直流母排穿艙問(wèn)題的處理方案

張建平，陳曉宇，唐杰，陸華中

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

某深水鋪管船項(xiàng)目，鋪管設(shè)備采用多傳動(dòng)變頻系統(tǒng)，布置在左、右舷電氣設(shè)備間，系統(tǒng)的公共直流母排穿過(guò)A60 & 水密艙壁相連，母排設(shè)置直流隔離開(kāi)關(guān)。正常運(yùn)行時(shí)，兩側(cè)的母排獨(dú)立運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)各自母排上的設(shè)備；應(yīng)急情況時(shí)，可將艙壁兩側(cè)的直流隔離開(kāi)關(guān)合閘，利用單側(cè)的驅(qū)動(dòng)變壓器和ISU(IGBT supply unit，IGBT整流單元)實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的降容運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)電力系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 驅(qū)動(dòng)電力系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直流母排和母線槽由鋪管設(shè)備商供貨，母排為普通鍍錫裸母排，母線槽為玻璃鋼材質(zhì)、扣板形式。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)母排穿艙方案的具體設(shè)計(jì)、穿艙件選型等工作。母排穿艙成為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)意圖的關(guān)鍵。

電纜、管件在海工船舶上的穿艙屬于常規(guī)做法，有眾多知名廠家和成熟產(chǎn)品，可以選擇模塊式電纜貫艙件(multi-cable transit，MCT)、防火套管、堵料澆注等穿艙方案。但電力母排穿艙屬于特殊應(yīng)用。為此，考慮根據(jù)實(shí)際情況，分析母排穿艙及母線槽的規(guī)范和認(rèn)證要求，調(diào)研市場(chǎng)產(chǎn)品和以往項(xiàng)目的應(yīng)用情況，從產(chǎn)品認(rèn)證、設(shè)備改造、穩(wěn)性計(jì)算、作業(yè)工況、失效模式分析等多方面，分析比較方案的可行性，確定最佳處理方案。

1 規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

IMO的《國(guó)際海上人命安全公約》(international convention for safety of life at sea，SOLAS)綜合文本2009版對(duì)于穿艙問(wèn)題有明確的要求[1]：如管子、排水管和電纜等通過(guò)水密艙壁時(shí)，應(yīng)設(shè)有保證該艙壁水密完整性的設(shè)施；如貫穿“A”級(jí)分隔，該貫穿件應(yīng)在符合本條4.1.1.5規(guī)定的前提下，根據(jù)《耐火試驗(yàn)程序規(guī)則》(fire protection procedure，F(xiàn)TP)進(jìn)行試驗(yàn)。

《歐盟的船用設(shè)計(jì)指令》(marine equipment directive，MED)Directive 2014/90/EU要求：電纜穿艙件必須符合SOLAS要求，并具備MED module B+D 或 B+E 或 B+F證書(shū)。

英國(guó)勞氏船級(jí)社的《船舶入級(jí)規(guī)范》(2017年7月版)，第6部分/第2章/第11節(jié)/11.17[2]對(duì)于母線槽系統(tǒng)有專(zhuān)門(mén)的描述。相關(guān)內(nèi)容如下。

1)母線及其連接應(yīng)有防腐蝕/氧化措施，避免接觸不良而導(dǎo)致過(guò)熱。母線及其支座的設(shè)計(jì)應(yīng)能承受短路時(shí)可能產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。需要時(shí)應(yīng)提交測(cè)試報(bào)告或計(jì)算結(jié)果以驗(yàn)證母線系統(tǒng)的短路耐受強(qiáng)度。

2)如果裸導(dǎo)體采取了措施防止表面氧化，則額定正常電流下的溫升極限不得超過(guò)60 ℃，否則允許溫升極限不超過(guò)45 ℃。如果母線溫升高于45 ℃，應(yīng)確保對(duì)與母線相鄰和/或連接的設(shè)備沒(méi)有不利影響，并且不超過(guò)與母線接觸的任何材料的溫升極限。需要時(shí)，應(yīng)提交測(cè)試報(bào)告或計(jì)算結(jié)果以驗(yàn)證分配給母線系統(tǒng)的額定電流。

3)母線槽系統(tǒng)應(yīng)具有最低進(jìn)入防護(hù)(ingress protection，IP)等級(jí)IP54(根據(jù)IEC60529)。

4)母線槽或其系統(tǒng)的內(nèi)外布置應(yīng)確保不損害其通過(guò)的任何結(jié)構(gòu)的防火和/或水密完整性。

經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)船師和船級(jí)社審圖中心溝通后明確，母排穿艙后的艙壁防火和水密性必須完全符合本項(xiàng)目的《防火區(qū)域圖》和SOLAS要求；穿艙件的耐火和水密試驗(yàn)證書(shū)必須滿足FTP、SOLAS、MED要求和船旗國(guó)規(guī)定。

2 方案分析

針對(duì)公約、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出了4種處理方案。

2.1 電纜替代母排

首先考慮采用電纜替換母排，從而規(guī)避母排穿艙。原項(xiàng)目執(zhí)行時(shí)，船東和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商曾討論過(guò)采用電纜代替母排以便連接左、右舷電氣設(shè)備間的兩部分驅(qū)動(dòng)柜，設(shè)備商也確認(rèn)技術(shù)上可行，但需要加裝額外的電控柜以容納直流保險(xiǎn)絲、電纜連接件，以及其他輔件，整體成本約增加45萬(wàn)元。增加直流保險(xiǎn)絲是由于母排上的直流開(kāi)關(guān)均為隔離開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)操作是在電源斷開(kāi)、電容儲(chǔ)能釋放后進(jìn)行，無(wú)線路保護(hù)功能；如果母排改為電纜，必須設(shè)置直流保險(xiǎn)絲以保護(hù)電纜。

將該方案細(xì)化為3種具體方式，顯然各有局限性。

1)將母排整體改為電纜。前述的整體增加成本基于多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)器尚在設(shè)計(jì)階段、未生產(chǎn)的情況下，實(shí)際上設(shè)備到貨后，現(xiàn)場(chǎng)改造費(fèi)用會(huì)更高；考慮改造風(fēng)險(xiǎn)和責(zé)任，國(guó)內(nèi)是否有設(shè)備商可以承接改造工作也不可知；而且電氣設(shè)備間空間有限，多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)柜已經(jīng)無(wú)法增加柜體。

2)將穿艙的一段母排改為電纜，左、右電氣設(shè)備間設(shè)置對(duì)接箱，用于連接該電纜和驅(qū)動(dòng)柜一側(cè)的母排。這樣多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)柜無(wú)需作電纜連接件的改造，但按照電纜保護(hù)的要求，直流保險(xiǎn)絲仍需增加，隨之而來(lái)的問(wèn)題是多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)柜需要升級(jí)改造。

3)采用防短路電纜。防短路電纜即硅橡膠絕緣電纜，這類(lèi)電纜由于絕緣材質(zhì)的特性，長(zhǎng)期工作所允許的最高溫度、短路時(shí)允許的最高溫度都高于普通電纜。小電流或者交流系統(tǒng)采用硅絕緣電纜有現(xiàn)實(shí)意義，當(dāng)前系統(tǒng)的額定電流4 000 A以上，短路電流計(jì)算值更高，且直流系統(tǒng)的電纜絕緣要求本來(lái)就高。適用性需要進(jìn)行電纜熱效應(yīng)和動(dòng)效應(yīng)校驗(yàn)，還要解決電纜的規(guī)格選型和船級(jí)社證書(shū)問(wèn)題；而且，不設(shè)保險(xiǎn)絲或開(kāi)關(guān)以保護(hù)電纜，本身就和船級(jí)社規(guī)范的要求相悖。

2.2 更改母排品牌和型號(hào)

對(duì)各大船廠以往項(xiàng)目的類(lèi)似應(yīng)用和相關(guān)的母線槽產(chǎn)品展開(kāi)調(diào)研。

招商局重工(江蘇)有限公司曾在CMHI182項(xiàng)目上采用配電母排穿過(guò)A0艙壁，連接2個(gè)艙室的2組配電板，避免了27根3×120 mm2電纜的敷設(shè)和MCT穿艙，降低了成本、工藝難度以及工作量。穿艙系統(tǒng)持有DNV GL防火證書(shū)(證書(shū)號(hào)TAF00001BB)。項(xiàng)目采用施耐德母線Type I-LINE/Canalis Series B Busway 800 A to 5 000 A，及火克HK-MG母線槽穿艙系統(tǒng)，申請(qǐng)了實(shí)用新型專(zhuān)利(專(zhuān)利授權(quán)公告號(hào)：CN 210898425 U)。

核查該項(xiàng)目應(yīng)用情況及防火證書(shū)，證書(shū)載明須配套使用施耐德特定型號(hào)母排槽，可用于A60艙壁穿艙。但有以下局限性。

1)DNV GL防火證書(shū)上明確載明“不適用于水密艙壁穿艙”，無(wú)法用于鋪管船項(xiàng)目。

2)該母線槽型號(hào)的電壓等級(jí)從產(chǎn)品資料看為690 V AC，而直流母排額定電壓為973 V DC。

3)存在施耐德母線槽與多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)柜內(nèi)母排的連接問(wèn)題。

4)施耐德母線槽的防護(hù)等級(jí)最多能達(dá)到IP66。如果考慮母線槽內(nèi)封堵以達(dá)到水密，則演化為母排的直接封堵和穿艙，就沒(méi)有必要采用施耐德產(chǎn)品。

鑒于多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)柜原理圖和尺寸圖中標(biāo)注母排為“ABB MDY BUSDUCT”。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)查閱ABB官網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)“MDY BUSDUCT”除了母排，還包括母排支撐件、母排護(hù)套等。資料截圖見(jiàn)圖2。

圖2 ABB MDY BUSDUCT[3]

資料中對(duì)于母排絕緣層和IP等級(jí)有專(zhuān)門(mén)的說(shuō)明，產(chǎn)品由無(wú)鹵絕緣材料擠塑包覆在母排表面，母排可彎曲以方便現(xiàn)場(chǎng)施工，載流能力出色，完全密封時(shí)防護(hù)等級(jí)為IP54，也可提供IP65。對(duì)比鋪管設(shè)備商供貨的普通裸母排，ABB MDY BUSDUCT的IP等級(jí)滿足規(guī)范要求，配有完整的支撐件，母排絕緣采用普通電纜相同的擠塑絕緣工藝，更加符合項(xiàng)目所需的母排穿艙應(yīng)用，但仍然無(wú)法避開(kāi)防火、防水認(rèn)證和試驗(yàn)。

查閱ABB母線槽手冊(cè)時(shí)，注意到ABB有樹(shù)脂澆注式的母排產(chǎn)品，MV Busduct系列Type MV-MB，以及LV Busduct系列Type SC-R，可以達(dá)到防火、防爆、IP68防護(hù)等級(jí)，額定電壓從1 kV一直到17.5 kV，額定電流最高可到6 000 A，可見(jiàn)還是有類(lèi)似應(yīng)用。

2.3 母排穿艙型式認(rèn)證

母排穿艙的前提是保持艙壁的防火、防水性能，穿艙型式的防火、防水試驗(yàn)和認(rèn)證必須解決。

本著最大程度利用現(xiàn)有設(shè)備和材料，減少已到貨的進(jìn)口多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)柜改造工作量，基于“套管式電纜/管道貫穿密封裝置”提出安裝型式，見(jiàn)圖3。

圖3 母排穿艙型式示意

該裝置是成熟產(chǎn)品，各家穿艙件廠家均有A60證書(shū)和水密測(cè)試報(bào)告，但均針對(duì)電纜或者管道。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)按照驗(yàn)船師要求提交了穿艙件的防火證書(shū)、水密證書(shū)，并計(jì)劃就此母排穿艙型式進(jìn)行后續(xù)取證工作。

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)船師對(duì)此方案提出3點(diǎn)要求。

1)母排以及穿艙密封裝置中所使用的絕緣材料均要有型式證書(shū)和特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不小于同一電壓等級(jí)電纜的絕緣性能。

2)母線槽要符合LR規(guī)范中相關(guān)規(guī)定(如IP等級(jí)、支撐強(qiáng)度、載流量計(jì)算書(shū)等)。

3)需要提供穿艙形式認(rèn)可證書(shū)。

這一方案的關(guān)鍵是A60防火試驗(yàn)以及母排絕緣護(hù)套、穿艙密封裝置中的防火套管等電絕緣性能的驗(yàn)證認(rèn)證。取證周期較長(zhǎng)，相關(guān)費(fèi)用約20萬(wàn)元。

2.4 更改艙壁屬性

普通艙壁的母排穿艙不需封堵，左、右舷電氣設(shè)備間的相鄰艙壁是否可以定義為非水密、非防火，這是處理過(guò)程中各方都提出的方案和問(wèn)題。

多傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)柜所在的左、右舷電氣設(shè)備間在當(dāng)前設(shè)計(jì)中歸類(lèi)為動(dòng)力定位(dynamic positioning，DP)分區(qū)，同時(shí)也是安全返港(safe return to port，SRtP)分區(qū)，DP系統(tǒng)、SRtP都以這道中間艙壁為A60及水密分割壁開(kāi)展設(shè)計(jì)，進(jìn)行電纜管路的路徑規(guī)劃及設(shè)備布置，見(jiàn)圖4。

圖4 左右舷電氣設(shè)備間布置示意

一旦艙壁屬性變化，這兩個(gè)房間在DP和SRtP分析時(shí)必須按照一個(gè)房間對(duì)待，分屬不同DP系統(tǒng)的設(shè)備、電纜、管路就不能同處一室，會(huì)對(duì)正在施工的項(xiàng)目造成修改。

經(jīng)聯(lián)合各專(zhuān)業(yè)、技術(shù)顧問(wèn)團(tuán)隊(duì)、失效模式與影響分析(failure mode and effects analysis，F(xiàn)MEA)第三方，就取消艙壁的A60和水密屬性進(jìn)行溝通，梳理具體影響。

1)總體專(zhuān)業(yè)認(rèn)為，鋪管船破艙穩(wěn)性適用于概率破艙，最大破損范圍是從舷邊穿透船寬(breadth，B)/2，垂向破損范圍最大為距基線約23.3 m，左、右舷電氣設(shè)備間處于破損范圍內(nèi)。若中間艙壁考慮為非水密，對(duì)原穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，初步核算仍滿足要求，穩(wěn)性報(bào)告需重新送審。

2)內(nèi)裝專(zhuān)業(yè)的防火分割圖需取消艙壁的防火分割，但現(xiàn)場(chǎng)已完工的絕緣可保留，不作返工。

3)通風(fēng)專(zhuān)業(yè)無(wú)需修改。

4)輪機(jī)管系專(zhuān)業(yè)，移出燃油儲(chǔ)存艙1根透氣溢流管，或用鋼板圍蔽并做A60絕緣，形成A60通道。

5)電氣專(zhuān)業(yè)的電纜路徑無(wú)需修改。

6)原兩個(gè)設(shè)備間各布置有DP系統(tǒng)的1個(gè)網(wǎng)絡(luò)分配單元(network distribution unit，NDU)，2個(gè)NDU不能同時(shí)丟失，其中1個(gè)需移出，并修改相關(guān)電纜。

7)6臺(tái)中壓變壓器分2組連至2段發(fā)電機(jī)主母排，雖未供電給DP設(shè)備，但該區(qū)域發(fā)生火災(zāi)或水淹時(shí)，可能使主母排多次連續(xù)短路，疊加壓降時(shí)間超過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的壓降穿越能力，造成全船失電。

8)2個(gè)690 V和440 V配電板雖未供電給DP設(shè)備，也應(yīng)考慮火災(zāi)或水淹時(shí)的連續(xù)短路情況。

2.5 船級(jí)社審圖中心核查意見(jiàn)

1)更新并重新提交關(guān)聯(lián)圖紙和計(jì)算分析報(bào)告，比如穩(wěn)性計(jì)算、選擇性保護(hù)分析、設(shè)備布置圖等。

2)中壓變壓器開(kāi)關(guān)保護(hù)設(shè)定值由0.40 s調(diào)整為0.15 s，這樣即使火災(zāi)或水淹時(shí)3個(gè)變壓器無(wú)間隔連續(xù)短路(3×0.15=0.45 s)，也不會(huì)引起發(fā)電機(jī)(設(shè)定值0.80 s)和主母排母聯(lián)開(kāi)關(guān)(設(shè)定值0.6 s)的跳閘，可避免發(fā)生開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作或主母排全部失電。

3)更新FMEA報(bào)告描述，并確定驗(yàn)證步驟，海試時(shí)模擬火災(zāi)/水淹狀況進(jìn)行演示。

方案從實(shí)施可行性上，得到各專(zhuān)業(yè)、船級(jí)社審圖中心、驗(yàn)船師以及船東方的認(rèn)可。現(xiàn)場(chǎng)工作除了需處理1根透氣溢流管、1個(gè)NDU需移位，其余均為計(jì)算書(shū)、圖紙、分析報(bào)告等工作；母排穿艙可以不考慮艙壁的A60和水密性，無(wú)需考慮封堵，到貨母排和母線槽得到利用；船級(jí)社提出的模擬試驗(yàn)本就屬于FMEA試驗(yàn)項(xiàng)，并非額外工作；艙室失火或浸水時(shí)設(shè)備可能連續(xù)短路引起的問(wèn)題，可調(diào)整相應(yīng)保護(hù)開(kāi)關(guān)設(shè)定值予以避免，經(jīng)核實(shí)，對(duì)下級(jí)低壓負(fù)載的選擇性保護(hù)也無(wú)影響。因此，更改艙壁屬性對(duì)項(xiàng)目進(jìn)度和成本影響有限。

2.6 方案比較和選擇

把不同方案對(duì)應(yīng)的影響情況見(jiàn)表1。

表1 母排穿艙解決方案對(duì)比表

3 結(jié)論

綜合考慮項(xiàng)目各方意見(jiàn)，最為務(wù)實(shí)的做法是采用第4種方案：更改艙壁屬性。其他方案均存在成本、可行性、進(jìn)度不可控等風(fēng)險(xiǎn)，而且均會(huì)出現(xiàn)即使付出代價(jià)，仍可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的情況。