海洋鉆井散料系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

孫景陽，余 婭，王天龍

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

海洋鉆井散料系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

孫景陽，余 婭，王天龍

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

海洋鉆井散料系統(tǒng)屬于氣力輸送，是海工鉆井系統(tǒng)的重要組成部分，同時也是衡量泥漿處理能力和評價平臺鉆井能力的重要指標(biāo)。文章結(jié)合大連中遠(yuǎn)船務(wù)建造的S116E系列自升式鉆井平臺，對散料儲存罐的設(shè)計(jì)及布置、管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)要點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。

海洋工程；散料系統(tǒng)；設(shè)計(jì)分析

0 引言

海洋鉆井散料系統(tǒng)是海洋鉆井作業(yè)所需的各種散裝物料的儲存和輸送系統(tǒng)，是海上鉆井系統(tǒng)的一部分。它接收海洋供給船（AHTS、PSV等）提供的粉狀物料（重晶石、斑脫土、水泥等），并將其按需要為泥漿混合提供所需原料。散料系統(tǒng)的輸送能力應(yīng)匹配平臺泥漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，是評價平臺鉆井能力的重要指標(biāo)之一。

海洋鉆井散料系統(tǒng)屬于氣力輸灰系統(tǒng)，本文主要基于最常見的P-tank系統(tǒng)，并結(jié)合大連中遠(yuǎn)船務(wù)建造的S116E系列自升式鉆井平臺對海洋散料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題進(jìn)行探討。

表1 氣力輸灰系統(tǒng)在海洋平臺上的應(yīng)用[1]

海洋鉆井散料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)源于陸地鉆機(jī)的散料系統(tǒng)處理方法，同時又需要考慮海洋鉆井的特殊性，即考慮海洋環(huán)境下的風(fēng)、浪、鹽度、溫度、濕度等。

1 海洋鉆井散料系統(tǒng)介紹

1.1 海洋鉆井散料系統(tǒng)組成

散料系統(tǒng)用于接收、儲存和輸送散料，到泥漿和固井系統(tǒng)。通常設(shè)計(jì)為散裝泥漿輸送系統(tǒng)和散裝水泥輸送系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)。

該系統(tǒng)常包含以下主要部件[2]：散料儲存罐、緩沖罐、粉塵收集器、壓縮機(jī)及干燥器、裝載站、散料輸送及配給系統(tǒng)、各種儀表。

1.2 系統(tǒng)功能及流程概述

海洋鉆井散料需滿足以下最基本的功能：

1）通過裝載站實(shí)現(xiàn)平臺散料的供給與對外輸送；

2）實(shí)現(xiàn)散料在各散料罐間的駁運(yùn)；

3）輸送散料至使用終端；

4）可以對散料進(jìn)行定量輸送和調(diào)節(jié)輸送速率；

散料儲存罐通過如下方式完成散料輸送：

1）關(guān)閉供料壓力罐的透氣閥和排料閥，打開供料壓力罐的進(jìn)氣閥，罐內(nèi)壓力上升，同時將散料流化；

2）打開旋風(fēng)除塵器和粉塵收集罐之間的閥門，準(zhǔn)備好粉塵收集；

3）打開收料壓力罐的透氣閥和進(jìn)料閥，并關(guān)閉出料閥，然后打開輸料管線上的閥門；

4）當(dāng)供料壓力罐達(dá)到額定工作壓力，打開輸料管線上的助吹閥（30%）和供料壓力罐的排料閥，開始散料輸送；

5）散料輸送完成后，關(guān)閉供料壓力罐的排料閥和進(jìn)氣閥，將輸料管線上的助吹閥開至 100%，吹除管線中剩余散料。

2 設(shè)計(jì)基本要求

設(shè)計(jì)基本要求見表2。

表2 設(shè)計(jì)基本要求

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵

3.1 散料儲存罐的設(shè)計(jì)及布置

在散料系統(tǒng)中，散料儲存罐是整個系統(tǒng)最主要也是最關(guān)鍵的設(shè)備，合理的設(shè)計(jì)和布置散料儲存罐將有助于整個系統(tǒng)的良好運(yùn)轉(zhuǎn)。

散料儲存罐的容積與尺寸是根據(jù)鉆井平臺總的存儲量、罐體數(shù)量以及布置位置設(shè)計(jì)的。其布置位置可分為露天布置和甲板下封閉區(qū)域：露天區(qū)域的散料儲存罐的尺寸需考慮風(fēng)載及拖航時瞬時加速度對罐體穩(wěn)性的影響；如安裝在甲板下封閉區(qū)域，需考慮散料房間的面積及層高。所有的散料儲存罐通常都沿平臺對稱布置，以保證平臺整體穩(wěn)性。

散料儲存罐屬于壓力容器，應(yīng)配有本地和遠(yuǎn)程壓力指示，同時設(shè)計(jì)安全閥或爆破片裝置：爆破片裝置一般只在露天區(qū)域使用，如果散料儲存罐布置在封閉區(qū)域，則必須使用安全閥，并通過管子排放到露天區(qū)域。封閉區(qū)域應(yīng)有足夠的通風(fēng)，避免供氣系統(tǒng)的泄露或管路破損造成的壓力過大。在建的S116E項(xiàng)目要求滿足ASME VIII DIV I 2013。因項(xiàng)目入級ABS，散料儲存罐在ABS MODU（美國船級社移動式鉆井單元規(guī)范）中需要取得對應(yīng)的證書。

所有散料罐都應(yīng)配有重量或體積測量裝置和高位報(bào)警。對于重量測量的實(shí)現(xiàn)，最常見的是使用 3個或4個稱重傳感器，最終重量取幾個稱重傳感器的平均值，以減少測量誤差。此外，應(yīng)配有手動測量裝置。

根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，罐體在每次使用后都會在罐底及罐壁殘留部分散料，如果處理不當(dāng)，在潮濕環(huán)境下散料會結(jié)塊，影響輸送的效果。因此，罐體常配有流化床，以防止散料的沉積，降低?；衣?，最大?；衣什粦?yīng)超過1.5%[3]。

散料罐進(jìn)料口和出料口的位置需要根據(jù)罐體的實(shí)際布置進(jìn)行調(diào)整，以便于合理布置整個輸料管線的方位。人孔及扶梯應(yīng)在便于操作者到達(dá)的位置，其他儀表等盡量布置在扶梯或走臺附近，便于人員觀察或檢修。罐體內(nèi)部則盡量減少梯子、支撐等附件，以免影響這個罐體的吹灰效果。

散料儲存罐、緩存罐和粉塵收集器等整個系統(tǒng)應(yīng)有相同的設(shè)計(jì)壓力，同時滿足系統(tǒng)的輸料能力的要求。

3.2 管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

散料系統(tǒng)屬于氣力輸送系統(tǒng)，以壓縮空氣作為動力，在一定壓力差的作用下，使散料沿管路輸送到指定位置。散料系統(tǒng)所需的壓縮空氣要求較高，其壓力與露點(diǎn)需要特殊考慮，不恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)對散料輸送的能力有明顯的影響[4]。在有些項(xiàng)目，如WORKHORSE自升式鉆井平臺，會配有專門的散料系統(tǒng)的空壓機(jī)和空氣瓶。此時，供氣系統(tǒng)應(yīng)考慮在壓縮機(jī)損失情況下的供氣能力。

散料在散料儲存罐和供給船雙向輸送之間可雙向傳輸，這是強(qiáng)制性要求。為滿足維護(hù)檢修的要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足安全隔離任意一個罐體或部分的要求。散裝泥漿輸送系統(tǒng)和散裝水泥輸送系統(tǒng)之間應(yīng)隔離，2個子系統(tǒng)之間在特殊情況下應(yīng)配有可拆卸的聯(lián)結(jié)，例如井控時，用固井泵來混合和輸送重晶石塞。建議設(shè)計(jì)從供給船到散料緩沖罐的管線，以便滿足應(yīng)急需要。

對于安全閥泄放管線，應(yīng)避免散裝物料堵塞，一般將管子設(shè)計(jì)成向下傾斜或安裝助吹管線。在P&ID原理圖中也應(yīng)標(biāo)示，提示操作人員隔一段時間需對PSV管線進(jìn)行助吹，清理管線，防止管線堵。排出管的出口需遠(yuǎn)離通風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口和人員居住區(qū)。所有排出管（除安全泄放口）都需經(jīng)過粉塵收集器，以便盡可能的從粉塵收集器中回收散料。

所有散料管線（包括透氣管）應(yīng)設(shè)計(jì)成低流阻，減少管線長度和彎頭數(shù)量，并盡量使用 45°或 30°彎頭替代90°彎頭。所有散料輸送管路所采用的彎頭應(yīng)最少5倍管徑，可以避免管路的磨損和散料堆積，透氣管線則應(yīng)選取至少3倍管徑的彎頭。散料系統(tǒng)的駁運(yùn)支管上通常采用“Y”、“△”接頭（見圖3和圖4）。

在散料管線上，還常常設(shè)計(jì)額外的用于助吹管線的快速接頭。長管線或彎頭處也應(yīng)該可拆卸，便于清除管路堵塞的散料。與罐體連接處需采用唯特利接頭等柔性連接，否則會影響稱重傳感器的稱重。

在散料輸送系統(tǒng)中，常使用氣動遙控閥，一般由執(zhí)行器、電磁閥、閥體三部分組成。系統(tǒng)中使用的氣動遙控閥包括如下三種：

1）單作用開關(guān)閥，在失電和失氣狀態(tài)下會在內(nèi)部彈簧的作用下保持關(guān)閉狀態(tài)，一般用作散料罐的出料閥和壓縮空氣的控制閥，常使用蝶閥；

2）雙作用開關(guān)閥，在失電和失氣狀態(tài)下保持原有開關(guān)狀態(tài)，一般用作散料罐的進(jìn)料閥和進(jìn)氣閥以及管線的隔離閥，常使用蝶閥；

3）單作用比例閥，通過4 mA～20 mA的電信號控制閥門0%～100%的開度，一般用作輸料管線的助吹閥，常使用球閥。

當(dāng)?shù)y用于散料輸送和空氣供給時，不建議使用開度控制，因?yàn)樵谏⒘陷斔凸芫€上，蝶閥閥片容易磨損，如需開度控制（如出料閥）則可使用夾管閥。而對于空氣供給管線，空氣的流量與閥的開度的線性度太低，如需開度控制（如助吹閥）則可使用球閥。

整個系統(tǒng)的詳細(xì)輸送能力需要根據(jù)實(shí)際的管線布置情況進(jìn)行校核。閥門、彎頭、“Y”、“△”接頭等的數(shù)量以及管子的整體長度都會影響管線阻力，從而會對散料的輸送造成影響：過大的管線阻力會使得散料堵塞輸送管線；過多的壓縮空氣會減少散料的密度，從而也影響了輸送散料的實(shí)際數(shù)量；過少的壓縮空氣則會使得散料密度太大，引起管線堵塞[5-6]。

3.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著海洋工程自動化要求的提高，整個散料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少手動操作。使用PLC控制模塊及HMI操作界面，實(shí)現(xiàn)對散料系統(tǒng)的自動控制。在設(shè)計(jì)時，應(yīng)特別注意環(huán)境溫度、IP等級、防爆等級等要求。以下以鉆井設(shè)備提供商HICO提供的控制系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹和說明。

該項(xiàng)目控制系統(tǒng)由3個遠(yuǎn)程I/O及閥控箱、1個顯示及數(shù)據(jù)采集箱、1個水泥系統(tǒng)操作盤組成。

泥漿控制系統(tǒng)可以檢測和/或控制如下功能：

1）控制壓縮空氣的閥門，給散料儲存罐充氣，以達(dá)到散料儲存罐額定的工作壓力；

2）控制管線中的閥門，散料在散料儲存罐間駁運(yùn)；

3）調(diào)節(jié)助吹閥門開度，調(diào)節(jié)輸送速率；

多中心點(diǎn)是商業(yè)中心點(diǎn)、市場、大公園、小游園、文化遺跡等多個有特色的中心點(diǎn)。中心點(diǎn)作為城市活力的象征、人流聚集地的存在，也是城市形象的重點(diǎn)打造區(qū)。

4）通過調(diào)節(jié)出料口來調(diào)節(jié)輸送速率；

5）罐體內(nèi)高位報(bào)警；

6）監(jiān)測罐體內(nèi)物料重量；

7）補(bǔ)償升沉和傾斜運(yùn)動對重量影響；

8）基于給定標(biāo)準(zhǔn)的散料密度將重量轉(zhuǎn)換為體積；

9）監(jiān)測罐體中的壓力；

10）監(jiān)測閥門的狀態(tài)；

泥漿控制系統(tǒng)可以自動完成如下檢測和/或控制功能：

1）給空罐加注額定的散料；

2）散料儲存罐之間駁運(yùn)額定的量；

3）給有一定余料的罐體加注額定的量；

4）在一定額度限制（設(shè)置高低位點(diǎn)）之間加注散料；

5）自動控制罐體之間的閥門；

6）自動清空粉塵收集罐；

7）在完成輸灰后，自動掃除管線中的余料；

8）罐體過壓的自動保護(hù)。

另外，散料控制系統(tǒng)與泥漿混合系統(tǒng)一起完成如下自動化功能：

1）緩沖罐自動分批混合，此過程可以與從散料儲存罐到緩存罐的加注過程同時進(jìn)行；

2）緩沖罐自動密度混合，此過程可以與從散料儲存罐到緩存罐的加注過程同時進(jìn)行。

4 結(jié)論

合理設(shè)計(jì)和布置鉆井散料系統(tǒng)，對鉆井平臺有著重要的影響，對散料輸送管線的設(shè)計(jì)和布置應(yīng)優(yōu)先考慮，保證系統(tǒng)的安全可靠性。本文結(jié)合大連中遠(yuǎn)船務(wù)建造的S116E系列自升式鉆井平臺，對散料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，對以后鉆井平臺的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒和參考價值。

[1]柳金庫.海洋平臺氣力輸灰系統(tǒng)淺談[J].科技視界, 2014, (11): 312-312.

[2]寧俊, 佟國志, 石銀輝.深水鉆井船散料輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].船舶工程, 2014, (S1): 190-194.

[3]NK.NORSOK Standard D-001: Drilling Facilities[S].2012.

[4]林江.氣力輸送系統(tǒng)流動特性的研究[D].杭州: 浙江大學(xué), 2004.

[5]傅磊.散料的流動性及其在彎管中氣力輸送的研究[D].遼寧大連: 大連理工大學(xué), 2000.

[6]李詩久, 周曉軍.氣力輸送理論與應(yīng)用[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

Design and Analysis for Marine Bulk Handling System

SUN Jingyang, YU Ya, WANG Tianlong
(COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China)

The marine bulk handling system is pneumatic conveying system, which is one main part of offshore drilling system and one main index to evaluate the capacity of mud mixing and drilling capacity of the drilling unit.In the article, the key points and difficult points of the design of the bulk storage tank, pipe routing, control system is analyzed and summarized based on the construction practice of S116E series of jack-up drilling unit of COSCO (Dalian) Shipyard.

offshore engineering; bulk handling system; design analysis

U674.38+1，N945.23

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.010

孫景陽（1990—），男，助理工程師。研究方向：機(jī)械設(shè)備及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。