基于自平衡過駁塢的壓載系統設計與分析

黨軍鵬

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

自平衡過駁塢是一種適用特種工程裝備下水/回收的過渡船塢，通常不設置動力裝置，僅在碼頭或靠岸的水域使用。將岸上建造好的工程設備，如平臺、船舶等海工裝備過渡到水上，或將水上的這類裝備回收過渡到岸上或直接在塢上維修使用。在工程裝備下水/回收過程中，該塢能根據上移裝備載荷的不斷變化來調節不同方位的壓載水量，從而實現前后、左右和上下的三維狀態，保持塢的狀態處于上駁/下駁要求的平衡狀態，以適應工程裝備上下塢過程的平穩安全。

該過駁塢的自動平衡主要通過壓載水的裝載和駁出來維持塢的平衡。通過采集壓載艙的液位遙測系統測量的各壓載艙的裝載數據，4角吃水系統測量的塢吃水深度和負載臂傳感器感知船舶的側向受力大小，將收集到的塢上各感知參數傳輸給裝載計算機，裝載計算機通過算法計算并輸出壓載水的調載參數給中央控制系統，中央控制系統來協調控制各壓載泵的啟動停止及不同負荷運行，并控制系統中各中轉遙控閥和壓載艙的進出閥門開關或變流量開度，達到對壓載量的控制，從而控制塢的平衡狀態。

1 壓載水系統設計基礎

在過駁塢工作過程中，壓載水系統的設計必須滿足以下工況：

1）岸塢對接。岸上的海工裝備通過小車運送或滑移的方式移動到過駁塢上或將過塢駁上的設備過駁上岸，需通過壓載水調節保持過駁塢的主甲板面和岸基一直保持平齊，以便裝備順利過駁。

2）駁塢下潛。在定點位置通過打壓載使過駁塢下潛到一定深度，將過駁塢上的海工裝備移動到水面上，這種工況下需要往各壓載艙輸入壓載水，在保持船體穩性和彎矩滿足許用值的條件下，以最短時間完成下潛作業。

3）接駁上浮。將過駁塢下潛到一定水深后，水面上的海工裝備移動到過駁塢主甲板面正上方，在船體吃水保持水平的情況下，將壓載艙內的壓載水排出舷外，船體上浮并托起海工裝備，達到回收裝備的目的。

4）定點作業。這種工況下，過駁塢將處于靜態，只作為一個維修平臺使用，無需壓載水的輸入排出作業。

在過駁塢整個作業過程中，從開始操作到最終裝載結束，其載荷是一個連續不斷變化的過程。這個過程中，塢的重心高度、裝載貨物的重量和潮位吃水都在不斷的變化中，是一個動態的過程，需要對每個狀態作實時定量化分析和計算，使過駁過程中塢的裝載甲板與碼頭始終保持在一個水平面上，以保證過駁的連續安全運行，同時保證塢所承受的各種剪力和彎矩在許用范圍之內。倘若在此過程中出現超過穩態，受力超過許用值則發出報警，暫時停止自動操作轉為人工干預直到各參數在許用范圍內之后，重新開始進入自動操作狀態。在上述執行過程中，壓載泵的容量、壓載艙的艙容和壓載系統管路的設計都將影響整個進程的順利與可操作性。

在過駁塢沉浮過程中，壓載艙水量調節受壓載泵排量限制，沉浮與平穩調節需要一段調整時間，調節時間越短則調整狀態的反應速度越快。因此，對泵的大小和管網設置與艙室的匹配提出較高要求，需要在短時間內保持過駁塢的平穩，同時還需要兼顧整個系統設計的經濟性和可操作性。壓載艙布置圖如圖1所示。

圖1 壓載艙布置圖

2 壓載系統設計

2.1 壓載水系統選擇

壓載水系統的目的是適應各種裝載狀況，保持適當的排水量、調整吃水、縱傾和橫傾，確保一定的航行性能，保持恰當的船舶初穩性高度（GM），獲得適當的復原力，減少過大的彎矩和剪切力[1]。不同類型船舶對壓載水的依賴有較大區別，例如集裝箱船對壓載水依賴性低，而散貨船和油船則依賴性高；依賴性的高低會影響泵的排量選擇。該過駁塢對壓載水的的依賴性很高，上下塢及沉浮過程中塢態的調整完全依靠壓載水來調節，考慮到整個過駁塢的尺寸為100 m×80 m的方型體、壓載艙的均態分布（見圖1）以及沉浮時間8 h的要求，通過壓載量的計算，選擇配置8臺1 200 m3/h的電動調頻壓載泵，相對于壓縮空氣壓載，這樣均布式多臺泵的配置能夠滿足自動調載靈活快速的要求。在泵與壓載區域的劃分上，充分考慮過駁時的方向性，裝備在過駁塢的左右舷上塢/下塢。因此，盡可能多地在該方向設置4臺泵來調節壓載水的輸入和排出，以實現最短時間內的塢體平衡。由于該塢幾乎為定點做業，壓載水系統的設計無需考慮壓載水微生物處理的要求[2]，因此不考慮配套壓載水處理裝置。

2.2 壓載系統設計要點

壓載水系統設計要點如下：

1）采用環式管路設計（見圖2）。可實現壓載艙之間壓載水互相調撥，提高船舶穩性[3]。

2）壓載水艙貫穿全船。為了操作的便捷，均采用遠程控制閥門，即閥門遙控。

3）由于船舶底部布置了管弄，遙控閥門選用系統設計較簡單的電液式和純電動混合遙控閥，省去液壓管路、液壓泵、液壓器件和液壓柜等附屬設備及附件，閥門布置在管弄內，方便后期維護保養。

4）鑒于壓載水系統以含鹽量較高的海水為主，海水對管路具有腐蝕性，管路材料選擇需兼顧耐蝕性和經濟性，需在材料價格與耐蝕性及重量之間找到平衡點，通常可選材料為鍍鋅碳鋼管、耐海水的雙相不銹鋼管、玻璃鋼管和銅鎳合金管。表1為常用管路材料對比[4]，具體需經綜合考慮進行設計。

表1 常用管路材料對比

2.3 系統組成與工作原理

壓載水系統主要設備為8臺帶變頻的電動壓載泵、變頻柜、遙控閥、配電柜、中控臺、43個壓載艙和連接各艙及設備的管路系統。

為了配合壓載系統的自動調撥，實現壓載的靈活快速性，壓載泵組由8臺泵分割成4個壓載單元，每個單元2臺壓載泵通過壓載總管來聯通，通常情況下通過遙控閥來阻斷，這樣能滿足區域壓載互駁調載和壓載泵故障時采用備用壓載的工況，如圖2所示。每個壓載單元中的2臺泵也可以相互備用，能夠駁運彼此負責壓載區域內的壓載水，防止其中1臺泵故障而其負責區域無法打排壓載水。每臺壓載泵各自所對應區域的壓載量盡可能地相近，這樣可以在要求的壓載時間內以最短時間發揮泵的最大能力，完成壓載調撥。每個壓載艙布置1根獨立的進水、排水用的壓載水管, 管路上串聯1只電動式遙控蝶閥, 連接到相對應的區域泵組進行打壓載和排壓載。每臺壓載泵有獨立的海水門進口和排舷外出口，經遙控閥來控制其進出壓載水的流向，同時該系統的設計也考慮到了重力壓載的工況[5]，在沒有嚴格要求壓載時間的工況下，通過遙控閥的隔離設置隔離壓載泵，海水在重力作用下進入壓載艙，實現經濟性壓載，其流量的大小也可以通過遙控閥的開度調節來控制，為重力壓載下的自動調載提供可能性。

打壓載開始后，壓載艙的液位遙測會實時測量和反饋每個壓載艙的水量，4角吃水測量塢的每個角吃水深度，這些參數經計算處理后換算成塢的浮態，然后控制壓載泵和壓載系統中各隔離閥的開關或開度以及泵的排量大小來調節塢的狀態，達到裝卸時要求的姿態。

壓載區域的劃分根據泵的位置就近設置對應的壓載區域，同時考慮上下塢時壓載泵能力的發揮，將幾個單一壓載艙通過壓載管連接到同1臺壓載泵上進行打排壓載水。作為壓載系統的配套系統，其透氣系統根據船塢的結構特點結合穩態要求，采用區域組合透氣，即單一壓載泵對應的壓載區域采用同一組透氣，壓載艙頂部互通，這樣即可簡化使透氣系統，同時也大大節省了透氣管并減輕了船體重量。

2.4 壓載過程中的過駁塢自平衡

調平衡流程圖如圖2所示。

圖2 調平衡流程圖

在壓載調節數學模型和邏輯的基礎上，構建仿真過駁塢自平衡數值模型，將各監測參數與模型及調載進程相結合來設置調節算法，在此算法基礎上進行過駁塢裝卸自動平衡調節。首先輸入過駁塢幾何建模、壓載系統及泵閥建模、待裝裝備幾何建模和重量重心等參數，根據調載模型計算的調載方案對過駁塢進行相應壓載水排注操作，并實時顯示過駁塢的浮態；在裝卸過程中，根據浮態計算過駁塢的穩性及強度，并實時記錄浮態、穩性、總縱強度的時歷曲線。為了提高整個裝卸過程的安全性，若某一設定值超限則報警，立刻停止自動壓載調平衡或沉浮進程，并進入人工干預的手動調節狀態；經過人工干預后的過駁塢各項參數處于設定許用值范圍，各項報警解除之后，再次進入自動調載的自平衡狀態；如此反復，直到裝卸任務完成或駁船塢的吃水狀態達到預設調載狀態，則整個進程結束。在初始使用的過程中設置人工干預來保證系統的絕對安全，經過一段時間的使用后可以對調平算法進行進化升級，從而達到完全的自動平衡調節。

3 壓載時間及管路阻力分析與計算公式

壓載系統的設計主要依賴許可的壓載操作最大操作時長、上下駁時潮汐的變化、壓載量的大小和經濟性等綜合因素。在運輸船舶上，通常留給打壓載的時間為8～10 h[2]，依據該時長，通過全船的最大壓載量來計算出壓載泵的排量。根據壓載泵的排量和壓載時間計算出壓載過程中壓載水的流速：通常選用的壓載管路的流速以2～3 m/s為宜，流速不宜過大。泵的壓力選擇需根據其所在管路上的沿程阻力損失和最大相對提升高度來確定，其中沿程阻力損失包括管路摩擦阻力和閥附件的阻力損失，根據泵的安裝高度和位置考慮泵的汽蝕余量是否滿足泵的吸上高度要求。

壓載過程的最大用時計算為）

式中：T為壓載時間，h；P為泵的排量，m3/h；Q為總的最大壓載量，m3；N為壓載泵的數量。

壓載系統中管路設計流速為：

式中：D為壓載管內徑，m；Q為單臺壓載泵的排量，m3/h；v為壓載管內的流速，為2～3 m/s。

管路引起的沿程阻力損失按下述公式計算[6]：

式中：hf為管路壓降，Pa；λ為摩擦阻力系數λ＝0.1(1.46ε+100Re?1)0.25；L為管子長度，m；d為管子內徑，m；v為管內截面流速，取3m/s）；Q為流量，m3/h；ε為相對粗糙度Δ/d；Re為雷諾數Vd/μ；μ為海水運動黏度，1.05×10?3m2/s；g為重力加速度，取9.81 m/s2；ρ為密度，kg/m3。

閥附件引起的沿程阻力損失按下述公式計算[6]

式中：hm為附件的壓降，Pa；ξ為摩擦阻力系數；v為管內截面流速，取3 m/s；Q為流量，m3/h；d為管子內徑，m；g為重力加速度，取9.81 m/s2；ρ為密度，kg/m3。

4 結論

在自動調載過駁塢設計時，需根據其對穩性浮態調節的高要求，采用傳統的多點分布式變頻泵及多區域協同壓載來滿足調載過程中對靈活快速的壓載需求。將壓載泵盡可能地分布劃分的到每個壓載區塊，每個區塊通過總管聯通，形成網狀的、相互獨立而又能相互備用的壓載管路系統。這將更好地滿足整個項目提出的自動化操作要求，設備配備和管路大小的設計都將圍繞這一核心要求展開，從總體的設計過程和結果可以得出：該系統的設計能夠配合過駁塢自動調載的要求。