某鉆井船冰區(qū)海底門設(shè)計

黃 吉 于再紅

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

據(jù)美國地質(zhì)勘探局（USGS）2008年的評估報告，北極地區(qū)擁有待發(fā)現(xiàn)石油技術(shù)可采儲量900億桶，天然氣技術(shù)可采儲量超過47萬億立方米，占全球未探明石油儲量的13%和未開采天然氣儲量的30% ，此外還有440億桶天然氣液態(tài)產(chǎn)物。［1］北極因其巨大的油氣勘探開發(fā)潛力已成為國際大油公司積極探索的領(lǐng)域，殼牌、埃克森美孚、BP等石油巨頭紛紛搶灘北上，爭相進入北極。我國也在深海乃至極地油氣資源勘探開采中加大投入，研究、開發(fā)、建造了一批深海鉆井平臺、鉆井船等高端海洋工程裝備。

作為目前國際上最先進的海洋石油鉆井裝置，深水鉆井船的作用已不僅局限于北海、南海等區(qū)域，進軍極地，為我國在極地資源開發(fā)開采中搶占先機與提供支持已成為其必然的歷史使命。然而，極地水域氣候惡劣、浮冰多、氣溫低，天氣條件極其惡劣。寒冷天氣可能降低船上一些設(shè)備的效能，有浮冰時還會對船體、推進系統(tǒng)和附體造成額外的負(fù)荷。［2］因此，船舶設(shè)計中需充分考慮這些因素的影響，對冷卻水、海底門、推進系統(tǒng)等采取相應(yīng)措施，保障船舶在極地區(qū)域正常航行。

海底門在船體中雖然僅占很小一部分，卻是全船所有海水的源頭，為船舶提供冷卻、消防、沖洗等海水，保障船舶正常運行。鑒于其重要性，各大船級社均對冰區(qū)航行船的海底門設(shè)計建造提出具體要求。本文以某鉆井船為例，對其冰區(qū)海底門設(shè)計和特點進行詳細(xì)闡述。

1 規(guī)范要求

目前，IACS參考芬蘭、瑞典冰級2010，設(shè)定相應(yīng)的極地航行船舶入級符號，將極地航行船舶分為PC1～PC7共7個等級。對于常規(guī)冰區(qū)航行船舶，各大船級社均已設(shè)置相應(yīng)入級符號和具體規(guī)范要求。表1為ABS、CCS船級社冰區(qū)海底門要求［3-4］，表2為DNV船級社、IACS極地航行船舶規(guī)范冰區(qū)海底門要求［5-6］。

表1 ABS、CCS船級社冰區(qū)海底門要求

表2 DNV船級社、IACS極地航行船舶規(guī)范冰區(qū)海底門要求

2 鉆井船概況

某鉆井船入ABS船級社，無限航區(qū)，需滿足下述入級符號 ：A1 Drillship， Circle（ E），AMS，ACCU， POT，DPS-3，CDS， OHCM，HELIDK（ SRF），ENVIRO-OS+，GP， MLCACCOM，UWILD，CRC，NIBS，Ice Class C0， HAB（MODU）。

全船共設(shè)有6臺主發(fā)電機組，布置在船上3個A60分隔的機艙，以滿足DPS-3動力定位冗余要求。每臺主發(fā)電機組功率為7 370 kW，柴油機功率7 680 kW。

船上布置有7臺推進器，其中尾部3臺全回轉(zhuǎn)推進器，首部3臺可伸縮推進器，1臺首側(cè)推。

主發(fā)電機組和推進器根據(jù)動力定位冗余分析，分為3個推進鏈。每個推進鏈的冷卻水、燃油、滑油系統(tǒng)均獨立，設(shè)備與管路布置在各分隔艙室內(nèi)。

3 海底門容積

鉆井船要求滿足Ice Class C0冰區(qū)加強，可在0.6 m厚度一年稀疏冰海域獨立航行，在PC5等級以上破冰船引導(dǎo)下，可進入1 m厚度以下一年密集冰海域航行。

ABS船級社C0冰區(qū)加強船舶要求至少有一個為冷卻、消防系統(tǒng)供水的海底門需接一路冷卻水排出管，冷卻水排出管口徑應(yīng)與冷卻總管保持一致，且冰區(qū)海底門需盡量布置在船中靠尾部區(qū)域。但是，ABS對C0冰區(qū)加強海底門具體設(shè)計要求較為籠統(tǒng)，未明確給出海底門容積和高度等設(shè)計依據(jù)。在設(shè)計時參考了CCS和DNV等船級社對類似冰區(qū)等級海底門的規(guī)定。

作為目前最先進的第七代鉆井船，設(shè)計應(yīng)不僅僅考慮滿足規(guī)范的最低要求，還需為我國向極地區(qū)域進發(fā)，搶占極地油氣資源

提供支持。因此，在實際設(shè)計時，海底門還結(jié)合IACS極地航行船舶（入級符號PC7）相關(guān)要求進行設(shè)計、預(yù)留。

DNV和CCS規(guī)定海底門容積應(yīng)足夠大，每750 kW發(fā)動機功率約配1 m3海底門容積。此發(fā)動機功率應(yīng)包括船舶營運所必需的發(fā)動機功率。本船總共設(shè)有6臺柴油發(fā)電機組，單臺發(fā)電柴油機功率7 680 kW，冰區(qū)航行工況下，需開啟4臺主發(fā)電機組為全船供電。鉆井作業(yè)工況下，需開啟5臺主發(fā)電機組。

規(guī)范常規(guī)要求冰區(qū)每個海底門容積設(shè)計應(yīng)考慮全船所有發(fā)動機功率。本船為動力定位船舶，動力定位等級DPS-3。為滿足DPS-3冗余設(shè)計要求，將船上6臺主發(fā)電機組和推進器分為3個推進鏈。6臺發(fā)電機組分別布置在3個由A60分隔的獨立機艙內(nèi)。全船另外設(shè)置3個泵艙，與3個機艙分別對應(yīng)，每個泵艙內(nèi)布置1套獨立的中央冷卻水系統(tǒng)（包括海底門、海水冷卻泵、淡水冷卻泵、中央冷卻器等），服務(wù)于相應(yīng)機艙內(nèi)2臺主發(fā)電機組及同一動力定位推進鏈設(shè)備。

本船結(jié)合DPS-3分組和現(xiàn)有艙室劃分，每個泵艙均設(shè)置2個海底門，其中1個為冰區(qū)海底門，即本船設(shè)置3個冰區(qū)海底門，分別布置在3個獨立的泵艙內(nèi)，每個海底門容積考慮各泵艙對應(yīng)的機艙內(nèi)發(fā)電機組功率之和（2×7 680 kW），每個機艙內(nèi)柴油發(fā)電機組和對應(yīng)推進鏈設(shè)備的冷卻水由對應(yīng)泵艙內(nèi)冰區(qū)海底門提供。

海底門容積最低要求：

（7 680×2）/ 750 = 20.48 m3。

實際選?。?/p>

尾泵艙（P）海底門布置于左舷Fr. 68～Fr. 72（見圖1），容積約32 m3。

圖1 尾部左右泵艙冰區(qū)海底門布置

尾泵艙（S）海底門布置于右舷Fr. 68～Fr. 72（見圖1），容積約32 m3。

首泵艙海底門布置于左舷Fr. 224～Fr. 227（見圖2），容積約55.6 m3。

圖2 首部泵艙冰區(qū)海底門布置

4 海底門高度

ABS、CCS等船級社要求冰區(qū)海底門必須足夠高，以防止浮冰進入泵吸口，但未對海底門和海水總管高度給出定量的規(guī)定。DNV船級社則對于海底門高度、海水總管位置均有具體要求，以保證海底門內(nèi)浮冰漂浮在船體海水系統(tǒng)進口之上。

海底門高度h不得小于，VS即計算可得冰區(qū)海底門最小容積。海水總管位置不得高于海底門頂板以下h/ 3。由此，計算可知：

實際選?。?尾泵艙（P）&（S）海底門（見圖3）高度約5.5 m，海水總管頂部距海底門頂板約1.7 m。

圖3 尾泵艙冰區(qū)海底門

首泵艙海底門（見圖4）高度約6.3 m，海水總管頂部距海底門頂板約1.8 m。

圖4 首泵艙冰區(qū)海底門

5 海底門格柵

ABS對于C0冰區(qū)等級海底門格柵未作要求，DNV、CCS均要求冰區(qū)海底門格柵流通凈面積不小于海水總管截面積的4倍。IACS則要求極地航行船舶冰區(qū)海底門格柵面積不小于海水總管截面積的5倍，本船海底門按IACS極地規(guī)范進行設(shè)計：

（1）尾部海水總管口徑DN550

尾部海底門格柵最小凈面積：

實際選用A450 CB/T615-95格柵4個，單個格柵流通面積比3.10。

（2）首部海水總管口徑DN900

首部海底門格柵最小凈面積：

A500 CB/T615-95格柵6個，單個格柵流通面積比3.03。

6 冷卻水系統(tǒng)

IACS、ABS、CCS和DNV均要求船上冷卻水系統(tǒng)排出管與海底門間設(shè)一根連接管，管子直徑與冷卻水排水管直徑相同。

本船冷卻水系統(tǒng)分為5個子系統(tǒng)：尾部左舷主推進冷卻水系統(tǒng)，尾部右舷主推進冷卻水系統(tǒng)，首部船中主推進冷卻水系統(tǒng)，首部鉆井冷卻水系統(tǒng)，首部空調(diào)和日用冷卻水系統(tǒng)。

冰區(qū)航行工況下，主要運行設(shè)備均按動力定位推進鏈劃分為尾部左舷主推進冷卻水系統(tǒng)，尾部右舷主推進冷卻水系統(tǒng)，首部船中主推進冷卻水系統(tǒng)三個系統(tǒng)。因此，分別從上述三個冷卻系統(tǒng)排出管路接管至相應(yīng)海底門，以消除海底門內(nèi)浮冰。

7 其他要求

除上述要求外，本船冰區(qū)海底門根據(jù)IACS極地規(guī)范，加大海底門透氣管口徑至DN250，透氣管路上設(shè)截止閥，直接與海底門頂板連接。海水進口閥根據(jù)IACS要求采用全流通型閘閥，直接與海底門短管法蘭連接。

IACS規(guī)范要求極地航行冰區(qū)海底門設(shè)置人孔或可拆卸的格柵，人孔應(yīng)位于最深載重水線以上，且冰水箱應(yīng)設(shè)有從上部進入的通道。本船設(shè)置可拆格柵，并在海底門頂部預(yù)留上部空間。尾部海底門可局部延伸至主甲板（約1.4 m×1.4 m），首部海底門可利用上部空艙延伸至主甲板。人員可通過設(shè)置在主甲板的人孔蓋進入海底門清理浮冰。

每個冰區(qū)海底門設(shè)一路蒸汽吹洗，對準(zhǔn)海底門格柵，用于吹洗格柵上雜質(zhì)、消融碎冰。

8 結(jié) 論

隨著極地資源不斷的勘探發(fā)現(xiàn)，極地概念必將日趨火爆。本船雖然最終未能獲取極地航行符號，但在冰區(qū)海底門設(shè)計時已充分考慮了極地航行需求。另外，本船需滿足DPS-3冗余要求，中央冷卻系統(tǒng)相應(yīng)分為三組。設(shè)計時，已不是簡單地按常規(guī)設(shè)置一個冰區(qū)海底門，采用全船功率負(fù)荷來確定海底門的容積，而是結(jié)合本船DPS-3動力定位能力，配置3個冰區(qū)海底門，對應(yīng)船上3個主推進冷卻系統(tǒng)。在任意一個海底門失效的情況下，仍可依靠剩余2個泵艙內(nèi)冰區(qū)海底門供水至對應(yīng)的發(fā)電機組、推進器等設(shè)備，保證船舶正常航行。消防泵分別從不同的冰區(qū)海底門取水，不僅大大減小冰區(qū)海底門的容積和高度，避免無端浪費船上空間，同時也提高了系統(tǒng)冗余度，以保證全船航行安全。

［參考文獻］

［1］吳剛.極地船舶技術(shù)最新動向［J］.中國船檢，2015（3）：97-101.

［2］吳春平. IMO極地規(guī)則和未來極地船舶發(fā)展趨勢分析［J］.造船技術(shù)，2014（2）：6-9.

［3］ABS. Rules For Building And Classing Steel Vessel［S］.2013.

［4］中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范［S］. 2014.

［5］DNV. Rules For Ships［S］. 2014.

［6］IACS. Requirements Concerning Polar Class［S］. 2016.