自升式鉆井平臺(tái)海水提升潛水泵的設(shè)備選型及使用要點(diǎn)研究

楊 奧，鄒世光，盧 方（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

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自升式鉆井平臺(tái)海水提升潛水泵的設(shè)備選型及使用要點(diǎn)研究

楊 奧，鄒世光，盧 方
（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

摘 要：以大連中遠(yuǎn)船務(wù)在建的自升式鉆井平臺(tái)系列為例，結(jié)合市場(chǎng)上的主流海水提升潛水泵的技術(shù)細(xì)節(jié)，探索出一整套滿足船級(jí)社相關(guān)規(guī)范要求的典型海水提升潛水泵的設(shè)備選型及使用要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：自升式鉆井平臺(tái)；海水提升；潛水泵；選型使用

0 引言

作為自升式鉆井平臺(tái)的最基本、最重要的一個(gè)系統(tǒng)，海水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理、高效、穩(wěn)定直接決定了整個(gè)鉆井平臺(tái)工作的可靠性和穩(wěn)定性。而該系統(tǒng)的核心設(shè)備——海水提升潛水泵的選型設(shè)計(jì)及使用更是設(shè)計(jì)的重中之重。

本文主要研究自升式鉆井平臺(tái)在不同操作工況下潛水泵的選型要點(diǎn)、計(jì)算要求、使用要點(diǎn)等，通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的實(shí)施檢驗(yàn)，總結(jié)出一套自升式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目潛水泵的設(shè)備選型、操作維護(hù)指導(dǎo)，為其他同類項(xiàng)目提供技術(shù)參考和應(yīng)用實(shí)例。

1 鉆井平臺(tái)服務(wù)工況簡(jiǎn)介

與船用項(xiàng)目不同，自升式鉆井平臺(tái)的工作狀態(tài)比較復(fù)雜，各狀態(tài)下對(duì)海水需求和壓力輸出也不盡一致。結(jié)合自升式鉆井平臺(tái)的特性，共分為漂浮狀態(tài)（主要存在于平臺(tái)處于托航或調(diào)整位置時(shí)）、預(yù)壓載狀態(tài)（主要存在于平臺(tái)定位后，樁靴壓入海床時(shí)）、升降狀態(tài)（主要存在于平臺(tái)定位后平臺(tái)處于起升或平臺(tái)準(zhǔn)備拖移前主船體下降時(shí)）、鉆井狀態(tài)（此狀態(tài)主要存在于平臺(tái)起升后，各設(shè)備系統(tǒng)均處于正常時(shí)）等四個(gè)狀態(tài)進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1。

2 海水提升潛水泵介紹

2.1功能說(shuō)明

為保證穩(wěn)性要求，減少海浪沖擊，自升式鉆井平臺(tái)在正常鉆井作業(yè)時(shí)，通常主船體底部距離海水表面會(huì)留有一定的抬高（氣隙）。所以為了從低于主船體及海水閥箱位置的海平面下取水，用于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的冷卻、預(yù)壓載、消防等系統(tǒng)功能，需要設(shè)置專用的海水提升潛水泵以實(shí)現(xiàn)海水的輸送。

2.2配置情況

根據(jù)ABS MODU（美國(guó)船級(jí)社移動(dòng)式鉆井單元規(guī)范）第4章第2節(jié)25.1段的規(guī)范要求，對(duì)于冷卻水或者消防系統(tǒng)等重要用戶的供水需求，至少應(yīng)提供兩種水源供應(yīng)，且每臺(tái)泵的能力可以在另一臺(tái)泵失效時(shí)，仍然可以滿足提供全部海水的需求。一般來(lái)說(shuō)，自升式鉆井平臺(tái)配置有三臺(tái)海水提升潛水泵，分布在鉆井平臺(tái)的三條樁腿處，分別從海平面下取水，注入共用的海水環(huán)管，供給整個(gè)平臺(tái)的各相關(guān)系統(tǒng)使用。正常鉆井工況下，使用一臺(tái)潛水泵，另兩臺(tái)備用；預(yù)壓載工況下，由于海水需求量較大，一般使用兩臺(tái)潛水泵，第三臺(tái)備用，個(gè)別項(xiàng)目在預(yù)壓載時(shí)采用第四臺(tái)舷外安裝大排量潛水泵以滿足預(yù)壓載速率的要求。

2.3分類情況

按潛水泵的安裝和提升形式大致分為樁腿安裝潛水泵和絞盤安裝潛水泵。

考慮排量的要求，鉆井平臺(tái)的海水提升潛水泵一般為離心泵形式，根據(jù)壓頭的大小確定離心泵的級(jí)數(shù)。

2.4維護(hù)情況

絞盤安裝潛水泵通過(guò)絞盤即可實(shí)現(xiàn)潛水泵本體的升降，只需要對(duì)應(yīng)的電力或壓縮空氣氣源即可，相對(duì)簡(jiǎn)單。由于與數(shù)十米長(zhǎng)的海水套管連接，樁腿安裝潛水泵一般考慮用甲板吊車或絞車、手動(dòng)葫蘆的方式，借助工具待整個(gè)套管被整體拉出或分段拆除后，才能維護(hù)處于最底部的泵體。

2.5實(shí)際使用情況

根據(jù)平臺(tái)使用工況分類，樁腿安裝海水提升潛水泵在漂浮狀態(tài)一般放置于樁靴上，待平臺(tái)起升到合適位置時(shí)，將主甲板上的鎖緊裝置置于水平狀態(tài)，令其與潛水泵上的托板對(duì)位固定，潛水泵與鉆井平臺(tái)主船體保持相對(duì)靜止。在鉆井平臺(tái)需要移位時(shí)，在主甲板降至合適位置時(shí)將泵體放置于樁靴上，將鎖緊裝置置于垂直鎖定狀態(tài)。從海水套管到海水系統(tǒng)環(huán)管的取水連接，需要通過(guò)跨界軟管實(shí)現(xiàn)。

2.6安裝情況

圖1　自升式鉆井平臺(tái)的工作狀態(tài)

樁腿安裝潛水泵一般安裝于樁腿一側(cè)的兩條沖樁管線之間，以導(dǎo)軌滑動(dòng)；為保證穩(wěn)定固定于海水套管上，電纜需要以一定間距，以內(nèi)襯不銹鋼卡扣的橡膠電纜扎帶連接（需特別注意海水套管的連接法蘭、取水口法蘭處的電纜轉(zhuǎn)彎半徑以及在升降過(guò)程中可能引起的電纜機(jī)械損傷），或采取在海水套管上均勻焊接扁鐵的形式安裝電纜，為連接方便，可以考慮在海水套管各連接法蘭處開電纜通過(guò)的電纜槽。

絞盤安裝潛水泵一般安裝于絞盤和軟管的Y型接頭上，以電馬達(dá)或氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。一般按成撬設(shè)備訂貨，船廠僅需將設(shè)備基座安裝于甲板面上，將絞盤海水出口與鉆井平臺(tái)上的管線連接即可。

2.7海水提升泵的材料選型

考慮到潛水泵的使用環(huán)境，泵軸常選擇機(jī)械性能更優(yōu)的雙相不銹鋼，外殼和葉輪常用更耐海水腐蝕的鎳鋁青銅材質(zhì)。

3 海水提升潛水泵排量計(jì)算

通過(guò)對(duì)自升式鉆井平臺(tái)的主要使用工況（漂浮狀態(tài)、預(yù)壓載狀態(tài)、起升狀態(tài)、鉆井狀態(tài)等）的設(shè)備系統(tǒng)工作要求和所需條件等進(jìn)行分析、研究，總結(jié)出如下設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求。

3.1漂浮狀態(tài)

此狀態(tài)時(shí)，基本海水用戶包括主發(fā)電機(jī)組燃油冷卻器、空調(diào)冷藏的制冷單元、空壓機(jī)、衛(wèi)生系統(tǒng)，其他主要海水用戶處于非工作狀態(tài)。以大連中遠(yuǎn)船務(wù)的自升式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目為例，在漂浮狀態(tài)，海水需求量計(jì)算過(guò)程如下：

1）燃油冷卻器：燃油冷卻器的配置為2×100%，正常使用一臺(tái)，備用一臺(tái)，水量需求為15 m3/h；

2）冷水機(jī)組：冷水機(jī)組的配置為2×100%，正常使用一臺(tái)，備用一臺(tái)，水量需求為180 m3/h；

3）衛(wèi)生水壓力水柜：按平臺(tái)上的實(shí)際人員需求為5 m3/h；

4）水冷空壓機(jī)組：平臺(tái)上配置有三臺(tái)水冷空壓機(jī)組、兩臺(tái)風(fēng)冷、一臺(tái)水冷，總冷卻海水用量需求為216.3 m3/h。

3.2預(yù)壓載狀態(tài)

此狀態(tài)時(shí)基本海水用戶包括主發(fā)電機(jī)組燃油冷卻器、空調(diào)冷藏的制冷單元、空壓機(jī)、衛(wèi)生系統(tǒng)，其他主要海水用戶處于非工作狀態(tài)。以大連中遠(yuǎn)船務(wù)的自升式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目為例，在預(yù)壓載狀態(tài)，海水需求量計(jì)算過(guò)程如下：

1）燃油冷卻器：燃油冷卻器的配置為2×100%，正常使用一臺(tái)，備用一臺(tái)，水量需求為15 m3/h；

2）冷水機(jī)組：冷水機(jī)組的配置為2×100%，正常使用一臺(tái)，備用一臺(tái)，水量需求為180 m3/h；

3）衛(wèi)生水壓力水柜：按平臺(tái)上的實(shí)際人員需求為5 m3/h；

4）水冷空壓機(jī)組：平臺(tái)上配置有三臺(tái)水冷空壓機(jī)組，兩臺(tái)風(fēng)冷，一臺(tái)水冷，總冷卻海水用量需求：通過(guò)上式計(jì)算得出海水需求量為216.3 m3/h。

3.3升降狀態(tài)

此狀態(tài)下基本海水用戶包括主發(fā)電機(jī)組燃油冷卻器、空調(diào)冷藏的制冷單元、衛(wèi)生系統(tǒng)，其他主要海水用戶處于非工作狀態(tài)。以大連中遠(yuǎn)船務(wù)的自升式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目為例，在升降狀態(tài)，海水需求量計(jì)算過(guò)程如下：

1）燃油冷卻器：燃油冷卻器的配置為2×100%，正常使用一臺(tái)，備用一臺(tái)，水量需求為15 m3/h；

2）冷水機(jī)組：冷水機(jī)組的配置為2×100%，正常使用一臺(tái)，備用一臺(tái)，水量需求為180 m3/h；

3）衛(wèi)生水壓力水柜：按平臺(tái)上的實(shí)際人員需求為5 m3/h。

3.4鉆井狀態(tài)

此狀態(tài)下基本海水用戶包括主發(fā)電機(jī)組燃油冷卻器、空調(diào)冷藏的制冷單元、衛(wèi)生系統(tǒng)、造水機(jī)、泥漿泵缸套及滑油冷卻系統(tǒng)、空壓機(jī)、消防泵、變頻器、DRAWWORKS剎車?yán)鋮s系統(tǒng)，主要海水用戶處于工作狀態(tài)。以大連中遠(yuǎn)船務(wù)的自升式鉆井平臺(tái)項(xiàng)目為例，在鉆井狀態(tài)，海水需求量計(jì)算過(guò)程如下：

1）燃油冷卻器：燃油冷卻器的配置為2×100%，正常使用一臺(tái)，備用一臺(tái)，水量需求為15 m3/h；

2）冷水機(jī)組：冷水機(jī)組的配置為2×100%，正常使用一臺(tái)，備用一臺(tái)，水量需求為180 m3/h；

3）衛(wèi)生水壓力水柜：按平臺(tái)上的實(shí)際人員需求為5 m3/h；

4）水冷空壓機(jī)組：平臺(tái)上配置有三臺(tái)水冷空壓機(jī)組、兩臺(tái)風(fēng)冷、一臺(tái)水冷，總冷卻海水用量需求：通過(guò)上式計(jì)算得出海水需求量為216.3 m3/h；

5）造水機(jī)：兩臺(tái)反滲透式造水機(jī)的配置是2×100%，正常使用一臺(tái)，備用一臺(tái)，水量需求為8.2 m3/h；

6）高壓泥漿泵：平臺(tái)上配置有三臺(tái)高壓泥漿泵，缸套清洗水海水需求量為81.9 m3/h，滑油冷卻器海水需求量為3×27.3=81.9（m3/h）。所以三臺(tái)泥漿泵的總海水需求量為81.9+81.9=163.8（m3/h）；

7）絞車：絞車齒輪箱滑油冷卻海水需求量為39.7 m3/h；

8）消防：按規(guī)范，需要考慮兩套消防水龍帶的海水需求，根據(jù)訂貨噴嘴參數(shù)，共需50 m3/h；

9）高壓泥漿泵及鉆臺(tái)設(shè)備變頻器（VFD）：一套高壓泥漿泵和鉆臺(tái)設(shè)備變頻器的海水冷卻需求為46 m3/h。

所以，鉆井工況下的海水需求總量為：15+180+5+16.3+8.2+163.8+39.7+240+46=714（m3/h）

綜合各工況下的海水耗量，經(jīng)綜合對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

表1　各工況下海水耗量需求表

通過(guò)對(duì)比各工況海水需求量分析，本項(xiàng)目潛水泵選擇三臺(tái)400 m3/h，揚(yáng)程71 m的二級(jí)離心式潛水泵，滿足兩臺(tái)正常工作，一臺(tái)處于備用。

3 海水提升潛水泵壓頭計(jì)算

根據(jù)規(guī)格書的主甲板海水預(yù)留壓力要求、平臺(tái)氣隙、目標(biāo)海域浪高等參數(shù)，通過(guò)預(yù)估在對(duì)應(yīng)排量時(shí)的管路沿程阻力和局部阻力，結(jié)合各海水冷卻設(shè)備的最大許用壓力要求，最終得出泵的壓頭需求。

至此，確定海水提升潛水泵的排量和壓頭選型值：400 m3/h×71 m。

表2　海水提升潛水泵壓頭計(jì)算表

圖2　海水系統(tǒng)管路布置圖

表3　海水系統(tǒng)管路沿程阻力、局部阻力計(jì)算表

表4　海水提升潛水泵實(shí)際選型的數(shù)據(jù)表及流量—壓力性能曲線

圖3　海水提升潛水泵實(shí)際選型的數(shù)據(jù)表及流量—壓力性能曲線

4 結(jié)論

海水提升潛水泵的選型及使用決定了整個(gè)自升式鉆井平臺(tái)的海水系統(tǒng)的成敗，由于海水用戶和使用工況的多樣性，也一直是平臺(tái)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。本文通過(guò)基于實(shí)際項(xiàng)目的計(jì)算分析，總結(jié)出海水提升潛水泵的設(shè)計(jì)選型及使用要點(diǎn)，相信對(duì)同類項(xiàng)目有著充分的借鑒作用。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，所有計(jì)算分析過(guò)程和實(shí)際使用情況均符合預(yù)期，理論與實(shí)際得到了相互印證。

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中圖分類號(hào)：U674.38+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.14141/j.31-1981.2016.03.006

作者簡(jiǎn)介：楊?yuàn)W（1984—），男，在職研究生，工程師，研究方向：船舶動(dòng)力系統(tǒng)、船舶系統(tǒng)等方面的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

Research of Key Points of Selection and Application of Raw Water Lift Submersible Pump on Self-Elevating Jack-up Rigs

Yang Ao， Zou Shi-guang， Lu Fang
（COSCO Dalian Shipyard Co.， Ltd.， Liaoning Dalian 116113， China）

Abstract：Taking the actual jack-up rig which are being built in COSCO （Dalian） Shipyard as an example，combining with the technical details of regular raw water lift submersible pumps on the market， the paper concludes a full set of key points of selection and application of the submersible pumps.

Key words：self-elevating jack-up rig； raw water lift； submersible pump； selection and application