典型FPSO降噪設計方法分析

張啟鵬，徐江果，成 磊，宮婉璐

（上海外高橋造船有限公司，上海200137）

FPSO （Floating Production Storage and Offloading），即浮式生產儲油泄油裝置，是集油氣生產處理、儲存外輸和生活發電于一體，且廣泛應用于海上油氣田開發的浮式生產裝置。隨著相關法規的日臻完善和船級社舒適性規范的日益嚴格，FPSO產品的噪聲控制要求不斷提高，降噪設計成本也越來越大，開展降噪設計研究對提高FPSO 產品的競爭力具有重要的意義。

FPSO 艙室噪聲是由電力機械和輔助機械等噪聲源在運行過程中將噪聲傳播至艙室中所形成的噪聲[1]，按照傳播途徑主要分為機械直接向周圍輻射空氣噪聲，各種動力機械通過其基座將振動傳遞給船體導致框架和外殼振動形成的結構噪聲和從艙室空調出風口傳出的HVAC噪聲。以上三種類型的噪聲中，結構噪聲有傳遞遠、衰減慢等特點，是FPSO 降噪設計的難點。

1 船型及噪聲激勵源

本文所涉及船型為某典型30 萬噸FPSO，該型FPSO 船體部分由生活樓區域、機械艙室區域、貨艙區域和艏部泵艙四大主要區域組成。由于對噪聲要求比較高的艙室主要集中在生活樓區域，而主要的噪聲激勵源設備主要布置在機械艙室區域，因此在進行噪聲響應分析時只需考慮生活樓區域和機械艙室區域。兩個區域的布置情況如圖1所示。

圖1 FPSO區域示意圖

根據配套廠商提供的相關設備輸出噪聲數據的資料，該型FPSO 的主要噪聲激勵源包括位于機械艙室區域第四層甲板的主發電機發出的空氣和結構噪聲，位于機械艙室區域第二層甲板的HPU發出的空氣噪聲，位于生活樓區域A 甲板的應急發電機發出的空氣噪聲，位于生活樓區域F甲板的AHU發出的空氣噪聲和每個房間空調出風口發出的HVAC噪聲。

2 噪聲響應分析

使用統計能量法軟件VA One 建立生活樓區域和機械艙室區域模型，如圖2。通過計算得到正常作業工況下該型FPSO 未進行降噪設計時的噪聲響應。根據計算結果可得噪聲響應超標風險較大的艙室為生活樓區域A 甲板上主操作間，主管辦公室和客戶辦公室以及機械艙室區域第三層的儲藏室，詳細情況見圖3。根據廠商提供數據，辦公室HVAC噪聲可被控制在40 dB(A)，儲藏室HVAC 噪聲可控制在60 dB(A)。

圖2 FPSO噪聲響應分析

圖3 艙室噪聲響應

針對噪聲響應超標風險較高艙室的能量傳入情況進行分析。通過依次計算單個噪聲激勵源作用下生活樓區域和機艙區域的噪聲響應的方式計算不同激勵源對艙室能量的貢獻比例，通過分析能量傳遞路徑的方式得到艙室能量的傳入源[2]，詳細情況分別見表1和表2。據此可以認為四個噪聲響應超標風險較大的艙室的主要聲能量來自主發電機產生的結構噪聲，通過艙壁傳遞到艙室內底板并最終傳入艙室。

3 降噪方法

根據噪聲響應分析和噪聲傳遞路徑分析的結果可以知道，該型FPSO 艙室噪聲響應超標的主要原因是主發電機運轉所產生的結構噪聲通過艙室艙壁和甲板傳遞到艙室中，因此可選用于降噪設計的兩種主要方法是通過浮動地板阻斷噪聲向艙室傳遞和通過浮筏將噪聲源與傳遞路徑隔離。

3.1 浮動地板

浮動地板主要通過阻尼減少結構振動，也同時減少了結構噪聲輻射，達到了阻礙結構噪聲向艙室傳遞的目的。浮動地板降低結構噪聲可以分為通過阻尼減少結構振動、通過吸聲材料吸收由振動轉化成的空氣噪聲和通過隔聲材料將空氣噪聲與艙室隔絕三個步驟。浮動地板的隔聲性能主要取決于其阻尼損耗因子、材料吸聲量和材料隔聲量，三個參數分別表示為[3]

式中：η為阻尼損耗因子，T60為試件振動衰減60 dB所經過的時間，f0為阻尼材料系統共振時間，A為材料吸聲量，α為材料吸聲系數，s為吸聲材料吸聲面積，TL為材料隔聲量，τ為隔聲構件透射系數。

根據公式(3)和質量定律，單層內底板的隔聲量可表示為

表1 噪聲激勵源貢獻比例

表2 艙室能量傳入比例

式中：ω為運動角頻率，ρ為空氣密度，c為聲音在空氣中的傳播速度，θ為聲音的入射角，m為隔聲材料單位面積的質量。

根據公式(1)和公式(2)可以得到，浮動地板的阻尼損耗因子和吸聲量取決于其組成材料的性能；從公式(4)中可以看出，浮動地板內底板的隔聲量主要取決于內底板單位面積的質量。此外要讓浮動地板達到預期的降噪效果，還必須將船體結構和艙室內飾板之間的耦合去除，即艙室內底板和甲板之間鋪設彈性層的同時配合彈性安裝的艙壁和天花板。常規的浮動地板的布置示意圖如圖4。

圖4 浮動地板示意圖

浮動地板具有靈活性強的特點，可以針對艙室聲壓級情況完成降噪設計。但是浮動地板的安裝必須保證在任何的船體結構與艙室內壁版之間的連接都是彈性的，這就使其應用受到一定限制。

3.2 浮筏

現代船用機械設備一般通過隔振系統安裝到船體基座上[4-5]，或直接安裝到船體上。船舶與海洋結構物被動隔振系統主要有單層隔振系統、雙層隔振系統和浮筏隔振系統。其中，浮筏隔振系統是一種在雙層隔振系統基礎上得到的隔振技術，它先把多臺機械設備安裝在一個公共的中間質量上，再把筏體通過隔振器安裝在船體上，如圖5。

圖5 浮筏隔振系統示意圖

表征隔振系統效果的常用物理量是力傳遞率，即傳遞力振幅與擾動力振幅的比值。力傳遞率可以表示為

式中：Tf為力傳遞率，FB0為傳遞力幅值，F0為擾動力幅值，ζ為系統阻尼與臨界阻尼之比，f為擾動力頻率，f0為系統固有頻率。

根據公式(5)，浮筏隔振系統中機械設備布置在浮筏上，擾動力在傳遞過程中經過多次基于力傳遞率的衰減后將大幅減小。浮筏可以一次性從根源上解決結構噪聲問題，以振級落差為指標的浮筏減振效果可達35 dB以上。

4 降噪設計

當前在FPSO 設計過程中使用比較廣泛的聲壓級限制規范分別是法國BV 船級社舒適性規范和挪威石油工業組織NORSOK的工作環境規范，故使用浮動地板和浮筏兩種降噪設計方法針對BV 舒適性規范grade 1 和NORSOK 工作環境規范分別進行降噪設計。

使用浮動地板針對BV舒適性規范grade 1進行噪聲控制的降噪設計方案命名為NCTFloatingfloor-BV，使用浮動地板針對NORSOK 工作環境規范進行噪聲控制的降噪設計方案命名為NCTFloatingfloor-NORSOK，使用浮筏針對BV 舒適性規范grade 1 和NORSOK 工作環境規范進行噪聲控制的降噪設計方案命名為NCTFloatingraft。

BV 舒適性規范[6]grade 1 和NORSOK 工作環境規范[7]中關于辦公室和儲藏室的聲壓級限制見表3。

表3 聲壓級限制/dB(A)

從表3中可以看出BV 舒適性規范grade 1 和NORSOK 工作環境規范對辦公室的聲壓級限制均為50 dB(A)，NORSOK 工作環境規范對儲藏室的聲壓級限制為70 dB(A)而BV舒適性規范grade 1對儲藏室沒有要求。

4.1 降噪設計方案—浮動地板

降噪設計方案NCTFloatingfloor-BV具體措施為在生活樓區域A 層甲板上的主操作間，主管辦公室和客戶辦公室3個艙室內底板上鋪設浮動地板。使用統計能量法軟件VA One中的Treatment Lay-up模塊模擬在甲板上安裝浮動地板，通過計算可以得到實施降噪設計方案NCTFloatingfloor-BV后正常作業工況下3個艙室的聲壓級變化情況見圖7(a)－圖7(c)和表4。

表4 方案NCTFliatingfloor-BV/dB(A)

從圖表中可以看出該降噪設計方案可使3個艙室的聲壓級降低大約20 dB(A)，滿足BV舒適性規范grade 1中的聲壓級限制要求。

針對NORSOK 工作環境規范的降噪設計必須考慮機械艙室區域第三層甲板上的儲藏室。儲藏室甲板上布置有設備支架并與儲藏室甲板焊接相連，所以無法將船體結構和艙室內飾板之間的耦合去除，導致浮動地板在隔絕儲藏室結構噪聲的效果上會大打折扣，如圖6。

圖6 設備支架圖

因此浮動地板不適用于針對NORSOK 工作環境的規范進行降噪設計，即降噪設計方案NCTFloatingfloor-NORSOK無法實現降噪效果。

4.2 降噪設計方案—浮筏

降噪設計方案NCTFloatingraft具體措施為在FPSO主發電機與基座之間設置浮筏隔振系統取代設備自帶的隔振裝置。使用統計能量法軟件VA One，將主發電機激勵源改為經過浮筏隔振后的結構噪聲數據，隔振設計前后主發電機輸出的結構噪聲如圖7。通過計算可以得到實施降噪設計方案NCTFloatingraft后正常作業工況下4 個艙室的聲壓級變化情況見圖7(d)－圖7(g)和表6。

表5 浮筏隔振前后主發電機結構噪聲/dB(A)

表6 方案NCTFliatingraft/dB(A)

從圖表中可以看出該降噪設計方案可使4個艙室的聲壓級降低7 dB(A)～10 dB(A)，滿足BV 舒適性規范grade 1 和NORSOK 工作環境規范中的聲壓級限制要求。

圖7 實施方案后艙室聲壓級變化

5 結語

本文使用統計能量法對某典型FPSO 正常作業工況下的噪聲響應和噪聲傳遞路徑進行了分析，對比了浮動地板和浮筏兩種有效降噪方法，針對BV舒適性規范grade 1 和NORSOK 工作環境規范中的聲壓級限制要求分別進行降噪設計，得到結論如下：

1）浮動地板適用于針對BV舒適性規范grade 1進行降噪設計。

2）由于儲藏室貨物支架與船體甲板剛性固定，船體板與艙室內地板之間的剛性耦合無法去除，浮動地板不適用于針對NORSOK 工作環境規范的降噪設計方案。

3）浮筏作為降噪設計方案的適用范圍更廣。浮筏既適用于針對BV舒適性規范grade 1進行降噪設計也適用于針對NORSOK 工作環境規范進行降噪設計。

4）浮動地板作為降噪設計方案的效果更好。浮動地板作為設計方案可使存在噪聲響應超標風險的艙室噪聲降低大約20 dB(A)，浮筏作為降噪設計方案只能使相同艙室噪聲降低大約7 dB(A)～10 dB(A)。