大型半潜船压载水系统设计

李志垒

（海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

大型半潜船压载水系统设计

李志垒

（海洋石油工程股份有限公司 天津300461）

为安全可靠地实现半潜功能，根据某半潜式自航工程船压载舱众多的特点，采用空气压载系统与泵压载系统相结合进行设计。试航结果显示：压载水系统的设计能够安全实现该半潜式自航工程船海上半潜作业功能，达到技术规格书中的有关要求。

排压载；空气压载系统；泵压载系统；半潜船

引 言

随着世界经济发展，能源需求越来越大。由于陆上原油储量日益枯竭，人们将目光转向宽阔无垠的海洋。海洋里不但含有丰富的矿产和资源，而且具有极大的科研价值。根据美国2008年7月发表的地理勘察报告，仅在北极地区已经探明的碳氢化合物储量就富含超过900亿桶石油、2 000万亿立方英尺（约56.63万亿立方米）天然气以及400亿桶液化天然气。各种用途的海洋工程船及石油开采平台成为人们开发海洋资源的重要工具［1］。

作为海洋工程船，大型半潜式自航工程船具有海洋石油和天然气勘探、开采工程装备等海上运输和安装功能获得越来越多的应用。与传统的运输船舶相比，半潜船压载水系统更为复杂，必须对其压载系统进行详细设计和计算分析，以确保该工程船半潜作业时的船舶稳性。本文以5万吨半潜船“海洋石油278”为例，对其压载水系统的设计理念和特点进行详细阐述。

1 概 述

1.1 设计目的

5万吨“海洋石油278”半潜船的设计用途为可采用浮托法（floatover）运输和安装桩腿结构的上部模块功能［2］。同时，该船具备下潜至最大设计吃水的能力，通过该方式装载/卸载及运输类似半潜钻井平台和其他海洋结构物浮体货物。当船艉朝向码头系泊时，能够通过滑道装载/卸载SPAR等各种货物。经简易改装后，可以装载和运输更庞大的货物。

1.2 压载系统原理和组成

全船共设置86个压载舱，约可容纳压载水100 000 t，通过2套压载系统迅速实现全船的压载、排载。其中位于主船体的多个压载舱采用压缩空气压、排载；其余的压载舱采用传统的泵压载系统。压载舱布置图如图1所示。

泵压载系统分成艉部泵压载系统和首部泵压载系统2个独立的系统。所有主甲板以上的压载舱接入泵压载系统。其他压载舱同空气压载/排载系统相连。在排载工况，压缩空气通过压缩空气管进入压载舱，利用压缩空气的压力将水排出压载舱；在压载工况，利用空压机抽出空气管内的空气以加快压载速度。

2 空气压载系统

2.1 工作原理

空气压载系统工作的原理：压载时，关闭压缩空气管的遥控蝶阀并打开通大气遥控蝶阀，再打开压载舱的通海管上的遥控蝶阀，通过海水的压力向压载舱自然灌水，并通过压载空气管透气，在压载工况需要的情况下，为加快压载速度，通过控制压载空压机上的遥控蝶阀和压缩空气管上的遥控蝶阀，并打开压载舱的通海蝶阀，利用空压机抽吸压载舱内的空气，压载舱内的负压，使海水加速进入压载舱，加快下潜速度。

排载时，打开压载舱的通海管上的遥控蝶阀，启动压载空压机，并打开压缩空气管上的遥控蝶阀，将压缩空气注入压载舱内，通过通海水管排出压载舱的海水。

2.2 压载计算

压载过程包括船舶的下潜和上浮。下潜过程的初始阶段与浮托法类似，利用压载泵和重力进水，使船舶吃水在规定时间内从初始的吃水增加到设计吃水。下潜过程主要利用重力进水，空压机仅用来抽出空气管内的空气以加快压载速度。

上浮过程即排压载过程，船舶在规定时间内，吃水从初始吃水水位减少到设计水位。对于半潜船，最重要的考核指标为排载时间，即船舶能否在规定时间内从压载吃水上浮到设计吃水。

为了确定空气压缩机在不同吃水下的实际排水能力，假设半潜式工程船整个上浮过程可以分解为四个步骤。在每一步骤中，部分压载舱中的水会被全部或部分排出。在排水过程中，为了时刻保持船体稳定和纵倾，必须舍弃压载水系统的部分排载能力。根据压载舱在全船上所处的位置，划分为不同区域［3］，如图2所示。

通过对每个区域的舱室管路平均排载量进行计算。即在一定压力损失下，管路中能排出的压载水量。从而计算出每一步骤中压缩空气的需求量。计算过程中，需考虑空气和水管中平均压力损失。由于半潜式工程船在上浮过程中吃水是随时变化的，导致静水压力随着压载舱及压载舱内水位升高而迅速变化。为了简化计算，通过压载舱的重心高度来确定其受到的静水压力。

2.3 计算原理

空压机排量计算式［4］为：

式中：Q2为实际排量，m3/h；

Q1为空压机额定排量，m3/h；

图2 压载舱区域划分图

p1为大气压力，Pa；

p2=p1+压载舱内水所受海水压力+

管路压力损失。

直水管压力损失计算式为：

式中：Δpf为直管摩擦阻力损失，Pa ；

λ为管子摩擦阻力系数；

l为管段长度，m；

di为管子内径，m；

ρ为流体密度，kg/m3。

附件局部阻力计算式为：

式中：Δpr为局部阻力，Pa；

ξ为局部阻力系数；

ρ为流体密度，kg/m3。

主甲板以上压载舱重力泄放流量计算式为：

式中：Qw为水流量，m3/h；

ξ为局部阻力系数；

A为管路横截面积，m2；

ρ为流体密度，kg/m3；

g为重力加速度，9.81 m/s2；

h为舱柜水面和海平面液位差，m。

2.4 管路压力损失

因为实际管路中压力损失和附件阻力随流体流速变化而变化，管路中流体流速会随外部条件的变化而改变。因此，通过控制压缩空气排气压力、水静压和管路损失来优化流量，从而减少管路压力损失。

2.5 计算结果

在排压载上浮过程中，每组压载舱所需的压缩空气量并不相同，所以需要综合考虑每组压载舱的排放能力，求出每组压载舱的平均值；再用总的压载水排出量除以该平均值，求得该船上浮所用时间。

根据该大型半潜式自航工程船上浮初始状态，压载舱内压载水总量约为100 000 t，其耗时计算结果如下：

上浮步骤1时间T1=45 min；

上浮步骤2时间T2=94 min；

上浮步骤3时间T3=32 min；

上浮步骤4时间T4=63 min。

从压载吃水上浮到设计吃水总耗时为：

满足规格书中的有关要求。

2.6 系统组成

空气压载水系统由4台空压机橇块、4组压载空气总管、空气管遥控蝶阀、70个压载舱、海水管遥控蝶阀和相关的管线组成。每个压载舱布置一根独立的压缩空气管，从空气总管接至每个压载舱，并配有一个遥控蝶阀，用于控制空气向压载舱内注压缩空气。每个压载舱设置独立的进水、排水用的通海水管，每根海水管设置两只串联的电液式单作用遥控蝶阀。

3 泵压载系统

由于空气压载系统微调性较差，本船还设置了泵压载系统。全船共配备4台压载水泵，分别布置在船艏的泵舱和艉部的主推进器舱。

艏部泵压载系统由2套电动离心泵组成。艏压载泵布置在艏泵舱，对主甲板以上的压载舱进行压排载操作。

艉部泵压载系统由2套电动离心泵组成。艉压载泵布置在推进电机舱，对艉浮箱和WB01UCP，WB01UCS进行压排载操作。

图3 泵压载系统图

泵压载水系统由海底总管、4台压载水泵、12个压载舱和4个艉浮箱、压载舱透气管、海水管上的遥控蝶阀和相关的无缝热镀锌钢管组成，通过液位遥测系统实时监视舱内液位，通过遥控控制泵的启停和遥控蝶阀的开关，实现压载舱的压载和排载。

压载时，开启进水管上的所有遥控蝶阀、启动海水泵、从海底总管抽吸海水，由海水泵提供压头向压载舱内注海水；压载舱内的空气由压载舱透气管排向大气，通过液位遥测系统，当液位达到指定位置时，停用压载泵、关闭遥控蝶阀，压载操作完成。排载时，调整相关的遥控蝶阀、启动压载泵，通过压载泵抽吸压载舱内的海水；通过液位遥测装置检测液位降至目标要求时，停用压载泵并关闭遥控蝶阀，完成排载。

4 结 论

为实现采用浮托法运输和安装桩腿结构的上部模块功能，5万吨“海洋石油278”半潜船压载系统采用空气压载/排载系统与传统泵压载系统相结合，从而确保该船安全地实现各种半潜作业工况。

［1］ 陈雷，李含萍.超大型起重船压载调载系统研究设计［J］.船舶，2010 （1）：34-38.

［2］ 李晓兰.半潜式自航工程船“海洋石油278”开工建造［J］.海洋石油，2010（3）：52.

［3］ 周卓亮，蔡洁. 50 000 t半潜船压缩空气压载系统设计研究［J］.船舶，2013（5）：57-62.

［4］ 中国船舶工业集团公司.船舶设计实用手册（轮机分册）［M］.北京：国防工业出版社，1999.

Ballast water system for a great semi-submersible vessel

LI Zhi-lei
(Offshore Oil Engineering Co., Ltd., Tianjin 300461, China)

To realize the semi-submersible function safely and reliably, the ballast system of a certain semisubmersible self-propelled heavy lift vessel is designed by means of combining the air and pump ballast systems according to the characteristics of its numerous ballast tanks. The trail results show that the design of the water ballast system is able to realize the semi-submersible working function for a semi-submersible self-propelled heavy lift vessel at sea, which satisfies the requirements of the technical specification.

deballast; air ballast system; pump ballast system; semi-submersible vessel

U664.8

A

1001-9855（2014）01-0053-05

2013-03-29；

2013-07-07

李志垒（1976-），男，硕士，工程师，研究方向：船舶可行性研究和建造技术管理。