自升式鉆井平臺海水提升潛水泵的設備選型及使用要點研究

楊 奧，鄒世光，盧 方（大連中遠船務工程有限公司，遼寧大連 116113）

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自升式鉆井平臺海水提升潛水泵的設備選型及使用要點研究

楊 奧，鄒世光，盧 方
（大連中遠船務工程有限公司，遼寧大連 116113）

摘 要：以大連中遠船務在建的自升式鉆井平臺系列為例，結合市場上的主流海水提升潛水泵的技術細節，探索出一整套滿足船級社相關規范要求的典型海水提升潛水泵的設備選型及使用要點。

關鍵詞：自升式鉆井平臺；海水提升；潛水泵；選型使用

0 引言

作為自升式鉆井平臺的最基本、最重要的一個系統，海水系統設計的合理、高效、穩定直接決定了整個鉆井平臺工作的可靠性和穩定性。而該系統的核心設備——海水提升潛水泵的選型設計及使用更是設計的重中之重。

本文主要研究自升式鉆井平臺在不同操作工況下潛水泵的選型要點、計算要求、使用要點等，通過實際項目的實施檢驗，總結出一套自升式鉆井平臺項目潛水泵的設備選型、操作維護指導，為其他同類項目提供技術參考和應用實例。

1 鉆井平臺服務工況簡介

與船用項目不同，自升式鉆井平臺的工作狀態比較復雜，各狀態下對海水需求和壓力輸出也不盡一致。結合自升式鉆井平臺的特性，共分為漂浮狀態（主要存在于平臺處于托航或調整位置時）、預壓載狀態（主要存在于平臺定位后，樁靴壓入海床時）、升降狀態（主要存在于平臺定位后平臺處于起升或平臺準備拖移前主船體下降時）、鉆井狀態（此狀態主要存在于平臺起升后，各設備系統均處于正常時）等四個狀態進行分析，見圖1。

2 海水提升潛水泵介紹

2.1功能說明

為保證穩性要求，減少海浪沖擊，自升式鉆井平臺在正常鉆井作業時，通常主船體底部距離海水表面會留有一定的抬高（氣隙）。所以為了從低于主船體及海水閥箱位置的海平面下取水，用于實現平臺的冷卻、預壓載、消防等系統功能，需要設置專用的海水提升潛水泵以實現海水的輸送。

2.2配置情況

根據ABS MODU（美國船級社移動式鉆井單元規范）第4章第2節25.1段的規范要求，對于冷卻水或者消防系統等重要用戶的供水需求，至少應提供兩種水源供應，且每臺泵的能力可以在另一臺泵失效時，仍然可以滿足提供全部海水的需求。一般來說，自升式鉆井平臺配置有三臺海水提升潛水泵，分布在鉆井平臺的三條樁腿處，分別從海平面下取水，注入共用的海水環管，供給整個平臺的各相關系統使用。正常鉆井工況下，使用一臺潛水泵，另兩臺備用；預壓載工況下，由于海水需求量較大，一般使用兩臺潛水泵，第三臺備用，個別項目在預壓載時采用第四臺舷外安裝大排量潛水泵以滿足預壓載速率的要求。

2.3分類情況

按潛水泵的安裝和提升形式大致分為樁腿安裝潛水泵和絞盤安裝潛水泵。

考慮排量的要求，鉆井平臺的海水提升潛水泵一般為離心泵形式，根據壓頭的大小確定離心泵的級數。

2.4維護情況

絞盤安裝潛水泵通過絞盤即可實現潛水泵本體的升降，只需要對應的電力或壓縮空氣氣源即可，相對簡單。由于與數十米長的海水套管連接，樁腿安裝潛水泵一般考慮用甲板吊車或絞車、手動葫蘆的方式，借助工具待整個套管被整體拉出或分段拆除后，才能維護處于最底部的泵體。

2.5實際使用情況

根據平臺使用工況分類，樁腿安裝海水提升潛水泵在漂浮狀態一般放置于樁靴上，待平臺起升到合適位置時，將主甲板上的鎖緊裝置置于水平狀態，令其與潛水泵上的托板對位固定，潛水泵與鉆井平臺主船體保持相對靜止。在鉆井平臺需要移位時，在主甲板降至合適位置時將泵體放置于樁靴上，將鎖緊裝置置于垂直鎖定狀態。從海水套管到海水系統環管的取水連接，需要通過跨界軟管實現。

2.6安裝情況

圖1　自升式鉆井平臺的工作狀態

樁腿安裝潛水泵一般安裝于樁腿一側的兩條沖樁管線之間，以導軌滑動；為保證穩定固定于海水套管上，電纜需要以一定間距，以內襯不銹鋼卡扣的橡膠電纜扎帶連接（需特別注意海水套管的連接法蘭、取水口法蘭處的電纜轉彎半徑以及在升降過程中可能引起的電纜機械損傷），或采取在海水套管上均勻焊接扁鐵的形式安裝電纜，為連接方便，可以考慮在海水套管各連接法蘭處開電纜通過的電纜槽。

絞盤安裝潛水泵一般安裝于絞盤和軟管的Y型接頭上，以電馬達或氣動馬達驅動。一般按成撬設備訂貨，船廠僅需將設備基座安裝于甲板面上，將絞盤海水出口與鉆井平臺上的管線連接即可。

2.7海水提升泵的材料選型

考慮到潛水泵的使用環境，泵軸常選擇機械性能更優的雙相不銹鋼，外殼和葉輪常用更耐海水腐蝕的鎳鋁青銅材質。

3 海水提升潛水泵排量計算

通過對自升式鉆井平臺的主要使用工況（漂浮狀態、預壓載狀態、起升狀態、鉆井狀態等）的設備系統工作要求和所需條件等進行分析、研究，總結出如下設計經驗要求。

3.1漂浮狀態

此狀態時，基本海水用戶包括主發電機組燃油冷卻器、空調冷藏的制冷單元、空壓機、衛生系統，其他主要海水用戶處于非工作狀態。以大連中遠船務的自升式鉆井平臺項目為例，在漂浮狀態，海水需求量計算過程如下：

1）燃油冷卻器：燃油冷卻器的配置為2×100%，正常使用一臺，備用一臺，水量需求為15 m3/h；

2）冷水機組：冷水機組的配置為2×100%，正常使用一臺，備用一臺，水量需求為180 m3/h；

3）衛生水壓力水柜：按平臺上的實際人員需求為5 m3/h；

4）水冷空壓機組：平臺上配置有三臺水冷空壓機組、兩臺風冷、一臺水冷，總冷卻海水用量需求為216.3 m3/h。

3.2預壓載狀態

此狀態時基本海水用戶包括主發電機組燃油冷卻器、空調冷藏的制冷單元、空壓機、衛生系統，其他主要海水用戶處于非工作狀態。以大連中遠船務的自升式鉆井平臺項目為例，在預壓載狀態，海水需求量計算過程如下：

1）燃油冷卻器：燃油冷卻器的配置為2×100%，正常使用一臺，備用一臺，水量需求為15 m3/h；

2）冷水機組：冷水機組的配置為2×100%，正常使用一臺，備用一臺，水量需求為180 m3/h；

3）衛生水壓力水柜：按平臺上的實際人員需求為5 m3/h；

4）水冷空壓機組：平臺上配置有三臺水冷空壓機組，兩臺風冷，一臺水冷，總冷卻海水用量需求：通過上式計算得出海水需求量為216.3 m3/h。

3.3升降狀態

此狀態下基本海水用戶包括主發電機組燃油冷卻器、空調冷藏的制冷單元、衛生系統，其他主要海水用戶處于非工作狀態。以大連中遠船務的自升式鉆井平臺項目為例，在升降狀態，海水需求量計算過程如下：

1）燃油冷卻器：燃油冷卻器的配置為2×100%，正常使用一臺，備用一臺，水量需求為15 m3/h；

2）冷水機組：冷水機組的配置為2×100%，正常使用一臺，備用一臺，水量需求為180 m3/h；

3）衛生水壓力水柜：按平臺上的實際人員需求為5 m3/h。

3.4鉆井狀態

此狀態下基本海水用戶包括主發電機組燃油冷卻器、空調冷藏的制冷單元、衛生系統、造水機、泥漿泵缸套及滑油冷卻系統、空壓機、消防泵、變頻器、DRAWWORKS剎車冷卻系統，主要海水用戶處于工作狀態。以大連中遠船務的自升式鉆井平臺項目為例，在鉆井狀態，海水需求量計算過程如下：

1）燃油冷卻器：燃油冷卻器的配置為2×100%，正常使用一臺，備用一臺，水量需求為15 m3/h；

2）冷水機組：冷水機組的配置為2×100%，正常使用一臺，備用一臺，水量需求為180 m3/h；

3）衛生水壓力水柜：按平臺上的實際人員需求為5 m3/h；

4）水冷空壓機組：平臺上配置有三臺水冷空壓機組、兩臺風冷、一臺水冷，總冷卻海水用量需求：通過上式計算得出海水需求量為216.3 m3/h；

5）造水機：兩臺反滲透式造水機的配置是2×100%，正常使用一臺，備用一臺，水量需求為8.2 m3/h；

6）高壓泥漿泵：平臺上配置有三臺高壓泥漿泵，缸套清洗水海水需求量為81.9 m3/h，滑油冷卻器海水需求量為3×27.3=81.9（m3/h）。所以三臺泥漿泵的總海水需求量為81.9+81.9=163.8（m3/h）；

7）絞車：絞車齒輪箱滑油冷卻海水需求量為39.7 m3/h；

8）消防：按規范，需要考慮兩套消防水龍帶的海水需求，根據訂貨噴嘴參數，共需50 m3/h；

9）高壓泥漿泵及鉆臺設備變頻器（VFD）：一套高壓泥漿泵和鉆臺設備變頻器的海水冷卻需求為46 m3/h。

所以，鉆井工況下的海水需求總量為：15+180+5+16.3+8.2+163.8+39.7+240+46=714（m3/h）

綜合各工況下的海水耗量，經綜合對比分析，見表1。

表1　各工況下海水耗量需求表

通過對比各工況海水需求量分析，本項目潛水泵選擇三臺400 m3/h，揚程71 m的二級離心式潛水泵，滿足兩臺正常工作，一臺處于備用。

3 海水提升潛水泵壓頭計算

根據規格書的主甲板海水預留壓力要求、平臺氣隙、目標海域浪高等參數，通過預估在對應排量時的管路沿程阻力和局部阻力，結合各海水冷卻設備的最大許用壓力要求，最終得出泵的壓頭需求。

至此，確定海水提升潛水泵的排量和壓頭選型值：400 m3/h×71 m。

表2　海水提升潛水泵壓頭計算表

圖2　海水系統管路布置圖

表3　海水系統管路沿程阻力、局部阻力計算表

表4　海水提升潛水泵實際選型的數據表及流量—壓力性能曲線

圖3　海水提升潛水泵實際選型的數據表及流量—壓力性能曲線

4 結論

海水提升潛水泵的選型及使用決定了整個自升式鉆井平臺的海水系統的成敗，由于海水用戶和使用工況的多樣性，也一直是平臺設計中的難點。本文通過基于實際項目的計算分析，總結出海水提升潛水泵的設計選型及使用要點，相信對同類項目有著充分的借鑒作用。經現場實際驗證，所有計算分析過程和實際使用情況均符合預期，理論與實際得到了相互印證。

參考文獻：

［1］ Cameron Letourneau Super S116E Operating Manual ［Z］. 2010.

［2］ 中國船舶工業總公司. 船舶設計實用手冊［Z］. 北京：國防工業出版社， 1996.

［3］ 中國船舶工業集團公司， 中國船舶重工集團公司， 中國造船工程學會， 編. 船舶設計實用手冊 輪機分冊［M］. 北京： 國防工業出版社， 2013.

中圖分類號：U674.38+1

文獻標志碼：A

DOI：10.14141/j.31-1981.2016.03.006

作者簡介：楊奧（1984—），男，在職研究生，工程師，研究方向：船舶動力系統、船舶系統等方面的詳細設計。

Research of Key Points of Selection and Application of Raw Water Lift Submersible Pump on Self-Elevating Jack-up Rigs

Yang Ao， Zou Shi-guang， Lu Fang
（COSCO Dalian Shipyard Co.， Ltd.， Liaoning Dalian 116113， China）

Abstract：Taking the actual jack-up rig which are being built in COSCO （Dalian） Shipyard as an example，combining with the technical details of regular raw water lift submersible pumps on the market， the paper concludes a full set of key points of selection and application of the submersible pumps.

Key words：self-elevating jack-up rig； raw water lift； submersible pump； selection and application