半潛起重平臺(tái)快速調(diào)載系統(tǒng)水錘分析研究

林珊穎，郭云龍

(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2.大連船舶重工集團(tuán) 設(shè)計(jì)研究院，遼寧 大連 116000)

0 引 言

大型起重平臺(tái)作為不可缺少的工程船舶，近幾十年來有了長(zhǎng)足的發(fā)展，全球海上重型起重機(jī)一直處于供不應(yīng)求狀態(tài)[1-2]。起重平臺(tái)在吊運(yùn)作業(yè)時(shí)產(chǎn)生巨大的傾覆力矩，為了使平臺(tái)的傾角處于安全狀態(tài)，此類平臺(tái)須設(shè)計(jì)快速調(diào)載系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)根據(jù)平臺(tái)的作業(yè)條件需要，快速調(diào)配調(diào)載艙和壓載艙的入水和排水，該系統(tǒng)通常應(yīng)在20～40 min內(nèi)調(diào)配6 000～10 000 m3的壓載水，此過程必然會(huì)有調(diào)載閥的開閉操作，而調(diào)載水管路，短則十幾米，長(zhǎng)則上百米，系統(tǒng)中會(huì)存在較為明顯的水錘壓力問題。為了保證管路和設(shè)備的安全，避免由于水錘壓力帶來的破壞，對(duì)此系統(tǒng)的重點(diǎn)位置進(jìn)行水錘分析，并找到適用于該系統(tǒng)的降低水錘壓力的方法。

楊文林等[4]對(duì)深水半潛平臺(tái)壓載水系統(tǒng)進(jìn)行了水錘載荷動(dòng)態(tài)分析，通過理論計(jì)算得出水錘壓力作為加載，計(jì)算出動(dòng)靜態(tài)組合工況下管系的最大應(yīng)力；孫玉東等[5]以特征線分析方法為基礎(chǔ)，研究管路在水錘沖擊下考慮泊松耦合時(shí)流體和結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)，從管道設(shè)計(jì)角度，提出了對(duì)于實(shí)際管路設(shè)計(jì)和水錘防護(hù)有益的結(jié)論。顧贅等[6-7]分析了大型串聯(lián)增壓泵站各級(jí)泵站失電狀態(tài)的水錘特點(diǎn)，提出不關(guān)水泵出口緩閉止回閥和采用單向調(diào)壓塔來作為消除水錘的防護(hù)方案。李斌等[8]通過瞬態(tài)仿真分析，對(duì)船舶泵閥移水系統(tǒng)水錘抑制方法進(jìn)行了研究。

目前，關(guān)于水錘壓力載荷的理論分析已趨于成熟，但對(duì)于海洋工程管路中的水錘壓力及抑制較小的措施研究較少。本文以半潛起重平臺(tái)的快速調(diào)載系統(tǒng)的水錘壓力為研究對(duì)象，開展對(duì)閥門的關(guān)閉操作進(jìn)行討論分析及對(duì)比，并通過瞬態(tài)仿真分析進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)適用于該系統(tǒng)降低水錘壓力載荷的操作要點(diǎn)，對(duì)于此類平臺(tái)的調(diào)載系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)具有參考意義。

1 水錘壓力的計(jì)算

快速調(diào)載系統(tǒng)中的水錘是管道瞬變流中的一種壓力波，當(dāng)管道流量發(fā)生變化時(shí)，如閥門的啟閉操作，會(huì)導(dǎo)致流速的瞬態(tài)變化，閥前閥后即產(chǎn)生了水錘壓力。水錘壓力作用于管道，過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致管道的破壞。水錘的壓力在擾動(dòng)處的壓力變化最大，其值可由Joukowsky 方程得到[9]：

壓力波波速基于儒柯夫斯基公式推導(dǎo)出：

2 快速調(diào)載系統(tǒng)的水錘數(shù)值模擬

2.1 快速調(diào)載系統(tǒng)模型

某半潛起重平臺(tái)的快速調(diào)載系統(tǒng)原理圖如圖1所示。按照規(guī)范及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求，直管的管道流速通常為3 m/s，材料為鍍鋅鋼管，主管和支管尺寸分別為sch 20的32 in和24 in。

圖1 快速調(diào)載系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of anti heeling system

作業(yè)工況為雙吊180°作業(yè)，需要對(duì)布置在浮體里的調(diào)載艙進(jìn)行調(diào)載，如表1所示。

配備調(diào)載泵的工作能力為3000m3@4bar，單側(cè)浮體單向調(diào)解配備2臺(tái)泵，雙側(cè)浮體雙向共配置8臺(tái)調(diào)載泵，根據(jù)表1的調(diào)載量，調(diào)載時(shí)間約為33 min，滿足作業(yè)要求，也滿足DNVGL-OS-D101中3 h的壓載排空要求。

2.2 仿真分析

快速調(diào)載系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元為單側(cè)浮體單向調(diào)載系統(tǒng)，引入專業(yè)水錘分析軟件AFT IMPLUSE進(jìn)行仿真分析，建立左弦起吊調(diào)載模型如圖2所示。

根據(jù)規(guī)范要求，調(diào)載艙均應(yīng)設(shè)置透氣管，則設(shè)定DYBWP1～5艙的背壓為1 atm，計(jì)算出波速為1182.20 m/s。

表1 快速調(diào)載情況Tab.1 Conditions of anti heeling

圖2 快速調(diào)載系統(tǒng)模型Fig.2 Model of anti heeling system

2.2.1 關(guān)閥時(shí)間對(duì)水錘壓力的影響分析

在上述的輸入條件基礎(chǔ)上，設(shè)定仿真時(shí)間為50 s進(jìn)行仿真，同時(shí)打開1#閥和2#閥，工況1設(shè)定1#閥和2#閥的關(guān)閥時(shí)間為分別4 s，工況2設(shè)定1#閥和2#閥的關(guān)閥時(shí)間分別為12 s，工況3設(shè)定1#閥和2#閥的關(guān)閥時(shí)間分別為24 s。

如圖3所示，以管路三通或者彎頭為節(jié)點(diǎn)，離閥門越遠(yuǎn)的管道，水錘壓力越小。1#閥閥前管道的工作壓力為4 bar，當(dāng)關(guān)閥時(shí)間為4 s時(shí)，閥前管道的壓力峰值為47.38 bar；當(dāng)關(guān)閥時(shí)間為12 s時(shí)，閥前管道的壓力峰值為12.76 bar；當(dāng)關(guān)閥時(shí)間為24 s時(shí)，閥前管道的壓力峰值為5.90 bar。如圖4所示，當(dāng)關(guān)閥時(shí)間為4 s時(shí)，閥前管道的壓力峰值為46.92 bar；當(dāng)關(guān)閥時(shí)間為12 s時(shí)，閥前管道的壓力峰值為9.14 bar；當(dāng)關(guān)閥時(shí)間為24 s時(shí)，閥前管道的壓力峰值為5.88 bar。由圖3和圖4可知，過短的閥門關(guān)閉時(shí)間會(huì)造成閥前管道壓力即水錘壓力的驟增，最大可增至十余倍，持續(xù)時(shí)間約為10 s，此時(shí)由于水錘壓力過大，可能會(huì)造成管道及管路附件的損壞和震蕩。隨著關(guān)閥時(shí)間的增加，水錘壓力降低較為顯著，且震蕩的發(fā)生時(shí)間隨之延長(zhǎng)，是有效降低水錘壓力的方法，較為合適的關(guān)閥時(shí)間推薦為“1寸1秒”。

圖3 關(guān)閥時(shí)間對(duì)1#閥閥前壓力的影響Fig.3 Impact of valve closure time on water hammer pressure of front 1# valve

圖4 關(guān)閥時(shí)間對(duì)2#閥閥前水錘壓力的影響Fig.4 Impact of valve closure time on water hammer pressure of front 2# valve

圖5 管道不同位置的水錘壓力Fig.5 Water hammer pressures of different positions of pipeline

2.2.2 關(guān)閥同步性對(duì)水錘壓力的影響分析

在閥門操作時(shí)，1#閥和2#閥的關(guān)閥可以是非同步進(jìn)行的。設(shè)定仿真時(shí)間為50 s進(jìn)行仿真，此時(shí)1#閥和2#閥并不同時(shí)關(guān)閉，工況1中2#閥較1#閥延遲4 s關(guān)閥，工況2中2#閥較1#閥延遲8 s關(guān)閥。計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，工作壓力為4 bar，當(dāng)閥門同時(shí)關(guān)閉時(shí)（關(guān)閥時(shí)間為24 s），1#閥和2#閥閥前的管道壓力峰值分別為5.90 bar和5.88 bar，均方根分別為3.81 bar和3.93 bar，均方差為1.28和1.26。2#閥延遲4 s關(guān)閉時(shí)，且關(guān)閥時(shí)間均為24 s時(shí)，1#閥和2#閥閥前的管道壓力峰值分別為5.66 bar和5.60 bar，均方根分別為3.73 bar和3.72 bar，均方差為1.12和1.20；2#閥延遲8 s關(guān)閉時(shí)，1#閥和2#閥閥前的管道壓力峰值分別為5.33 bar和5.04 bar，均方根分別為3.67 bar和3.55 bar，均方差為1.11和1.19。綜上可知，在每個(gè)閥門關(guān)閉時(shí)間相同的前提下，非同步關(guān)閥可以在一定程度上減小水錘壓力，且隨著時(shí)差的增大，水錘壓力減小，對(duì)管道的沖擊也更小。

2.2.3 關(guān)閥速度變化對(duì)水錘壓力的影響分析

圖6 非同步關(guān)閥對(duì)1#閥閥前水錘壓力的影響Fig.6 Impact of asynchronous closure on water hammer pressure of front 1# valve

圖7 非同步關(guān)閥對(duì)2#閥閥前水錘壓力的影響Fig.7 Impact of asynchronous closure on water hammer pressure of front 2# valve

閥門的關(guān)閉通常為勻速關(guān)閉，但在閥門操作時(shí)，也可根據(jù)需要設(shè)定“先快關(guān)、后慢關(guān)”或者“先慢關(guān)、后快關(guān)”的非線性閥門關(guān)閉動(dòng)作。設(shè)定仿真時(shí)間為50 s進(jìn)行仿真，設(shè)定1#閥和2#閥關(guān)閉工作相同，工況12#閥和1#閥勻速關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間為12 s；工況22#閥和1#閥在前4 s內(nèi)關(guān)閉至20%Cv，8 s內(nèi)從20%Cv至完全關(guān)閉；工況32#閥和1#閥在前8 s內(nèi)緩慢關(guān)閉至60%Cv，4 s內(nèi)從60%Cv至完全關(guān)閉。計(jì)算結(jié)果如圖8和圖9所示。

由圖8和圖9可知，工作壓力為4 bar，勻速關(guān)閉時(shí)1#閥和2#閥閥前的管道壓力峰值分別為12.76 bar和9.14 bar，均方根分別為4.59 bar和4.57 bar，“先快后慢”1#閥和2#閥閥前的管道壓力峰值分別為6.64 bar和6.61 bar，均方根分別為4.31 bar和4.38 bar，“先慢后快”1#閥和2#閥閥前的管道壓力峰值分別為12.51 bar和12.81 bar，均方根分別為4.37 bar和4.41 bar。綜上可知，與勻速關(guān)閥操作相比，“先快后慢”非線性關(guān)閥操作能夠較為明顯的抑制水錘壓力，“先慢后快”的關(guān)閥操作對(duì)抑制水錘壓力的作用不明顯。

圖8 關(guān)閥速度變化對(duì)1#閥閥前水錘壓力的影響Fig.8 Impact of valve closure speed variation on water hammer pressure of front 1# valve

圖9 關(guān)閥速度變化對(duì)2#閥閥前水錘壓力的影響Fig.9 Impact of valve closure speed variation on water hammer pressure of front 2# valve

3 結(jié) 語

本文重點(diǎn)從閥門關(guān)閉操作對(duì)半潛起重平臺(tái)的快速調(diào)載系統(tǒng)的水錘壓力進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1）在快速調(diào)載系統(tǒng)中，過短的閥門關(guān)閉時(shí)間會(huì)造成閥前管道壓力即水錘壓力的驟增，隨著關(guān)閥時(shí)間的增加，水錘壓力降低較為顯著，且震蕩的發(fā)生時(shí)間隨之延長(zhǎng)，是有效降低水錘壓力的方法，較為合適的關(guān)閥時(shí)間推薦為“1寸1秒”。以管路三通或者彎頭為節(jié)點(diǎn)，離閥門越遠(yuǎn)的管道，水錘壓力越小。

2）在每個(gè)閥門關(guān)閉時(shí)間相同的前提下，非同步關(guān)閥可以在一定程度上減小水錘壓力，且隨著時(shí)差的增大，水錘壓力減小，對(duì)管道的沖擊也更小。

3）與勻速關(guān)閥操作相比，“先快后慢”非線性關(guān)閥操作能夠較為明顯的抑制水錘壓力，“先慢后快”的關(guān)閥操作對(duì)抑制水錘壓力的作用不明顯。