半潜驳排压载系统的设计与应用

半潜驳排压载系统的设计与应用

0半潜船舶排压载系统半潜水和半潜水船底潜和浮浮的共同点是，通过实施排压载系统的注水，水道从船上的压载水室中注水，然后沉入船上。从压载水室向外排水，船舶起浮。笔者在本文中仅就半潜驳和半潜船排压载系统的技术问题进行讨论,因此文中把半潜驳和半潜船统称为半潜船舶。本文就半潜船舶压载系统的构成、性能和使用实践,对近20a经历的半潜船舶排压载系统做初步讨论,以供业内同仁参考。本文涉及的中交一航局半潜驳、中交“希望之路”半潜船和舟山“38000吨级自航半潜船”,是1994—2012年先后由国内自主开发设计建造的,涉及到两个城市的4个设计院,鉴于知识产权归属和合同的约定,本文不涉及设计计算和设计图纸等专项资料。1半潜驳的设计结构在沉箱大型化趋势崭露头角的1994年,一航局立项开发“大型沉箱出运下水的工艺和装备”,到2011年,先后开发设计建造并且投入使用的半潜驳共8艘,举力分别为1200t、3000t、4000t、5000t、6000t、7000t、10000t等,包括搭岸式、坐底式和两者兼备的结构型式。1.1半埋压载的动力源以上半潜驳排压载的动力源都是压载水泵,即业内所称的“水排”。1.2计压载舱的数量和布置根据举力大小和从船舶设计吃水到最大潜深及时间等使用性能要求,计算确定压载水总量和设计压载舱的数量与布置。一航局8艘半潜驳的最大潜深18.70~23.50m,主甲板(A甲板)吃水在14.2~18.0m之间,从船舶设计吃水到最大潜深的时间(单过程)在90~150min范围内。举力最大的一艘半潜驳压载水总量27189.5m3。1.3半潜驳的压载泵半潜驳以下要素的匹配很重要:1)压载泵的形式、台数、规格(包括排量和扬程);2)排压载系统的海底门(海底阀箱)规格、数量和布置;3)排压载系统的管系通径和压载舱空气系统与排压载系统的匹配性。以上三者相互影响和制约,需要在详细计算的基础上充分论证和优化。以上半潜驳的压载泵都是立式离心泵,均为国内设计和制造。每艘半潜驳的压载泵4~8台,每台压载泵的排量在1000~1500m3/h范围,扬程在12.0~16.5m范围内。排压载系统的海底门少者2个、多者8个。海底门的设置有两个基本模式:其一、4台压载泵设置2个海底门;其二、8台压载泵设置8个海底门,每台压载泵独立设置一个海底门水箱,海水管伸入海底门水箱,海水管口对准海底格栅,排水可以直接冲洗海底格栅。当然,还有压缩空气作为吹洗海底格栅的备用,在管系设置上,把海水总管上的隔断阀关闭,每台压载泵保持各自系统的独立作业。压载系统管系的通径有若干规格,如DN250mm、DN350mm、最大的总管通径不超过DN450mm。1.4压载系统排水方法排压载系统采用打开海底门自然进水和压载泵强制排水方式,同时,具备压载泵强制进水的能力;动力泵站的压载泵可以单动、可以联动且互为备用。1.5压载泵和插装阀的控制设计压载水系统设置压载泵和真空自吸装置、电液式蝶阀遥控装置、电磁控制阀箱、蝶阀及驱动头、液压泵站、压载水舱测量装置,设置船体吃水数据和压载水系统数据采集、传输、处理、显示、储存和控制系统,设置相应的报警系统、电视监视系统。以上基本上都是国产设备。8艘半潜驳的压载泵及各蝶阀均实施集中控制,中央控制台和集控台显示蝶阀的启闭和开度、泵的出口压力、排压载系统动态模拟流程图。各个蝶阀还有就地控制和手动应急泵的应急控制功能。每个压载舱液位采用吹气遥测装置测深系统,测量数据经工控机处理后,在中央控制台和集控台的显示屏上显示。为了尽量消除由于大排量而引起压载舱内吸口周围旋涡,除了控制每个压载舱蝶阀的开度以外,每一台压载泵进出口各设2只蝶阀,以满足不同工况的进排水量化的需要。从8艘半潜驳的使用效果看,排压载系统的技术性能一直很好,完全能够满足大型沉箱出运下水的施工需要,试验和使用过程中的各项技术指标,完全符合设计的技术要求,震动和噪音也很小,应当肯定该系统技术设计的基本经验。1.6船舶扫舱系统虽然排压载系统能够尽可能减少压载舱内所剩残余水量,但是,为了尽量减少剩余水量、消除自由液面对船舶稳性的影响,8艘半潜驳均设置了船舶扫舱系统。2中交“希望之路”半潜船压载系统的技术要点中交“希望之路”半潜船是2008—2009年国内自行开发设计的第一艘远洋半潜船,载重量20000t。2.1动力源的选择排压载的动力源是排压载空压机即业内常说的“气排”。2.2单动和联动排压载空气系统的主要技术参数:设置4台排压载空压机(此处加上“排压载”的前缀是为了区别船上的其他空压机),可以单动也可以联动;排压载空压机型号为ALG-6v-1.75,容积流量3600m3/h,排气压力0.175MPa,进气压力0.055/0MPa,冷却方式为水冷(冷却水压力0.4~0.6MPa),冷却后排气温度<50℃。2.3排压载钻机室在船舶艏段(艏楼)E甲板设置专门的排压载空压机室(以压载水泵为动力源的半潜船,泵舱设置在A甲板以下机舱附近)。每台排压载空压机的尺寸是L/W/H3700/1900/1990mm,重量8000kg/台。排压载空压机室的进气管通径DN250mm,排气管通径DN200mm。电机功率160kW,启动方式为直接启动。排压载空压机电源6000V/50Hz/3ph/3准,遥控或者机旁控制。2.4空气通径及管通径系统设置由压力释放阀及真空阻断阀组成压力/真空阀;设置气旋式气水分离器;100多个电液式遥控碟阀布置在压载水系统和空气系统中,碟阀的通径为DN32mm、DN40mm、DN50mm、DN100mm、DN125mm、DN150mm、DN200mm、DN250mm;空气管通径为DN100mm、DN125mm、DN150mm、DN200mm、DN250mm;压载水舱的压缩空气分配总管DN800mm;压载水管通径主要是DN32mm、DN40mm、DN50mm;阀门开启点与全开点的压力差为0.01MPa。2.5压载水室几十个压载水舱,每个压载水舱单独通海。上、中、边、下压载水舱的管系规格各有区别。2.6压载水舱底水每个压载水舱的船体结构剖面图相当于“菱形”,压载水舱结构船板是斜的,底是“尖的”(以压载水泵为动力源的半潜船,压载水舱底板基本上是平的);加上动力源是压缩空气和每个压载水舱单独通海,以压缩空气排水之后,基本上可以把舱底水排净,因此不需要设置扫舱(舱底水)系统,自由液面的影响可以控制到最小。该船2011年投入运营以来,技术状态一直很好,实践表明其排压载系统的技术是成功的。3机运行状态“38000吨级自航半潜船”是2010—2011年国内自行设计的远洋半潜船,2012年8月投入运营,前5个月左右的时间里,完成了新加坡、澳大利亚、印度尼西亚、西非尼日利亚等5个航次的远洋运输,状态良好。其排压载系统的动力源是压载水泵,因此技术原理和要素与上述半潜驳大同小异,需要提及的特点如下:3.1调载泵水泵全船设置压载系统、调载系统、扫舱(舱底水)系统;在A甲板以下机舱后部设置4台压载水泵形成泵组(立式离心泵),每台压载泵的流量3200m3/h、扬程25.0m;泵的进口直径600mm,泵的出口直径500mm;电机功率315kW;泵组配备两套真空自吸装置(一用一备);设置2台调载泵,每台调载泵的技术规格为500m3/h、0.4MPa;压载泵之间、压载泵与调载泵之间均可以实施切换。3.2dn00mm、dn400、dn400mm、dn400mm、dn3000压载水系统的遥控蝶阀(对夹式)通径为DN150mm、DN200mm、DN250mm、DN300mm、DN350mm、DN400mm、DN700mm、DN900mm、DN1000mm、DN1200mm。压载水系统管系通径为DN150mm、DN200mm、DN250mm、DN300mm、DN350mm、DN400mm、DN600mm、DN700mm、DN900mm、DN1000mm、DN1200mm。舱底水系统的管系通径规格小者DN32mm、DN40mm,大者DN250mm、DN300mm。3.3dn3.、dn30、dn4压载水舱的空气管和空气管头的规格为DN250mm、DN300mm、DN350mm、DN400mm。空气管头的出口安装在艏楼(艏段)B甲板与C甲板之间,B甲板距船舶基线25600mm,C甲板距基线28400mm(船长约200m)。3.4压延系统的配置排压载系统设置2个海底门,4台压载泵和2台调载泵都具备调整压载水的能力,操作时或使用压载泵或使用调载泵(二者可以切换)。3.5种压载泵同时作业的难点在船体结构强度试验、压载水舱空气管系统试验、船舶潜浮试验过程中,理论上4台压载泵可以同时作业,实际上有困难,特别是在大排量的工况下,压载舱内吸口周围容易产生旋涡、系统中容易产生附加的震动和噪音。4采用“气排”方案1)多年的设计开发和施工实践表明,中交一航局半潜驳的排压载系统,完全能够满足设计和使用的技术要求;以压载水泵为动力源的排压载技术方案(即所谓“水排”)是成功的;举力10000t及其以下的半潜驳的排压载系统选择“水排”方案是适宜的。2)理论分析和“希望之路”的实践表明,对于以空压机为动力源的排压载方案(即所谓“气排”),做如下技术分析:(1)由于压载水舱的船底板是相对“尖的”,加上“气排”的正压和负压效应,在不设置扫舱(舱底水)系统的情况下,能够保障舱底水基本排净,最大限度消除自由液面的影响,提高船舶稳性。(2)由于每个压载水舱单独通海,压载水系统的蝶阀、管系可以显著“瘦身”(即规格少、通径小);压载水注入和排出路径相对较短、各个压载水舱的排量相对较小