8 000 kW搶險(xiǎn)打撈拖船散料和泥漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝

肖祖光， 彭建文， 黃廣雄

(中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州 511462)

0 引 言

船舶散料和泥漿系統(tǒng)因運(yùn)輸儲(chǔ)存介質(zhì)的特殊性，對(duì)管路布置的要求較高，且因船體空間的限制，要在罐艙容積盡可能大(經(jīng)營(yíng)性需求)的情況下能良好地運(yùn)轉(zhuǎn)，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)需特別謹(jǐn)慎。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)該系統(tǒng)的研究大多僅限于管路制作工藝和管線布局，對(duì)罐艙、設(shè)備和管路有機(jī)結(jié)合的整體布局開展的研究不多，對(duì)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備安裝難點(diǎn)開展的研究也很少。本文擬通過對(duì)某8 000 kW搶險(xiǎn)打撈拖船上的散料和泥漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝進(jìn)行介紹，為上述研究打開思路，同時(shí)為類似多用途工作船的設(shè)計(jì)和建造提供參考。

1 散料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝

散料系統(tǒng)又稱散料輸送系統(tǒng)，主要用來為海上平臺(tái)供應(yīng)鉆井所需的粉狀物料。該系統(tǒng)采用氣固兩相流的技術(shù)實(shí)現(xiàn)粉狀物料在岸上基站、船舶與海上平臺(tái)之間的長(zhǎng)距離、密閉的高效輸送作業(yè)。這種氣固兩相流系統(tǒng)呈現(xiàn)的狀態(tài)為通常所說的流態(tài)化，氣固兩相流流態(tài)化理論是粉狀物料氣力輸送技術(shù)的基礎(chǔ)。

1.1 散料系統(tǒng)作業(yè)原理

粉狀物料的氣力輸送利用空氣壓縮機(jī)壓縮空氣的壓能作為動(dòng)能，攜帶粉狀物料作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，使物料粒子的位置不斷發(fā)生變化，達(dá)到預(yù)期輸送和混合均勻的目標(biāo)。

散料輸送系統(tǒng)的作業(yè)方式有裝貨作業(yè)和卸貨作業(yè)2種，其中：裝貨作業(yè)是指由岸上基站或海洋平臺(tái)的壓縮空氣直接將散料送入散料罐中儲(chǔ)存；卸貨作業(yè)是指使用船上的壓縮機(jī)將散料罐中的物料輸送給海上平臺(tái)。散料罐具有特殊設(shè)計(jì)的罐底和流化裝置，可使罐底的物料充分流化，從出料管排出。船上的壓縮機(jī)不僅能為整個(gè)作業(yè)過程提供動(dòng)力風(fēng)源，而且具有助吹和壓縮空氣掃線的功能[1]。

1.2 散料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所述8 000 kW搶險(xiǎn)打撈船的散料系統(tǒng)配備有4個(gè)散料罐， 散料經(jīng)主甲板上的裝載站接口和管路注入散料罐或向海洋平臺(tái)輸送。散料系統(tǒng)分為獨(dú)立的2部分，以滿足同時(shí)儲(chǔ)運(yùn)2種不同類型散料的需求。4個(gè)散料罐平均分為2組，設(shè)置2套獨(dú)立管系，相應(yīng)地配置2臺(tái)空壓機(jī)、2臺(tái)干燥機(jī)和2個(gè)除塵系統(tǒng)。2個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的空壓機(jī)和干燥機(jī)可互為備用。散料系統(tǒng)主要用于運(yùn)輸粉狀物料，因此散料罐的罐體一般采取圓柱型設(shè)計(jì)，上下封蓋采用上圓弧型下錐型或上下均為圓弧型設(shè)計(jì)?？紤]到該船的空間有限，罐體的上下封蓋均采用圓弧型設(shè)計(jì)，這樣罐底的空間利用率更高，對(duì)雙層底上相關(guān)管路和設(shè)備的布置更加友好。考慮到散料的特性，為避免散料在管路中堆積導(dǎo)致管路堵塞，運(yùn)輸管線盡量采用直管，避免有過多彎管，需要彎管的地方采用至少5倍管徑的彎曲半徑。管線的連接件采用維特利接頭，這種接頭相比普通的法蘭或套管，既方便拆檢維修，又能起到一定的減振效果。

該船配備的設(shè)備主要有4個(gè)散料罐、2臺(tái)空壓機(jī)、2臺(tái)干燥器、1臺(tái)噴射泵、1套控制系統(tǒng)(含采集箱、可編程邏輯控制器和遠(yuǎn)程控制板)、2套濾芯式濾器和散料收集罐(濾器單元)。裝貨時(shí)，打開輸送管線和散料罐透氣管線上的相關(guān)閥件，由岸上的基站或海洋平臺(tái)通過壓縮空氣直接將散料送入散料罐中儲(chǔ)存。同時(shí)，打開連接濾器單元的相關(guān)閥件，由濾器單元過濾從散料罐中擠壓出來的攜帶大量散料的壓縮空氣，散料會(huì)沉積在濾器單元的底部，過濾后的空氣則直接排至大氣中。裝貨結(jié)束之后啟動(dòng)空壓機(jī)，可將沉積在濾器單元中的散料再次運(yùn)輸?shù)缴⒘瞎拗?。卸貨時(shí)，打開助吹管線和輸送管線上的相關(guān)閥件，關(guān)閉散料罐透氣管線上的閥件，啟動(dòng)空壓機(jī)干燥器，空壓機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣通過干燥器干燥之后，直接從散料罐頂部注入罐體中，在罐體內(nèi)產(chǎn)生壓強(qiáng)，帶動(dòng)散料進(jìn)入輸送管線并運(yùn)輸至目的地。若罐體內(nèi)的壓力過大，則罐體上的安全閥會(huì)自動(dòng)開啟，從而減小罐體內(nèi)的壓力。當(dāng)需清潔濾器單元中的濾器時(shí)，開啟空壓機(jī)，打開相關(guān)閥件，由壓縮空氣通過噴射泵帶動(dòng)濾器中的粉狀物料，將其吹到濾器單元底部收集起來。

1.3 散料系統(tǒng)安裝

散料系統(tǒng)的安裝主要涉及散料罐體、濾器單元、空壓機(jī)、干燥器和管系閥件的安裝等。相對(duì)于其他船型，本文所述船舶的散料系統(tǒng)的安裝主要有以下難點(diǎn)：

1) 空間小。由于散料罐艙內(nèi)的設(shè)備和管路較多，且散料系統(tǒng)的管路需5倍彎管半徑，同時(shí)電纜和風(fēng)管占有大量空間，在安裝時(shí)應(yīng)著重考慮合理地利用有限的空間，在保證船舶設(shè)備的各項(xiàng)功能均正常的同時(shí)，盡可能多地留出設(shè)備的維修空間和通道。

2) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。受艉部推進(jìn)器艙的影響，散料罐艙的底部1 200 mm平臺(tái)并不是一個(gè)平面，而是具有一定坡度的斜面，罐體頂部要保證在同一水平面上。因此，各散料罐的支撐立柱高度并不一致，且支撐立柱需具有足夠的強(qiáng)度，以保證在斜面上也能保持平衡。

3) 空壓機(jī)、干燥器和濾器單元的布置需具有一定的合理性，盡量避免連接管線中的壓縮空氣動(dòng)能損耗太多，根據(jù)系統(tǒng)的工作原理和特性布置各項(xiàng)設(shè)備，使整個(gè)系統(tǒng)能順暢地運(yùn)行。

為解決這些問題，建造方以三維建模和設(shè)備資料為依托，與船東、船舶設(shè)計(jì)院和各設(shè)備廠家進(jìn)行協(xié)調(diào)溝通，在保證罐體容積的同時(shí)，對(duì)散料罐的外形尺寸和形式進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證散料罐的安裝、可操作性和維修空間等滿足要求。在確定散料罐艙內(nèi)最大的設(shè)備(散料罐)之后，以系統(tǒng)的連續(xù)性為依據(jù)對(duì)其他設(shè)備進(jìn)行合理的布置。具體布置見圖1和圖2。

圖1 散料罐艙底層設(shè)備布置

圖2 散料罐艙上層設(shè)備布置

相較之前的布置(見圖3和圖4)，本文的布置主要有以下2點(diǎn)優(yōu)化：

圖3 原散料罐艙上層布置

圖4 原散料罐艙下層布置

1) 空壓機(jī)和干燥器移位，由平臺(tái)甲板移到了雙層底上；

2) 濾器單元由雙層底移到了平臺(tái)甲板上。

這樣的布置解決了之前散料系統(tǒng)在裝卸散料時(shí)管路不順暢的問題，同時(shí)散料罐艙的空間利用率得到了大大提高，原散料罐艙底部靠艉部的位置還可空出來空間布置遙控蝶閥。同時(shí)，為保證散料罐體的穩(wěn)定性，避免其在支撐上出問題，在原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，在平臺(tái)甲板一層增加部分支撐，這樣既能保證散料罐在水平方向上受力的穩(wěn)定性，又能保證對(duì)布置在散料罐艙底部的空壓機(jī)和干燥器等設(shè)備的維護(hù)維修沒有影響。

2 泥漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝

船舶泥漿系統(tǒng)又稱船舶泥漿輸送系統(tǒng)，是一種液貨輸送系統(tǒng),其主要作用是向鉆井平臺(tái)和采油平臺(tái)提供泥漿，或?qū)⑵脚_(tái)上不用的泥漿回收到岸上處理。一套完善的船舶泥漿輸送系統(tǒng)通常由泥漿接收/輸送系統(tǒng)和泥漿清洗系統(tǒng)2部分組成。

2.1 泥漿系統(tǒng)作業(yè)原理

1) 泥漿的接收/輸送系統(tǒng)用于完成裝貨作業(yè)、卸貨作業(yè)和運(yùn)輸作業(yè)，由泥漿輸送泵提供動(dòng)能。當(dāng)船舶裝載泥漿時(shí)，需開啟泥漿艙內(nèi)的攪拌器，充分?jǐn)嚢枘酀{，保證其內(nèi)部各種物質(zhì)混合均勻，同時(shí)防止這些物質(zhì)結(jié)塊。在裝載過程完成之后，運(yùn)輸途中需同時(shí)開啟泥漿泵和攪拌器，這樣能使泥漿一直保持流動(dòng)狀態(tài)，避免其在艙內(nèi)或運(yùn)輸管線中結(jié)塊。當(dāng)船舶卸載泥漿時(shí)，開啟泥漿輸送泵，將泥漿輸送給平臺(tái)即可。

2) 泥漿清洗系統(tǒng)用于在完成泥漿輸送作業(yè)之后清洗泥漿艙和泥漿管路中的殘留泥漿，避免泥漿結(jié)塊導(dǎo)致管線被堵，最終無法正常作業(yè)。罐艙清洗系統(tǒng)一般包含洗艙機(jī)、洗艙泵、污水泵、藥劑罐和藥劑泵等設(shè)備。在完成泥漿運(yùn)輸作業(yè)之后，通過洗艙泵將清潔的加過特殊藥劑的熱水輸送給洗艙機(jī)，洗艙機(jī)在泥漿艙內(nèi)360°無死角掃艙，之后產(chǎn)生的污水通過污水泵抽入特定的泥漿污水艙中儲(chǔ)存，待船舶靠岸之后排至岸上。

2.2 泥漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該船主要配備4個(gè)泥漿艙(用于儲(chǔ)存泥漿)、1個(gè)泥漿污水艙(用于儲(chǔ)存清洗泥漿艙之后產(chǎn)生的污水)和1個(gè)熱水艙(用于儲(chǔ)存清洗泥漿艙的熱水)。泥漿通過泥漿泵輸送，經(jīng)主甲板上裝載站的快速接口和管路向泥漿艙注入或向平臺(tái)輸送。泥漿輸送系統(tǒng)分為獨(dú)立的2部分，以滿足同時(shí)儲(chǔ)運(yùn)2種泥漿的需求。4個(gè)泥漿艙被均分為2組，設(shè)置2套獨(dú)立的管系，相應(yīng)地配置2臺(tái)泥漿泵，2臺(tái)泥漿泵可互為備用。清洗系統(tǒng)只配備1套，可清洗所有泥漿艙，并將污水儲(chǔ)存至泥漿污水艙或直接排至岸上。

該船配備設(shè)備主要有2臺(tái)泥漿泵(單螺桿液壓?jiǎn)?dòng)泵)、1臺(tái)污水泵、1臺(tái)洗艙泵、5套洗艙機(jī)(每艙1套，含泥漿污水艙)、1臺(tái)加藥泵、1臺(tái)板式熱交換器、4臺(tái)液壓攪拌器、1臺(tái)藥劑泵、1臺(tái)熱水循環(huán)泵、1只藥劑桶、1套控制系統(tǒng)和1臺(tái)液壓泵站。泥漿輸送及循環(huán)相對(duì)簡(jiǎn)單，打開泥漿泵和相關(guān)閥件即可。洗艙系統(tǒng)的運(yùn)行相對(duì)復(fù)雜一些，先通過板式熱交換器將熱水艙內(nèi)的冷水加熱到60 ℃，然后打開加藥泵，使藥劑桶內(nèi)的藥劑混合到加熱好的淡水中，最后通過清洗泵輸送給各泥漿艙，在泥漿艙內(nèi)通過洗艙機(jī)對(duì)6面艙壁進(jìn)行全方位噴射。洗艙過后產(chǎn)生的污水通過污水泵抽至泥漿污水艙內(nèi)儲(chǔ)存或直接排至岸上。污水泵需與殘留泥漿接觸，因此選擇單螺桿泵；洗艙泵因運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)是淡水，選用離心泵。考慮到泥漿內(nèi)可能含有堅(jiān)硬磨損雜質(zhì)和固體顆粒，且比較黏稠，該船選用的泥漿輸送泵是螺桿泵，泥漿輸送系統(tǒng)中的閥件采用的是雙偏心法蘭式蝶閥。由于泥漿輸送泵出口壓力為1.9 MPa，故泥漿輸送管都采用Ⅱ級(jí)管，管路中除了與閥連接的部分，其他都采用對(duì)焊式連接形式。

2.3 泥漿系統(tǒng)安裝

泥漿系統(tǒng)各設(shè)備的安裝主要有以下難點(diǎn)：

1) 泥漿艙底部為斜面，需保證攪拌器的安裝位置能使攪拌器攪動(dòng)艙內(nèi)所有泥漿，不會(huì)留死角。

2) 攪拌器為液壓驅(qū)動(dòng)，液壓管從液壓泵站過來需穿過泥漿艙艙壁和攪拌器底座，需保證攪拌器的底座完全水密。通過與設(shè)備廠家、船東和船舶設(shè)計(jì)院溝通，最終決定將攪拌器的基座直接焊接在艙底，該基座與攪拌器直接以管子法蘭的形式連接，上部采用螺栓連接，中間加上橡膠墊圈，這樣能保證水密，避免泥漿艙內(nèi)的泥漿進(jìn)入攪拌器底座內(nèi)。同時(shí)，在底座上面加支管，并連接到艙壁上，用作液壓管路的保護(hù)管。攪拌器底座的高度要能保證攪拌器攪動(dòng)艙內(nèi)所有的泥漿，不留死角。攪拌器安裝形式見圖5。

圖5 攪拌器安裝形式

3) 為了使洗艙機(jī)具有最佳的洗艙效果，需將其布置在艙室靠近幾何中心的位置，這樣洗艙機(jī)就處于懸空狀態(tài)。因此，需考慮將其安裝得足夠穩(wěn)固，避免受水壓的沖擊后導(dǎo)致螺栓松動(dòng)，進(jìn)而使洗艙機(jī)脫落。

經(jīng)過對(duì)比分析，采取在與洗艙機(jī)連接的淡水管進(jìn)艙處增加肘板加強(qiáng)的方案。由于洗艙機(jī)是直接連接管路的，重量較輕，且本身無動(dòng)力，完全由洗艙泵提供的淡水自身的壓力進(jìn)行沖洗，因此只需保證連接管路穩(wěn)固即可。洗艙機(jī)安裝形式見圖6。

圖6 洗艙機(jī)安裝形式

4) 由于泥漿的特殊性，一般的壓電式傳感器布置在泥漿艙內(nèi)容易損壞，故選擇雷達(dá)式傳感器。但是,泥漿艙就在主甲板下，且主甲板上鋪設(shè)有木甲板，故需考慮如何安裝雷達(dá)式傳感器，使其既方便維修檢測(cè)，又不容易損壞，并能盡可能少地?fù)p失測(cè)量艙容，同時(shí)不超出木甲板。為此，設(shè)計(jì)一個(gè)雷達(dá)傳感器保護(hù)罩，該保護(hù)罩由管子和法蘭構(gòu)成，既能節(jié)約成本，又方便安裝，同時(shí)能滿足傳感器的維修拆檢需求，具體形式見圖7。

圖7 雷達(dá)傳感器保護(hù)罩

3 結(jié) 語

散料和泥漿系統(tǒng)作為8 000 kW搶險(xiǎn)打撈拖船的主要經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)，其重要性不言而喻。通過對(duì)這2個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝過程進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：

1) 散料罐的容積直接關(guān)系到船舶本身的盈利能力，要對(duì)散料罐艙的設(shè)備布置進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，使散料罐的容積最大化，從而使船舶的盈利能力得到有效保證；

2) 泥漿系統(tǒng)相關(guān)液艙的布置需考慮到系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所需管路布置的合理性，盡量縮短管線的長(zhǎng)度，避免泥漿在過長(zhǎng)管路中淤積，從而影響系統(tǒng)的性能；

3) 液壓動(dòng)力的攪拌器因需布置液壓管線，要考慮到液壓管線在泥漿艙中的保護(hù)和維修，同時(shí)需考慮泥漿艙中的液壓管線可能會(huì)有漏油情況，設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警點(diǎn)；

4) 泥漿艙中洗艙機(jī)的安裝位置直接決定洗艙效果的好壞，要在設(shè)計(jì)前期根據(jù)艙型計(jì)算出最佳的洗艙機(jī)安裝位置，并確定好安裝方法。

目前該8 000 kW搶險(xiǎn)打撈拖船已交付運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間，據(jù)船東的反饋，該船的散料和泥漿系統(tǒng)的運(yùn)行狀況良好，應(yīng)用效果令人滿意。該結(jié)果離不開船舶設(shè)計(jì)初期船東、船舶設(shè)計(jì)院和船廠相互之間的良性溝通。