基于自平衡過駁塢的壓載系統(tǒng)設(shè)計與分析

黨軍鵬

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

自平衡過駁塢是一種適用特種工程裝備下水/回收的過渡船塢，通常不設(shè)置動力裝置，僅在碼頭或靠岸的水域使用。將岸上建造好的工程設(shè)備，如平臺、船舶等海工裝備過渡到水上，或?qū)⑺系倪@類裝備回收過渡到岸上或直接在塢上維修使用。在工程裝備下水/回收過程中，該塢能根據(jù)上移裝備載荷的不斷變化來調(diào)節(jié)不同方位的壓載水量，從而實現(xiàn)前后、左右和上下的三維狀態(tài)，保持塢的狀態(tài)處于上駁/下駁要求的平衡狀態(tài)，以適應(yīng)工程裝備上下塢過程的平穩(wěn)安全。

該過駁塢的自動平衡主要通過壓載水的裝載和駁出來維持塢的平衡。通過采集壓載艙的液位遙測系統(tǒng)測量的各壓載艙的裝載數(shù)據(jù)，4角吃水系統(tǒng)測量的塢吃水深度和負(fù)載臂傳感器感知船舶的側(cè)向受力大小，將收集到的塢上各感知參數(shù)傳輸給裝載計算機，裝載計算機通過算法計算并輸出壓載水的調(diào)載參數(shù)給中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)來協(xié)調(diào)控制各壓載泵的啟動停止及不同負(fù)荷運行，并控制系統(tǒng)中各中轉(zhuǎn)遙控閥和壓載艙的進(jìn)出閥門開關(guān)或變流量開度，達(dá)到對壓載量的控制，從而控制塢的平衡狀態(tài)。

1 壓載水系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

在過駁塢工作過程中，壓載水系統(tǒng)的設(shè)計必須滿足以下工況：

1）岸塢對接。岸上的海工裝備通過小車運送或滑移的方式移動到過駁塢上或?qū)⑦^塢駁上的設(shè)備過駁上岸，需通過壓載水調(diào)節(jié)保持過駁塢的主甲板面和岸基一直保持平齊，以便裝備順利過駁。

2）駁塢下潛。在定點位置通過打壓載使過駁塢下潛到一定深度，將過駁塢上的海工裝備移動到水面上，這種工況下需要往各壓載艙輸入壓載水，在保持船體穩(wěn)性和彎矩滿足許用值的條件下，以最短時間完成下潛作業(yè)。

3）接駁上浮。將過駁塢下潛到一定水深后，水面上的海工裝備移動到過駁塢主甲板面正上方，在船體吃水保持水平的情況下，將壓載艙內(nèi)的壓載水排出舷外，船體上浮并托起海工裝備，達(dá)到回收裝備的目的。

4）定點作業(yè)。這種工況下，過駁塢將處于靜態(tài)，只作為一個維修平臺使用，無需壓載水的輸入排出作業(yè)。

在過駁塢整個作業(yè)過程中，從開始操作到最終裝載結(jié)束，其載荷是一個連續(xù)不斷變化的過程。這個過程中，塢的重心高度、裝載貨物的重量和潮位吃水都在不斷的變化中，是一個動態(tài)的過程，需要對每個狀態(tài)作實時定量化分析和計算，使過駁過程中塢的裝載甲板與碼頭始終保持在一個水平面上，以保證過駁的連續(xù)安全運行，同時保證塢所承受的各種剪力和彎矩在許用范圍之內(nèi)。倘若在此過程中出現(xiàn)超過穩(wěn)態(tài)，受力超過許用值則發(fā)出報警，暫時停止自動操作轉(zhuǎn)為人工干預(yù)直到各參數(shù)在許用范圍內(nèi)之后，重新開始進(jìn)入自動操作狀態(tài)。在上述執(zhí)行過程中，壓載泵的容量、壓載艙的艙容和壓載系統(tǒng)管路的設(shè)計都將影響整個進(jìn)程的順利與可操作性。

在過駁塢沉浮過程中，壓載艙水量調(diào)節(jié)受壓載泵排量限制，沉浮與平穩(wěn)調(diào)節(jié)需要一段調(diào)整時間，調(diào)節(jié)時間越短則調(diào)整狀態(tài)的反應(yīng)速度越快。因此，對泵的大小和管網(wǎng)設(shè)置與艙室的匹配提出較高要求，需要在短時間內(nèi)保持過駁塢的平穩(wěn)，同時還需要兼顧整個系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟性和可操作性。壓載艙布置圖如圖1所示。

圖1 壓載艙布置圖

2 壓載系統(tǒng)設(shè)計

2.1 壓載水系統(tǒng)選擇

壓載水系統(tǒng)的目的是適應(yīng)各種裝載狀況，保持適當(dāng)?shù)呐潘?、調(diào)整吃水、縱傾和橫傾，確保一定的航行性能，保持恰當(dāng)?shù)拇俺醴€(wěn)性高度（GM），獲得適當(dāng)?shù)膹?fù)原力，減少過大的彎矩和剪切力[1]。不同類型船舶對壓載水的依賴有較大區(qū)別，例如集裝箱船對壓載水依賴性低，而散貨船和油船則依賴性高；依賴性的高低會影響泵的排量選擇。該過駁塢對壓載水的的依賴性很高，上下塢及沉浮過程中塢態(tài)的調(diào)整完全依靠壓載水來調(diào)節(jié)，考慮到整個過駁塢的尺寸為100 m×80 m的方型體、壓載艙的均態(tài)分布（見圖1）以及沉浮時間8 h的要求，通過壓載量的計算，選擇配置8臺1 200 m3/h的電動調(diào)頻壓載泵，相對于壓縮空氣壓載，這樣均布式多臺泵的配置能夠滿足自動調(diào)載靈活快速的要求。在泵與壓載區(qū)域的劃分上，充分考慮過駁時的方向性，裝備在過駁塢的左右舷上塢/下塢。因此，盡可能多地在該方向設(shè)置4臺泵來調(diào)節(jié)壓載水的輸入和排出，以實現(xiàn)最短時間內(nèi)的塢體平衡。由于該塢幾乎為定點做業(yè)，壓載水系統(tǒng)的設(shè)計無需考慮壓載水微生物處理的要求[2]，因此不考慮配套壓載水處理裝置。

2.2 壓載系統(tǒng)設(shè)計要點

壓載水系統(tǒng)設(shè)計要點如下：

1）采用環(huán)式管路設(shè)計（見圖2）?？蓪崿F(xiàn)壓載艙之間壓載水互相調(diào)撥，提高船舶穩(wěn)性[3]。

2）壓載水艙貫穿全船。為了操作的便捷，均采用遠(yuǎn)程控制閥門，即閥門遙控。

3）由于船舶底部布置了管弄，遙控閥門選用系統(tǒng)設(shè)計較簡單的電液式和純電動混合遙控閥，省去液壓管路、液壓泵、液壓器件和液壓柜等附屬設(shè)備及附件，閥門布置在管弄內(nèi)，方便后期維護(hù)保養(yǎng)。

4）鑒于壓載水系統(tǒng)以含鹽量較高的海水為主，海水對管路具有腐蝕性，管路材料選擇需兼顧耐蝕性和經(jīng)濟性，需在材料價格與耐蝕性及重量之間找到平衡點，通常可選材料為鍍鋅碳鋼管、耐海水的雙相不銹鋼管、玻璃鋼管和銅鎳合金管。表1為常用管路材料對比[4]，具體需經(jīng)綜合考慮進(jìn)行設(shè)計。

表1 常用管路材料對比

2.3 系統(tǒng)組成與工作原理

壓載水系統(tǒng)主要設(shè)備為8臺帶變頻的電動壓載泵、變頻柜、遙控閥、配電柜、中控臺、43個壓載艙和連接各艙及設(shè)備的管路系統(tǒng)。

為了配合壓載系統(tǒng)的自動調(diào)撥，實現(xiàn)壓載的靈活快速性，壓載泵組由8臺泵分割成4個壓載單元，每個單元2臺壓載泵通過壓載總管來聯(lián)通，通常情況下通過遙控閥來阻斷，這樣能滿足區(qū)域壓載互駁調(diào)載和壓載泵故障時采用備用壓載的工況，如圖2所示。每個壓載單元中的2臺泵也可以相互備用，能夠駁運彼此負(fù)責(zé)壓載區(qū)域內(nèi)的壓載水，防止其中1臺泵故障而其負(fù)責(zé)區(qū)域無法打排壓載水。每臺壓載泵各自所對應(yīng)區(qū)域的壓載量盡可能地相近，這樣可以在要求的壓載時間內(nèi)以最短時間發(fā)揮泵的最大能力，完成壓載調(diào)撥。每個壓載艙布置1根獨立的進(jìn)水、排水用的壓載水管, 管路上串聯(lián)1只電動式遙控蝶閥, 連接到相對應(yīng)的區(qū)域泵組進(jìn)行打壓載和排壓載。每臺壓載泵有獨立的海水門進(jìn)口和排舷外出口，經(jīng)遙控閥來控制其進(jìn)出壓載水的流向，同時該系統(tǒng)的設(shè)計也考慮到了重力壓載的工況[5]，在沒有嚴(yán)格要求壓載時間的工況下，通過遙控閥的隔離設(shè)置隔離壓載泵，海水在重力作用下進(jìn)入壓載艙，實現(xiàn)經(jīng)濟性壓載，其流量的大小也可以通過遙控閥的開度調(diào)節(jié)來控制，為重力壓載下的自動調(diào)載提供可能性。

打壓載開始后，壓載艙的液位遙測會實時測量和反饋每個壓載艙的水量，4角吃水測量塢的每個角吃水深度，這些參數(shù)經(jīng)計算處理后換算成塢的浮態(tài)，然后控制壓載泵和壓載系統(tǒng)中各隔離閥的開關(guān)或開度以及泵的排量大小來調(diào)節(jié)塢的狀態(tài)，達(dá)到裝卸時要求的姿態(tài)。

壓載區(qū)域的劃分根據(jù)泵的位置就近設(shè)置對應(yīng)的壓載區(qū)域，同時考慮上下塢時壓載泵能力的發(fā)揮，將幾個單一壓載艙通過壓載管連接到同1臺壓載泵上進(jìn)行打排壓載水。作為壓載系統(tǒng)的配套系統(tǒng)，其透氣系統(tǒng)根據(jù)船塢的結(jié)構(gòu)特點結(jié)合穩(wěn)態(tài)要求，采用區(qū)域組合透氣，即單一壓載泵對應(yīng)的壓載區(qū)域采用同一組透氣，壓載艙頂部互通，這樣即可簡化使透氣系統(tǒng)，同時也大大節(jié)省了透氣管并減輕了船體重量。

2.4 壓載過程中的過駁塢自平衡

調(diào)平衡流程圖如圖2所示。

圖2 調(diào)平衡流程圖

在壓載調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型和邏輯的基礎(chǔ)上，構(gòu)建仿真過駁塢自平衡數(shù)值模型，將各監(jiān)測參數(shù)與模型及調(diào)載進(jìn)程相結(jié)合來設(shè)置調(diào)節(jié)算法，在此算法基礎(chǔ)上進(jìn)行過駁塢裝卸自動平衡調(diào)節(jié)。首先輸入過駁塢幾何建模、壓載系統(tǒng)及泵閥建模、待裝裝備幾何建模和重量重心等參數(shù)，根據(jù)調(diào)載模型計算的調(diào)載方案對過駁塢進(jìn)行相應(yīng)壓載水排注操作，并實時顯示過駁塢的浮態(tài)；在裝卸過程中，根據(jù)浮態(tài)計算過駁塢的穩(wěn)性及強度，并實時記錄浮態(tài)、穩(wěn)性、總縱強度的時歷曲線。為了提高整個裝卸過程的安全性，若某一設(shè)定值超限則報警，立刻停止自動壓載調(diào)平衡或沉浮進(jìn)程，并進(jìn)入人工干預(yù)的手動調(diào)節(jié)狀態(tài)；經(jīng)過人工干預(yù)后的過駁塢各項參數(shù)處于設(shè)定許用值范圍，各項報警解除之后，再次進(jìn)入自動調(diào)載的自平衡狀態(tài)；如此反復(fù)，直到裝卸任務(wù)完成或駁船塢的吃水狀態(tài)達(dá)到預(yù)設(shè)調(diào)載狀態(tài)，則整個進(jìn)程結(jié)束。在初始使用的過程中設(shè)置人工干預(yù)來保證系統(tǒng)的絕對安全，經(jīng)過一段時間的使用后可以對調(diào)平算法進(jìn)行進(jìn)化升級，從而達(dá)到完全的自動平衡調(diào)節(jié)。

3 壓載時間及管路阻力分析與計算公式

壓載系統(tǒng)的設(shè)計主要依賴許可的壓載操作最大操作時長、上下駁時潮汐的變化、壓載量的大小和經(jīng)濟性等綜合因素。在運輸船舶上，通常留給打壓載的時間為8～10 h[2]，依據(jù)該時長，通過全船的最大壓載量來計算出壓載泵的排量。根據(jù)壓載泵的排量和壓載時間計算出壓載過程中壓載水的流速：通常選用的壓載管路的流速以2～3 m/s為宜，流速不宜過大。泵的壓力選擇需根據(jù)其所在管路上的沿程阻力損失和最大相對提升高度來確定，其中沿程阻力損失包括管路摩擦阻力和閥附件的阻力損失，根據(jù)泵的安裝高度和位置考慮泵的汽蝕余量是否滿足泵的吸上高度要求。

壓載過程的最大用時計算為）

式中：T為壓載時間，h；P為泵的排量，m3/h；Q為總的最大壓載量，m3；N為壓載泵的數(shù)量。

壓載系統(tǒng)中管路設(shè)計流速為：

式中：D為壓載管內(nèi)徑，m；Q為單臺壓載泵的排量，m3/h；v為壓載管內(nèi)的流速，為2～3 m/s。

管路引起的沿程阻力損失按下述公式計算[6]：

式中：hf為管路壓降，Pa；λ為摩擦阻力系數(shù)λ＝0.1(1.46ε+100Re?1)0.25；L為管子長度，m；d為管子內(nèi)徑，m；v為管內(nèi)截面流速，取3m/s）；Q為流量，m3/h；ε為相對粗糙度Δ/d；Re為雷諾數(shù)Vd/μ；μ為海水運動黏度，1.05×10?3m2/s；g為重力加速度，取9.81 m/s2；ρ為密度，kg/m3。

閥附件引起的沿程阻力損失按下述公式計算[6]

式中：hm為附件的壓降，Pa；ξ為摩擦阻力系數(shù)；v為管內(nèi)截面流速，取3 m/s；Q為流量，m3/h；d為管子內(nèi)徑，m；g為重力加速度，取9.81 m/s2；ρ為密度，kg/m3。

4 結(jié)論

在自動調(diào)載過駁塢設(shè)計時，需根據(jù)其對穩(wěn)性浮態(tài)調(diào)節(jié)的高要求，采用傳統(tǒng)的多點分布式變頻泵及多區(qū)域協(xié)同壓載來滿足調(diào)載過程中對靈活快速的壓載需求。將壓載泵盡可能地分布劃分的到每個壓載區(qū)塊，每個區(qū)塊通過總管聯(lián)通，形成網(wǎng)狀的、相互獨立而又能相互備用的壓載管路系統(tǒng)。這將更好地滿足整個項目提出的自動化操作要求，設(shè)備配備和管路大小的設(shè)計都將圍繞這一核心要求展開，從總體的設(shè)計過程和結(jié)果可以得出：該系統(tǒng)的設(shè)計能夠配合過駁塢自動調(diào)載的要求。