8 000 kW搶險打撈拖船散料和泥漿系統的設計及安裝

肖祖光， 彭建文， 黃廣雄

(中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州 511462)

0 引 言

船舶散料和泥漿系統因運輸儲存介質的特殊性，對管路布置的要求較高，且因船體空間的限制，要在罐艙容積盡可能大(經營性需求)的情況下能良好地運轉，在生產設計該系統時需特別謹慎。目前國內外對該系統的研究大多僅限于管路制作工藝和管線布局，對罐艙、設備和管路有機結合的整體布局開展的研究不多，對系統相關設備安裝難點開展的研究也很少。本文擬通過對某8 000 kW搶險打撈拖船上的散料和泥漿系統的設計及安裝進行介紹，為上述研究打開思路，同時為類似多用途工作船的設計和建造提供參考。

1 散料系統的設計及安裝

散料系統又稱散料輸送系統，主要用來為海上平臺供應鉆井所需的粉狀物料。該系統采用氣固兩相流的技術實現粉狀物料在岸上基站、船舶與海上平臺之間的長距離、密閉的高效輸送作業。這種氣固兩相流系統呈現的狀態為通常所說的流態化，氣固兩相流流態化理論是粉狀物料氣力輸送技術的基礎。

1.1 散料系統作業原理

粉狀物料的氣力輸送利用空氣壓縮機壓縮空氣的壓能作為動能，攜帶粉狀物料作復雜運動，使物料粒子的位置不斷發生變化，達到預期輸送和混合均勻的目標。

散料輸送系統的作業方式有裝貨作業和卸貨作業2種，其中：裝貨作業是指由岸上基站或海洋平臺的壓縮空氣直接將散料送入散料罐中儲存；卸貨作業是指使用船上的壓縮機將散料罐中的物料輸送給海上平臺。散料罐具有特殊設計的罐底和流化裝置，可使罐底的物料充分流化，從出料管排出。船上的壓縮機不僅能為整個作業過程提供動力風源，而且具有助吹和壓縮空氣掃線的功能[1]。

1.2 散料系統設計

本文所述8 000 kW搶險打撈船的散料系統配備有4個散料罐， 散料經主甲板上的裝載站接口和管路注入散料罐或向海洋平臺輸送。散料系統分為獨立的2部分，以滿足同時儲運2種不同類型散料的需求。4個散料罐平均分為2組，設置2套獨立管系，相應地配置2臺空壓機、2臺干燥機和2個除塵系統。2個獨立系統的空壓機和干燥機可互為備用。散料系統主要用于運輸粉狀物料，因此散料罐的罐體一般采取圓柱型設計，上下封蓋采用上圓弧型下錐型或上下均為圓弧型設計。考慮到該船的空間有限，罐體的上下封蓋均采用圓弧型設計，這樣罐底的空間利用率更高，對雙層底上相關管路和設備的布置更加友好。考慮到散料的特性，為避免散料在管路中堆積導致管路堵塞，運輸管線盡量采用直管，避免有過多彎管，需要彎管的地方采用至少5倍管徑的彎曲半徑。管線的連接件采用維特利接頭，這種接頭相比普通的法蘭或套管，既方便拆檢維修，又能起到一定的減振效果。

該船配備的設備主要有4個散料罐、2臺空壓機、2臺干燥器、1臺噴射泵、1套控制系統(含采集箱、可編程邏輯控制器和遠程控制板)、2套濾芯式濾器和散料收集罐(濾器單元)。裝貨時，打開輸送管線和散料罐透氣管線上的相關閥件，由岸上的基站或海洋平臺通過壓縮空氣直接將散料送入散料罐中儲存。同時，打開連接濾器單元的相關閥件，由濾器單元過濾從散料罐中擠壓出來的攜帶大量散料的壓縮空氣，散料會沉積在濾器單元的底部，過濾后的空氣則直接排至大氣中。裝貨結束之后啟動空壓機，可將沉積在濾器單元中的散料再次運輸到散料罐中。卸貨時，打開助吹管線和輸送管線上的相關閥件，關閉散料罐透氣管線上的閥件，啟動空壓機干燥器，空壓機產生的壓縮空氣通過干燥器干燥之后，直接從散料罐頂部注入罐體中，在罐體內產生壓強，帶動散料進入輸送管線并運輸至目的地。若罐體內的壓力過大，則罐體上的安全閥會自動開啟，從而減小罐體內的壓力。當需清潔濾器單元中的濾器時，開啟空壓機，打開相關閥件，由壓縮空氣通過噴射泵帶動濾器中的粉狀物料，將其吹到濾器單元底部收集起來。

1.3 散料系統安裝

散料系統的安裝主要涉及散料罐體、濾器單元、空壓機、干燥器和管系閥件的安裝等。相對于其他船型，本文所述船舶的散料系統的安裝主要有以下難點：

1) 空間小。由于散料罐艙內的設備和管路較多，且散料系統的管路需5倍彎管半徑，同時電纜和風管占有大量空間，在安裝時應著重考慮合理地利用有限的空間，在保證船舶設備的各項功能均正常的同時，盡可能多地留出設備的維修空間和通道。

2) 結構復雜。受艉部推進器艙的影響，散料罐艙的底部1 200 mm平臺并不是一個平面，而是具有一定坡度的斜面，罐體頂部要保證在同一水平面上。因此，各散料罐的支撐立柱高度并不一致，且支撐立柱需具有足夠的強度，以保證在斜面上也能保持平衡。

3) 空壓機、干燥器和濾器單元的布置需具有一定的合理性，盡量避免連接管線中的壓縮空氣動能損耗太多，根據系統的工作原理和特性布置各項設備，使整個系統能順暢地運行。

為解決這些問題，建造方以三維建模和設備資料為依托，與船東、船舶設計院和各設備廠家進行協調溝通，在保證罐體容積的同時，對散料罐的外形尺寸和形式進行詳細的設計優化，保證散料罐的安裝、可操作性和維修空間等滿足要求。在確定散料罐艙內最大的設備(散料罐)之后，以系統的連續性為依據對其他設備進行合理的布置。具體布置見圖1和圖2。

圖1 散料罐艙底層設備布置

圖2 散料罐艙上層設備布置

相較之前的布置(見圖3和圖4)，本文的布置主要有以下2點優化：

圖3 原散料罐艙上層布置

圖4 原散料罐艙下層布置

1) 空壓機和干燥器移位，由平臺甲板移到了雙層底上；

2) 濾器單元由雙層底移到了平臺甲板上。

這樣的布置解決了之前散料系統在裝卸散料時管路不順暢的問題，同時散料罐艙的空間利用率得到了大大提高，原散料罐艙底部靠艉部的位置還可空出來空間布置遙控蝶閥。同時，為保證散料罐體的穩定性，避免其在支撐上出問題，在原設計方案的基礎上，在平臺甲板一層增加部分支撐，這樣既能保證散料罐在水平方向上受力的穩定性，又能保證對布置在散料罐艙底部的空壓機和干燥器等設備的維護維修沒有影響。

2 泥漿系統的設計及安裝

船舶泥漿系統又稱船舶泥漿輸送系統，是一種液貨輸送系統,其主要作用是向鉆井平臺和采油平臺提供泥漿，或將平臺上不用的泥漿回收到岸上處理。一套完善的船舶泥漿輸送系統通常由泥漿接收/輸送系統和泥漿清洗系統2部分組成。

2.1 泥漿系統作業原理

1) 泥漿的接收/輸送系統用于完成裝貨作業、卸貨作業和運輸作業，由泥漿輸送泵提供動能。當船舶裝載泥漿時，需開啟泥漿艙內的攪拌器，充分攪拌泥漿，保證其內部各種物質混合均勻，同時防止這些物質結塊。在裝載過程完成之后，運輸途中需同時開啟泥漿泵和攪拌器，這樣能使泥漿一直保持流動狀態，避免其在艙內或運輸管線中結塊。當船舶卸載泥漿時，開啟泥漿輸送泵，將泥漿輸送給平臺即可。

2) 泥漿清洗系統用于在完成泥漿輸送作業之后清洗泥漿艙和泥漿管路中的殘留泥漿，避免泥漿結塊導致管線被堵，最終無法正常作業。罐艙清洗系統一般包含洗艙機、洗艙泵、污水泵、藥劑罐和藥劑泵等設備。在完成泥漿運輸作業之后，通過洗艙泵將清潔的加過特殊藥劑的熱水輸送給洗艙機，洗艙機在泥漿艙內360°無死角掃艙，之后產生的污水通過污水泵抽入特定的泥漿污水艙中儲存，待船舶靠岸之后排至岸上。

2.2 泥漿系統設計

該船主要配備4個泥漿艙(用于儲存泥漿)、1個泥漿污水艙(用于儲存清洗泥漿艙之后產生的污水)和1個熱水艙(用于儲存清洗泥漿艙的熱水)。泥漿通過泥漿泵輸送，經主甲板上裝載站的快速接口和管路向泥漿艙注入或向平臺輸送。泥漿輸送系統分為獨立的2部分，以滿足同時儲運2種泥漿的需求。4個泥漿艙被均分為2組，設置2套獨立的管系，相應地配置2臺泥漿泵，2臺泥漿泵可互為備用。清洗系統只配備1套，可清洗所有泥漿艙，并將污水儲存至泥漿污水艙或直接排至岸上。

該船配備設備主要有2臺泥漿泵(單螺桿液壓啟動泵)、1臺污水泵、1臺洗艙泵、5套洗艙機(每艙1套，含泥漿污水艙)、1臺加藥泵、1臺板式熱交換器、4臺液壓攪拌器、1臺藥劑泵、1臺熱水循環泵、1只藥劑桶、1套控制系統和1臺液壓泵站。泥漿輸送及循環相對簡單，打開泥漿泵和相關閥件即可。洗艙系統的運行相對復雜一些，先通過板式熱交換器將熱水艙內的冷水加熱到60 ℃，然后打開加藥泵，使藥劑桶內的藥劑混合到加熱好的淡水中，最后通過清洗泵輸送給各泥漿艙，在泥漿艙內通過洗艙機對6面艙壁進行全方位噴射。洗艙過后產生的污水通過污水泵抽至泥漿污水艙內儲存或直接排至岸上。污水泵需與殘留泥漿接觸，因此選擇單螺桿泵；洗艙泵因運輸的介質是淡水，選用離心泵?？紤]到泥漿內可能含有堅硬磨損雜質和固體顆粒，且比較黏稠，該船選用的泥漿輸送泵是螺桿泵，泥漿輸送系統中的閥件采用的是雙偏心法蘭式蝶閥。由于泥漿輸送泵出口壓力為1.9 MPa，故泥漿輸送管都采用Ⅱ級管，管路中除了與閥連接的部分，其他都采用對焊式連接形式。

2.3 泥漿系統安裝

泥漿系統各設備的安裝主要有以下難點：

1) 泥漿艙底部為斜面，需保證攪拌器的安裝位置能使攪拌器攪動艙內所有泥漿，不會留死角。

2) 攪拌器為液壓驅動，液壓管從液壓泵站過來需穿過泥漿艙艙壁和攪拌器底座，需保證攪拌器的底座完全水密。通過與設備廠家、船東和船舶設計院溝通，最終決定將攪拌器的基座直接焊接在艙底，該基座與攪拌器直接以管子法蘭的形式連接，上部采用螺栓連接，中間加上橡膠墊圈，這樣能保證水密，避免泥漿艙內的泥漿進入攪拌器底座內。同時，在底座上面加支管，并連接到艙壁上，用作液壓管路的保護管。攪拌器底座的高度要能保證攪拌器攪動艙內所有的泥漿，不留死角。攪拌器安裝形式見圖5。

圖5 攪拌器安裝形式

3) 為了使洗艙機具有最佳的洗艙效果，需將其布置在艙室靠近幾何中心的位置，這樣洗艙機就處于懸空狀態。因此，需考慮將其安裝得足夠穩固，避免受水壓的沖擊后導致螺栓松動，進而使洗艙機脫落。

經過對比分析，采取在與洗艙機連接的淡水管進艙處增加肘板加強的方案。由于洗艙機是直接連接管路的，重量較輕，且本身無動力，完全由洗艙泵提供的淡水自身的壓力進行沖洗，因此只需保證連接管路穩固即可。洗艙機安裝形式見圖6。

圖6 洗艙機安裝形式

4) 由于泥漿的特殊性，一般的壓電式傳感器布置在泥漿艙內容易損壞，故選擇雷達式傳感器。但是,泥漿艙就在主甲板下，且主甲板上鋪設有木甲板，故需考慮如何安裝雷達式傳感器，使其既方便維修檢測，又不容易損壞，并能盡可能少地損失測量艙容，同時不超出木甲板。為此，設計一個雷達傳感器保護罩，該保護罩由管子和法蘭構成，既能節約成本，又方便安裝，同時能滿足傳感器的維修拆檢需求，具體形式見圖7。

圖7 雷達傳感器保護罩

3 結 語

散料和泥漿系統作為8 000 kW搶險打撈拖船的主要經營系統，其重要性不言而喻。通過對這2個系統的設計和安裝過程進行研究，主要得出以下結論：

1) 散料罐的容積直接關系到船舶本身的盈利能力，要對散料罐艙的設備布置進行科學合理的設計，使散料罐的容積最大化，從而使船舶的盈利能力得到有效保證；

2) 泥漿系統相關液艙的布置需考慮到系統運轉所需管路布置的合理性，盡量縮短管線的長度，避免泥漿在過長管路中淤積，從而影響系統的性能；

3) 液壓動力的攪拌器因需布置液壓管線，要考慮到液壓管線在泥漿艙中的保護和維修，同時需考慮泥漿艙中的液壓管線可能會有漏油情況，設置相應的報警點；

4) 泥漿艙中洗艙機的安裝位置直接決定洗艙效果的好壞，要在設計前期根據艙型計算出最佳的洗艙機安裝位置，并確定好安裝方法。

目前該8 000 kW搶險打撈拖船已交付運營一段時間，據船東的反饋，該船的散料和泥漿系統的運行狀況良好，應用效果令人滿意。該結果離不開船舶設計初期船東、船舶設計院和船廠相互之間的良性溝通。