海上深水移动平台压载系统的设计

徐本川，王 锐，刘富祥

（烟台中集来福士海洋工程有限公司， 烟台 264000）

海上深水移动平台压载系统的设计

徐本川，王 锐，刘富祥

（烟台中集来福士海洋工程有限公司， 烟台 264000）

从海上深水移动平台管路原理的角度对压载系统的设计进行分析，对几个主要船级社和特殊规范对该系统的要求进行了比较。在面对各种规范要求时，总结了整个系统的设计步骤，并举例说明了最优设计方案。

系统设计；压载泵；遥控阀门；压载水处理

0 引言

20世纪70年代，国外油气勘探开始涉足深水领域。随着世界各国能源需求的增加以及陆地和海上浅水区油气发现难度的增大，深水油气勘探不断升温，这就对海上深水移动平台(以下简称“平台”)的技术发展和科学设计提出了更高的要求[1-3]。为了满足平台各种吃水工况以及能够从容应对恶劣海况，也对最为主要的压载系统同样提出了更高要求。

压载系统(Ballast System)是与平台乃至所有船舶安全密切相关的系统，设置压载系统的目的主要是[4-6]：适应各种作业或装载工况，保持适当的排水量、纵倾和横倾；保持恰当的稳性高度，获得适当的复原力；减小过大的弯矩和剪切力；配合平台完成特殊功能，如居住、吊装、钻井等等。

压载系统可根据平台或船舶的具体情况，将舷外水注入任何一个压载舱或排出任何一个压载舱内的海水，甚至也可将各压载舱内的水进行前后、左右的调驳来达到上述目的。

1 压载泵的选型

1.1 压载泵的型式和数量

无论是在船舶或者平台上，压载泵通常都会使用电动离心泵，可根据现场空间布置来选择立式和卧式两种型式。离心泵主要有以下优点：1）流量连续均匀且便于调节，适用流量范围很大；2）转速高，结构简单紧凑，尺寸和重量比其他同流量泵要小，成本低；3）对杂质不敏感，易损件少，管理和维修较方便。

对于压载泵的配置和数量，在各个规范里面都有明确的要求，在这里简单列出中国船级社(CCS)，美国船级社(ABS)，挪威船级社(DNV)的描述。在CCS规范中，要求压载系统应至少设有两台独立的压载泵，以保证当任一台压载泵发生故障时，压载系统能保持正常工作；在 ABS规范中，认为通常情况下，至少有两台独立的压载泵能对每一个压载舱进行有效抽水，如果平台设计有两个浮筒(Pontoon)，则每个都要提供至少两台独立的压载泵；DNV规范也要求每个压载舱应能被两台独立的压载泵注排水。依上所述，各个规范对压载泵数量要求基本一致，即在每个浮筒中，应配置至少两台独立的压载泵能对该船体内的每一个压载舱进行有效地注排水。另外，由于压载系统的重要性，在ABS规范中对压载泵的性能提出了额外的要求：在由于泵舱破损淹水失掉一台压载泵的工况下，仍然需要至少两台泵能对每一个压载舱进行有效地注排水，并且明确要求提交相关的压载泵计算和系统分析。

1.2 压载泵的参数

在压载泵选型时，首先要确定泵的几个主要参数：排量、排出压力和必需吸入压头(NPSHr)。

由于平台的压载系统主要功能是适应各种作业工况并保持适当的排水量，所以在计算泵排量的时候，应考虑压载注排水总量以及所需的时间。DNV规范的要求非常明确，就是在3h内，压载系统应能使平台在完整无损的条件下，从最大正常操作水线提升至强风暴水线；而CCS和ABS规范的要求是一致的，即压载系统亦应能在3h内，使平台在完整无损的条件下，从最大正常操作水线提升至强风暴水线或一个更大距离，ABS对此“最大距离”定义为4.6m。另外一个标准就是挪威海事管理局关于海上移动平台的规定简称NMA，该标准也对压载系统提出了更高要求,如“在3h内，压载系统应能使平台在完整无损的条件下，从给定的操作水线或者航行水线提升至强风暴水线”。根据此要求，压载注排水总量提高，压载泵的排量也因此而增加。以在烟台中集来福士海洋工程有限公司正在建造的平台“PROSPECTOR”号为例，由于其需要遵守上述NMA要求，特此设计压载泵排量为765M3/hr。

根据以上各个规范的要求，可以从稳性分析专业获得平台改变吃水深度所需要压载注排水的总量，所以有下面公式：

式中：Q为泵总排量；ΔV为总压载注排水量；t为所需排水时间，规范要求3h。

备注：总压载注排水量不包括重力自流注排水的压载水量。

每台压载泵的排量为总排量除以泵的台数。然后，选择泵的排出压力，这与平台的大小有一定关系，一般在0.35MPa～0.5MPa。

最后，要对必需吸入压头进行确定。所谓NPSHr(Net Positive Suction Head Required)就是泵把水吸进叶轮所需加在泵吸口处的静水压力，转化成水柱以后，一般在2m～5m。此数值越小代表泵的吸入能力越强，在选择泵时应给与关注。

2 压载管路的分析

一般而言，平台的压载舱数量要多于普通船舶，为保障整个系统功能的良好实现，在配置系统管网时，应该对系统的每一处管路进行计算和分析，包括海底门到泵吸入口、泵排出口到总管、总管到每个舱室等，且要经过严格的校核计算，才能得出最后的确定值。

2.1 海底门到泵吸入口管路

通常，压载泵会经过海底门上的接管从舷外吸入海水，如果要求泵在额定排量下工作的话，务必使泵吸入口侧管路根据现场布置提供的有效吸入压头（NPSHa）大于泵的必需吸入压头。由于海底门和压载泵多布置在泵舱，此段管路较短，结合从防止管路腐蚀过快和避免泥渣淤积的角度，按照管内流速为1.0m/s～1.5m/s分析，可选取比泵吸入口直径大一级或等同大小的管径。

2.2 泵排出口到总管路

考虑到上述各个规范对压载泵数量的要求和平台压载泵的实际配置，通常情况下，在布管上多采用总管分支管以节省管材的方式。此时根据规范要求和压载系统的实际操作，每个总管应满足两台压载泵同时工作的工况要求，按照管内流速2.0m/s～3.0m/s可确定管径大小。

2.3 总管到舱室支管路

前面提到，平台的压载舱数量要多于普通船舶，而且在调整吃水线时，通常会启动多台压载泵同时对多个压载舱进行注排水操作，可选择压载系统操作程序为依据进行分析。由此，根据泵的排量和支管流速1.0m/s～1.5m/s来确定支管管径。当压载管系的所有管径初步确定后，需要对整个系统进行管系压力损失分析，分析报告的结果应该保证系统的功能实现并满足规范要求，并且要适当调整管径大小和管路布置，再进行校核计算，直到最终精确选取管径。

3 管材和附件的确定

3.1 管系材料

在对压载系统的管材进行选型时，大多考虑经济适用性高的碳钢管，并对表面进行热镀锌防腐蚀处理。但是随着材料工业的发展，近年来GRE、CuNi和PE等管路由于其耐腐蚀性强，质量轻，水流阻力小等优点也得到越来越广泛的应用，取得了很好的使用效果。

3.2 遥控阀门类型

近年来，平台上越来越高的自动化程度同样也体现在压载系统，使之采用了远程阀门遥控系统。阀门遥控按照驱动方式不同可分为液压驱动、电液驱动、气动驱动和电力驱动等。其中液压驱动方式，虽然系统中需提供集中液压动力泵站和多个电磁阀箱，但由于其系统的稳定性、可靠性并且可适用于各种工作环境，故被广泛用于平台和船舶阀门遥控领域。

就阀门本身而言，阀体材料多选用球墨铸铁或者铸钢。对于直接通海的舷外阀，各个规范都有更多的描述，均要求为阀门端部连接形式不能采用对夹式(Wafer-Type),允许使用吊耳式(Lug-type)和法兰式(Flange-type)；材料伸长率不少于12%。自从2006年以来，ABS规范关于舷外阀增加了新的要求：舷外阀为防火式。

3.3 吸口

在压载支管对舱室进行注排水时，末端必须安装钟形吸口(Bell Mouth，俗称“喇叭口”)增加吸干能力。

如果使用异径作为吸口时，多会使两端相差两级，比如支管直径为DN250时，异径为DN350×250，当然这也不是固定的要求，可根据下面公式进行简单的计算：

式中：h为吸口末端和舱底间隙的高度；d为支管直径；D为异径大口端直径。

通过上式得出高度值后，为防止气穴现象发生，实际高度需增加余量，通常为理论值的1.2～1.5倍。

4 压载水的控制和管理

随着各国对其海域生态环境的重视，平台也面临着和船舶同样的问题，就是压载水净化处理。

平台在跨海域作业时，压载水操作是必然的。在加装压载水的同时，海生物也随之被引入到压载舱中，直至航程结束后排放到目的地海域，从而引起了有害水生物和病原体的传播。为此，国际海事组织(International Maritime Organization，简称“IMO”)于2004年颁布了《国际船舶压载水和沉积物控制和管理公约》。随之各国纷纷展开对压载水处理技术的研究。目前常用的主要有以下几种：

4.1 紫外线方法

生物细胞内DNA或RNA中的碱基对在受到紫外线照射后会产生光化学反应，在碱基对间形成化学二聚体。这些化学二聚体会在细胞分裂中阻止DNA或RNA链的复制，从而可以达到消灭微生物的目的。

4.2 电解海水方法

电解海水可以产生次氯酸、次氯酸钠等，可将微生物体内的生物酶(如带有巯基的酶)氧化分解致使其失效，达到规定的杀菌效果。

4.3 海水置换方法

在深海或公海海域更换压载水，不需要增加新的设备，但是这需要一个正确而全面的压载水置换程序，并能指导船员在指定的海域进行正确操作(通用方法)。另外，巴西和美国海域依然要求船舶配备海水置换程序。

5 总结

压载水系统是海上深水移动平台一个非常重要的系统，相对其他系统而言，各国规范对压载系统的要求比较少，但这留给设计者更多的思路，以对系统进行优化设计，设计者可根据平台舱室布置，所有方的特殊要求等因素来选择适合的设备配置，管路布置和系统逻辑控制方案。

在设计阶段，有3个方面需优先考虑：

1）压载泵的参数和配置

该系统由于功能相对专一，主要设备就是压载泵和压载水处理装置、而压载水处理装置可根据泵参数来选定，所以需要优先确定压载泵的数量和主功能参数。

2）压载泵和遥控阀的控制

该系统是自动化程度最高的一个系统，每个压载舱都配置了专门的遥控阀，需要设计一个稳定、可靠并准确的逻辑控制系统，来实现功能操作。

3）管系压力延程损失

由于各海域不同，海水的流体力学也不尽相同，再加上管路布置的复杂性，领域内虽然有不少计算程序，但压力延程损失的精确计算仍是一个难题，希望找到更为理想的计算方案。

[1] 中国船舶工业总公司编. 船舶设计实用手册: 轮机分册[M]. 北京: 国防工业出版社, 1999.

[2] 轮机工程手册编委会. 轮机工程手册: 下册[M]. 北京: 人民交通出版社, 1994.

[3] 中国船级社. 海上移动平台入级和建造规范[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005.

[4] ABS. Rules for Building and Classing for the Offshore Mobile Drilling Units[S].

[5] DNV, OS-D101: Marine and Machinery Systems and Equipment [S].

[6] NMA, Norwegian Maritime Authority, Regulations for Mobile Offshore Units [S].

施耐德电气为宁夏申银特钢项目提供高性能PLC控制系统

近日，全球能效管理专家施耐德电气宣布，为宁夏申银特钢300万吨特钢项目的实施提供具备高端自动化处理能力的PLC控制系统。其主要应用于高炉的喷煤系统、热风炉系统、高炉本体系统、除尘系统、烧结机、球团以及原料场的整体控制。

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I/O连接方式——客户可根据应用场合距离远近、点数数量和集中度、干扰性强弱等指标的不同选择本地IO(LIO)、远程IO(RIO) 或者分布式IO(DIO)，以及更为先进和灵活的工业以太网IO。

数据同步的热备系统——双处理器结构，数据同步与程序处理同时进行，大大缩短数据交换传输时间；即插即备，可以在运行状态下对CPU进行维修和更换。

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全新Unity Pro编程软件——出色的用户友好性，全中文界面；支持多任务操作系统，极大提高了应用程序的灵活性；易于调试，支持断点，内置系统诊断功能。

除了稳定可靠的产品性能，优质高效的服务支持也是施耐德电气最终赢得申银特钢项目的重要因素。从项目前期的方案沟通和配置选择，到系统调试中的技术交流，以及提供售后培训和运行中的技术问题解答，一系列完整的服务体系赢得了客户的高度认可。

Design of Ballast System for Offshore Deepwater Mobile Platform

XU Ben-chuan, WANG Rui, LIU Fu-xiang
(Yantai CIMC Raffles Engineering Center, Yantai 264000, China)

The paper analyses the ballast system design from the point of mobile offshore unit piping system diagram and introduces the requirement and comparison of various classification societies and special rules. According to all rules required, the paper summarizes the design procedure of the whole system and illustrates the optimized system design.

system design; ballast pump; remote control valve; ballast water management

U663

A

徐本川（1983-）， ，助理工程师。主要从事海洋工程管路系统原理设计。