對(duì)半潛船舶排壓載系統(tǒng)的技術(shù)討論

馬方廷，王正權(quán)

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071)

0 引言

半潛駁和半潛船下潛及起浮的共同點(diǎn)是依靠排壓載系統(tǒng)實(shí)施注排水來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即向船舶的壓載水艙注水，船舶下潛；由壓載水艙向外排水，船舶起浮。筆者在本文中僅就半潛駁和半潛船排壓載系統(tǒng)的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行討論，因此文中把半潛駁和半潛船統(tǒng)稱為半潛船舶。

本文就半潛船舶壓載系統(tǒng)的構(gòu)成、性能和使用實(shí)踐，對(duì)近20 a經(jīng)歷的半潛船舶排壓載系統(tǒng)做初步討論，以供業(yè)內(nèi)同仁參考。本文涉及的中交一航局半潛駁、中交“希望之路”半潛船和舟山“38 000噸級(jí)自航半潛船”，是1994—2012年先后由國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)建造的，涉及到兩個(gè)城市的4個(gè)設(shè)計(jì)院，鑒于知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬和合同的約定，本文不涉及設(shè)計(jì)計(jì)算和設(shè)計(jì)圖紙等專項(xiàng)資料。

1 中交一航局半潛駁排壓載系統(tǒng)的基本經(jīng)驗(yàn)

在沉箱大型化趨勢(shì)嶄露頭角的1994年，一航局立項(xiàng)開(kāi)發(fā)“大型沉箱出運(yùn)下水的工藝和裝備”，到2011年，先后開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)建造并且投入使用的半潛駁共8艘，舉力分別為1200t、3000t、4000 t、5 000 t、6 000 t、7 000 t、10 000 t等，包括搭岸式、坐底式和兩者兼?zhèn)涞慕Y(jié)構(gòu)型式[1-3]。

1.1 半潛駁排壓載的動(dòng)力源

以上半潛駁排壓載的動(dòng)力源都是壓載水泵，即業(yè)內(nèi)所稱的“水排”。

1.2 壓載水總量和壓載艙的數(shù)量與布置

根據(jù)舉力大小和從船舶設(shè)計(jì)吃水到最大潛深及時(shí)間等使用性能要求，計(jì)算確定壓載水總量和設(shè)計(jì)壓載艙的數(shù)量與布置。

一航局8艘半潛駁的最大潛深18.70～23.50 m，主甲板（A甲板）吃水在14.2～18.0 m之間，從船舶設(shè)計(jì)吃水到最大潛深的時(shí)間（單過(guò)程）在90～150 min范圍內(nèi)。舉力最大的一艘半潛駁壓載水總量27 189.5 m3。

1.3 半潛駁要素的匹配

半潛駁以下要素的匹配很重要：1）壓載泵的形式、臺(tái)數(shù)、規(guī)格（包括排量和揚(yáng)程）；2）排壓載系統(tǒng)的海底門（海底閥箱）規(guī)格、數(shù)量和布置；3）排壓載系統(tǒng)的管系通徑和壓載艙空氣系統(tǒng)與排壓載系統(tǒng)的匹配性。以上三者相互影響和制約，需要在詳細(xì)計(jì)算的基礎(chǔ)上充分論證和優(yōu)化。

以上半潛駁的壓載泵都是立式離心泵，均為國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)和制造。每艘半潛駁的壓載泵4～8臺(tái)，每臺(tái)壓載泵的排量在1 000～1 500 m3/h范圍，揚(yáng)程在12.0～16.5 m范圍內(nèi)。

排壓載系統(tǒng)的海底門少者2個(gè)、多者8個(gè)。海底門的設(shè)置有兩個(gè)基本模式：其一、4臺(tái)壓載泵設(shè)置2個(gè)海底門；其二、8臺(tái)壓載泵設(shè)置8個(gè)海底門，每臺(tái)壓載泵獨(dú)立設(shè)置一個(gè)海底門水箱，海水管伸入海底門水箱，海水管口對(duì)準(zhǔn)海底格柵，排水可以直接沖洗海底格柵。當(dāng)然，還有壓縮空氣作為吹洗海底格柵的備用，在管系設(shè)置上，把海水總管上的隔斷閥關(guān)閉，每臺(tái)壓載泵保持各自系統(tǒng)的獨(dú)立作業(yè)。壓載系統(tǒng)管系的通徑有若干規(guī)格，如DN250 mm、DN350 mm、最大的總管通徑不超過(guò)DN450 mm。

1.4 排壓載系統(tǒng)注排水的方式

排壓載系統(tǒng)采用打開(kāi)海底門自然進(jìn)水和壓載泵強(qiáng)制排水方式，同時(shí)，具備壓載泵強(qiáng)制進(jìn)水的能力；動(dòng)力泵站的壓載泵可以單動(dòng)、可以聯(lián)動(dòng)且互為備用。

1.5 壓載水系統(tǒng)壓載泵和真空自吸裝置的設(shè)置和系統(tǒng)控制

壓載水系統(tǒng)設(shè)置壓載泵和真空自吸裝置、電液式蝶閥遙控裝置、電磁控制閥箱、蝶閥及驅(qū)動(dòng)頭、液壓泵站、壓載水艙測(cè)量裝置，設(shè)置船體吃水?dāng)?shù)據(jù)和壓載水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、顯示、儲(chǔ)存和控制系統(tǒng)，設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警系統(tǒng)、電視監(jiān)視系統(tǒng)。以上基本上都是國(guó)產(chǎn)設(shè)備。

8艘半潛駁的壓載泵及各蝶閥均實(shí)施集中控制，中央控制臺(tái)和集控臺(tái)顯示蝶閥的啟閉和開(kāi)度、泵的出口壓力、排壓載系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬流程圖。各個(gè)蝶閥還有就地控制和手動(dòng)應(yīng)急泵的應(yīng)急控制功能。每個(gè)壓載艙液位采用吹氣遙測(cè)裝置測(cè)深系統(tǒng)，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)工控機(jī)處理后，在中央控制臺(tái)和集控臺(tái)的顯示屏上顯示。為了盡量消除由于大排量而引起壓載艙內(nèi)吸口周圍旋渦，除了控制每個(gè)壓載艙蝶閥的開(kāi)度以外，每一臺(tái)壓載泵進(jìn)出口各設(shè)2只蝶閥，以滿足不同工況的進(jìn)排水量化的需要。

從8艘半潛駁的使用效果看，排壓載系統(tǒng)的技術(shù)性能一直很好，完全能夠滿足大型沉箱出運(yùn)下水的施工需要，試驗(yàn)和使用過(guò)程中的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，完全符合設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，震動(dòng)和噪音也很小，應(yīng)當(dāng)肯定該系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)的基本經(jīng)驗(yàn)。

1.6 掃艙系統(tǒng)的設(shè)置

雖然排壓載系統(tǒng)能夠盡可能減少壓載艙內(nèi)所剩殘余水量，但是，為了盡量減少剩余水量、消除自由液面對(duì)船舶穩(wěn)性的影響，8艘半潛駁均設(shè)置了船舶掃艙系統(tǒng)。

2 中交“希望之路”半潛船排壓載系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn)

中交“希望之路”半潛船是2008—2009年國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的第一艘遠(yuǎn)洋半潛船，載重量20 000 t。

2.1 動(dòng)力源的選定

排壓載的動(dòng)力源是排壓載空壓機(jī)即業(yè)內(nèi)常說(shuō)的“氣排”。

2.2 排壓載空氣系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

排壓載空氣系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)：設(shè)置4臺(tái)排壓載空壓機(jī)（此處加上“排壓載”的前綴是為了區(qū)別船上的其他空壓機(jī)），可以單動(dòng)也可以聯(lián)動(dòng)；排壓載空壓機(jī)型號(hào)為ALG-6v-1.75，容積流量3 600 m3/h，排氣壓力0.175 MPa，進(jìn)氣壓力0.055/0 MPa，冷卻方式為水冷（冷卻水壓力0.4～0.6 MPa），冷卻后排氣溫度＜50℃。

2.3 排壓載空壓機(jī)室的設(shè)置

在船舶艏段（艏樓）E甲板設(shè)置專門的排壓載空壓機(jī)室（以壓載水泵為動(dòng)力源的半潛船，泵艙設(shè)置在A甲板以下機(jī)艙附近）。每臺(tái)排壓載空壓機(jī)的尺寸是L/W/H3 700/1 900/1 990 mm，重量8 000 kg/臺(tái)。排壓載空壓機(jī)室的進(jìn)氣管通徑DN250 mm，排氣管通徑DN200 mm。電機(jī)功率160 kW，啟動(dòng)方式為直接啟動(dòng)。排壓載空壓機(jī)電源6 000 V/50 Hz/3ph/3φ，遙控或者機(jī)旁控制。

2.4 排壓載系統(tǒng)設(shè)置和組成

系統(tǒng)設(shè)置由壓力釋放閥及真空阻斷閥組成壓力/真空閥；設(shè)置氣旋式氣水分離器；100多個(gè)電液式遙控碟閥布置在壓載水系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)中，碟閥的通徑為DN32 mm、DN40 mm、DN50 mm、DN100 mm、DN125 mm、DN150 mm、DN200 mm、DN250mm；空氣管通徑為DN100mm、DN125mm、DN150 mm、DN200 mm、DN250 mm；壓載水艙的壓縮空氣分配總管DN800 mm；壓載水管通徑主要是DN32 mm、DN40 mm、DN50 mm；閥門開(kāi)啟點(diǎn)與全開(kāi)點(diǎn)的壓力差為0.01 MPa。

2.5 壓載水艙

幾十個(gè)壓載水艙，每個(gè)壓載水艙單獨(dú)通海。上、中、邊、下壓載水艙的管系規(guī)格各有區(qū)別。

2.6 艙底水排凈

每個(gè)壓載水艙的船體結(jié)構(gòu)剖面圖相當(dāng)于“菱形”，壓載水艙結(jié)構(gòu)船板是斜的，底是“尖的”（以壓載水泵為動(dòng)力源的半潛船，壓載水艙底板基本上是平的）；加上動(dòng)力源是壓縮空氣和每個(gè)壓載水艙單獨(dú)通海，以壓縮空氣排水之后，基本上可以把艙底水排凈，因此不需要設(shè)置掃艙（艙底水）系統(tǒng)，自由液面的影響可以控制到最小。

該船2011年投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，技術(shù)狀態(tài)一直很好，實(shí)踐表明其排壓載系統(tǒng)的技術(shù)是成功的。

3 “38000噸級(jí)自航半潛船”的排壓載系統(tǒng)

“38000噸級(jí)自航半潛船”是2010—2011年國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)洋半潛船，2012年8月投入運(yùn)營(yíng)，前5個(gè)月左右的時(shí)間里，完成了新加坡、澳大利亞、印度尼西亞、西非尼日利亞等5個(gè)航次的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸，狀態(tài)良好。

其排壓載系統(tǒng)的動(dòng)力源是壓載水泵，因此技術(shù)原理和要素與上述半潛駁大同小異，需要提及的特點(diǎn)如下：

3.1 壓載系統(tǒng)、調(diào)載系統(tǒng)、掃艙（艙底水）系統(tǒng)的設(shè)置

全船設(shè)置壓載系統(tǒng)、調(diào)載系統(tǒng)、掃艙（艙底水）系統(tǒng)；在A甲板以下機(jī)艙后部設(shè)置4臺(tái)壓載水泵形成泵組（立式離心泵），每臺(tái)壓載泵的流量3 200 m3/h、揚(yáng)程25.0 m；泵的進(jìn)口直徑600 mm,泵的出口直徑500 mm；電機(jī)功率315 kW；泵組配備兩套真空自吸裝置（一用一備）；設(shè)置2臺(tái)調(diào)載泵，每臺(tái)調(diào)載泵的技術(shù)規(guī)格為500 m3/h、0.4 MPa；壓載泵之間、壓載泵與調(diào)載泵之間均可以實(shí)施切換。

3.2 壓載水系統(tǒng)的遙控蝶閥

壓載水系統(tǒng)的遙控蝶閥（對(duì)夾式）通徑為DN150 mm、DN200 mm、DN250 mm、DN300 mm、DN350 mm、DN400 mm、DN700 mm、DN900 mm、DN1000mm、DN1200mm。壓載水系統(tǒng)管系通徑為DN150 mm、DN200 mm、DN250 mm、DN300 mm、DN350 mm、DN400 mm、DN600 mm、DN700 mm、DN900 mm、DN1 000 mm、DN1 200 mm。艙底水系統(tǒng)的管系通徑規(guī)格小者DN32 mm、DN40 mm，大者DN250 mm、DN300 mm。

3.3 壓載水艙的空氣管規(guī)格及出口設(shè)置

壓載水艙的空氣管和空氣管頭的規(guī)格為DN250 mm、DN300 mm、DN350 mm、DN400 mm。空氣管頭的出口安裝在艏樓（艏段）B甲板與C甲板之間，B甲板距船舶基線25 600 mm，C甲板距基線28 400 mm（船長(zhǎng)約200 m）。

3.4 排壓載系統(tǒng)設(shè)置

排壓載系統(tǒng)設(shè)置2個(gè)海底門，4臺(tái)壓載泵和2臺(tái)調(diào)載泵都具備調(diào)整壓載水的能力，操作時(shí)或使用壓載泵或使用調(diào)載泵（二者可以切換）。

3.5 壓載泵的作業(yè)

在船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)、壓載水艙空氣管系統(tǒng)試驗(yàn)、船舶潛浮試驗(yàn)過(guò)程中，理論上4臺(tái)壓載泵可以同時(shí)作業(yè)，實(shí)際上有困難，特別是在大排量的工況下，壓載艙內(nèi)吸口周圍容易產(chǎn)生旋渦、系統(tǒng)中容易產(chǎn)生附加的震動(dòng)和噪音。

4 結(jié)語(yǔ)

1）多年的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和施工實(shí)踐表明，中交一航局半潛駁的排壓載系統(tǒng)，完全能夠滿足設(shè)計(jì)和使用的技術(shù)要求；以壓載水泵為動(dòng)力源的排壓載技術(shù)方案（即所謂“水排”）是成功的；舉力10 000 t及其以下的半潛駁的排壓載系統(tǒng)選擇“水排”方案是適宜的。

2）理論分析和“希望之路”的實(shí)踐表明，對(duì)于以空壓機(jī)為動(dòng)力源的排壓載方案（即所謂“氣排”），做如下技術(shù)分析：

①由于壓載水艙的船底板是相對(duì)“尖的”，加上“氣排”的正壓和負(fù)壓效應(yīng)，在不設(shè)置掃艙（艙底水）系統(tǒng)的情況下，能夠保障艙底水基本排凈，最大限度消除自由液面的影響，提高船舶穩(wěn)性。

②由于每個(gè)壓載水艙單獨(dú)通海，壓載水系統(tǒng)的蝶閥、管系可以顯著“瘦身”（即規(guī)格少、通徑小）；壓載水注入和排出路徑相對(duì)較短、各個(gè)壓載水艙的排量相對(duì)較小，艙內(nèi)吸口附近不產(chǎn)生水旋渦；壓載水注入和排出快捷。

③大型專用空壓機(jī)的國(guó)產(chǎn)化（“希望之路”的空壓機(jī)是英格索蘭埃爾特的技術(shù)）應(yīng)當(dāng)引起國(guó)內(nèi)空壓機(jī)行業(yè)的關(guān)注。

3）國(guó)內(nèi)外大型遠(yuǎn)洋半潛船有“氣排”和“水排”兩類模式（“氣排”的多，“水排”的少），而且“水排”模式的半潛船也都在運(yùn)營(yíng)中，且都能滿足遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)營(yíng)需要；盡管如此，筆者依然認(rèn)為，對(duì)于載重量20 000 t及其以上的大型遠(yuǎn)洋半潛船，在其他條件容許的情況下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)選“氣排”的技術(shù)方案。

[1]張家松.2 900 t舉力半潛駁總體設(shè)計(jì)[J].船舶，2003（6）：28-31.

[2]馬方廷，谷克超，王立峰，等.坐底式半潛駁的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2006（1）：62-65.

[3]王正權(quán)，馬宗田.10 000 t沉箱出運(yùn)船（半潛駁）的研制及應(yīng)用[J].船舶工程，2012（3）：14-17.