艙自然灌水，并通過(guò)壓載空氣管透氣，在壓載工況需要的情況下，為加快壓載速度，通過(guò)控制壓載空壓機(jī)上的遙控蝶閥和壓縮空氣管上的遙控蝶閥，并打開(kāi)壓載艙的通海蝶閥，利用空壓機(jī)抽吸壓載艙內(nèi)的空氣，壓載艙內(nèi)的負(fù)壓，使海水加速進(jìn)入壓載艙，加快下潛速度。

排載時(shí)，打開(kāi)壓載艙的通海管上的遙控蝶閥，啟動(dòng)壓載空壓機(jī)，并打開(kāi)壓縮空氣管上的遙控蝶閥，將壓縮空氣注入壓載艙內(nèi)，通過(guò)通海水管排出壓載艙的海水。

2.2 壓載計(jì)算

壓載過(guò)程包括船舶的下潛和上浮。下潛過(guò)程的初始階段與浮托法類(lèi)似，利用壓載泵和重力進(jìn)水，使船舶吃水在規(guī)定時(shí)間內(nèi)從初始的吃水增加到設(shè)計(jì)吃水。下潛過(guò)程主要利用重力進(jìn)水，空壓機(jī)僅用來(lái)抽出空氣管內(nèi)的空氣以加快壓載速度。

上浮過(guò)程即排壓載過(guò)程，船舶在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，吃水從初始吃水水位減少到設(shè)計(jì)水位。對(duì)于半潛船，最重要的考核指標(biāo)為排載時(shí)間，即船舶能否在規(guī)定時(shí)間內(nèi)從壓載吃水上浮到設(shè)計(jì)吃水。

為了確定空氣壓縮機(jī)在不同吃水下的實(shí)際排水能力，假設(shè)半潛式工程船整個(gè)上浮過(guò)程可以分解為四個(gè)步驟。在每一步驟中，部分壓載艙中的水會(huì)被全部或部分排出。在排水過(guò)程中，為了時(shí)刻保持船體穩(wěn)定和縱傾，必須舍棄壓載水系統(tǒng)的部分排載能力。根據(jù)壓載艙在全船上所處的位置，劃分為不同區(qū)域［3］，如圖2所示。

通過(guò)對(duì)每個(gè)區(qū)域的艙室管路平均排載量進(jìn)行計(jì)算。即在一定壓力損失下，管路中能排出的壓載水量。從而計(jì)算出每一步驟中壓縮空氣的需求量。計(jì)算過(guò)程中，需考慮空氣和水管中平均壓力損失。由于半潛式工程船在上浮過(guò)程中吃水是隨時(shí)變化的，導(dǎo)致靜水壓力隨著壓載艙及壓載艙內(nèi)水位升高而迅速變化。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通過(guò)壓載艙的重心高度來(lái)確定其受到的靜水壓力。

2.3 計(jì)算原理

空壓機(jī)排量計(jì)算式［4］為：

式中：Q2為實(shí)際排量，m3/h；

Q1為空壓機(jī)額定排量，m3/h；

圖2 壓載艙區(qū)域劃分圖

p1為大氣壓力，Pa；

p2=p1+壓載艙內(nèi)水所受海水壓力+

管路壓力損失。

直水管壓力損失計(jì)算式為：

式中：Δpf為直管摩擦阻力損失，Pa ；

λ為管子摩擦阻力系數(shù)；

l為管段長(zhǎng)度，m；

di為管子內(nèi)徑，m；

ρ為流體密度，kg/m3。

附件局部阻力計(jì)算式為：

式中：Δpr為局部阻力，Pa；

ξ為局部阻力系數(shù)；

ρ為流體密度，kg/m3。

主甲板以上壓載艙重力泄放流量計(jì)算式為：

式中：Qw為水流量，m3/h；

ξ為局部阻力系數(shù)；

A為管路橫截面積，m2；

ρ為流體密度，kg/m3；

g為重力加速度，9.81 m/s2；

h為艙柜水面和海平面液位差，m。

2.4 管路壓力損失

因?yàn)閷?shí)際管路中壓力損失和附件阻力隨流體流速變化而變化，管路中流體流速會(huì)隨外部條件的變化而改變。因此，通過(guò)控制壓縮空氣排氣壓力、水靜壓和管路損失來(lái)優(yōu)化流量，從而減少管路壓力損失。

2.5 計(jì)算結(jié)果

在排壓載上浮過(guò)程中，每組壓載艙所需的壓縮空氣量并不相同，所以需要綜合考慮每組壓載艙的排放能力，求出每組壓載艙的平均值；再用總的壓載水排出量除以該平均值，求得該船上浮所用時(shí)間。

根據(jù)該大型半潛式自航工程船上浮初始狀態(tài)，壓載艙內(nèi)壓載水總量約為100 000 t，其耗時(shí)計(jì)算結(jié)果如下：

上浮步驟1時(shí)間T1=45 min；

上浮步驟2時(shí)間T2=94 min；

上浮步驟3時(shí)間T3=32 min；

上浮步驟4時(shí)間T4=63 min。

從壓載吃水上浮到設(shè)計(jì)吃水總耗時(shí)為：

滿足規(guī)格書(shū)中的有關(guān)要求。

2.6 系統(tǒng)組成

空氣壓載水系統(tǒng)由4臺(tái)空壓機(jī)橇塊、4組壓載空氣總管、空氣管遙控蝶閥、70個(gè)壓載艙、海水管遙控蝶閥和相關(guān)的管線組成。每個(gè)壓載艙布置一根獨(dú)立的壓縮空氣管，從空氣總管接至每個(gè)壓載艙，并配有一個(gè)遙控蝶閥，用于控制空氣向壓載艙內(nèi)注壓縮空氣。每個(gè)壓載艙設(shè)置獨(dú)立的進(jìn)水、排水用的通海水管，每根海水管設(shè)置兩只串聯(lián)的電液式單作用遙控蝶閥。

3 泵壓載系統(tǒng)

由于空氣壓載系統(tǒng)微調(diào)性較差，本船還設(shè)置了泵壓載系統(tǒng)。全船共配備4臺(tái)壓載水泵，分別布置在船艏的泵艙和艉部的主推進(jìn)器艙。

艏部泵壓載系統(tǒng)由2套電動(dòng)離心泵組成。艏?jí)狠d泵布置在艏泵艙，對(duì)主甲板以上的壓載艙進(jìn)行壓排載操作。

艉部泵壓載系統(tǒng)由2套電動(dòng)離心泵組成。艉壓載泵布置在推進(jìn)電機(jī)艙，對(duì)艉浮箱和WB01UCP，WB01UCS進(jìn)行壓排載操作。

圖3 泵壓載系統(tǒng)圖

泵壓載水系統(tǒng)由海底總管、4臺(tái)壓載水泵、12個(gè)壓載艙和4個(gè)艉浮箱、壓載艙透氣管、海水管上的遙控蝶閥和相關(guān)的無(wú)縫熱鍍鋅鋼管組成，通過(guò)液位遙測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視艙內(nèi)液位，通過(guò)遙控控制泵的啟停和遙控蝶閥的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)壓載艙的壓載和排載。

壓載時(shí)，開(kāi)啟進(jìn)水管上的所有遙控蝶閥、啟動(dòng)海水泵、從海底總管抽吸海水，由海水泵提供壓頭向壓載艙內(nèi)注海水；壓載艙內(nèi)的空氣由壓載艙透氣管排向大氣，通過(guò)液位遙測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)液位達(dá)到指定位置時(shí)，停用壓載泵、關(guān)閉遙控蝶閥，壓載操作完成。排載時(shí)，調(diào)整相關(guān)的遙控蝶閥、啟動(dòng)壓載泵，通過(guò)壓載泵抽吸壓載艙內(nèi)的海水；通過(guò)液位遙測(cè)裝置檢測(cè)液位降至目標(biāo)要求時(shí)，停用壓載泵并關(guān)閉遙控蝶閥，完成排載。

4 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)采用浮托法運(yùn)輸和安裝樁腿結(jié)構(gòu)的上部模塊功能，5萬(wàn)噸“海洋石油278”半潛船壓載系統(tǒng)采用空氣壓載/排載系統(tǒng)與傳統(tǒng)泵壓載系統(tǒng)相結(jié)合，從而確保該船安全地實(shí)現(xiàn)各種半潛作業(yè)工況。

［1］ 陳雷，李含萍.超大型起重船壓載調(diào)載系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)［J］.船舶，2010 （1）：34-38.

［2］ 李曉蘭.半潛式自航工程船“海洋石油278”開(kāi)工建造［J］.海洋石油，2010（3）：52.

［3］ 周卓亮，蔡潔. 50 000 t半潛船壓縮空氣壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.船舶，2013（5）：57-62.

［4］ 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（輪機(jī)分冊(cè)）［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

Ballast water system for a great semi-submersible vessel

LI Zhi-lei
(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

To realize the semi-submersible function safely and reliably, the ballast system of a certain semisubmersible self-propelled heavy lift vessel is designed by means of combining the air and pump ballast systems according to the characteristics of its numerous ballast tanks. The trail results show that the design of the water ballast system is able to realize the semi-submersible working function for a semi-submersible self-propelled heavy lift vessel at sea, which satisfies the requirements of the technical specification.

deballast; air ballast system; pump ballast system; semi-submersible vessel

U664.8

A

1001-9855（2014）01-0053-05

2013-03-29；

2013-07-07

李志壘（1976-），男，碩士，工程師，研究方向：船舶可行性研究和建造技術(shù)管理。