超深水半潛式鉆井平臺總體噪聲分析研究

賀昌海

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司研發設計中心，山東煙臺 264670）

超深水半潛式鉆井平臺總體噪聲分析研究

賀昌海

（煙臺中集來福士海洋工程有限公司研發設計中心，山東煙臺 264670）

對第七代超深水半潛式鉆井平臺的主要噪聲源進行了分析，通過建立統計能量分析模型對平臺的總體噪聲進行了預測。計算得到了平臺各典型艙室的聲壓級水平，針對噪聲超標房間給出了解決方案，并通過實際海試測試驗證了方案的可行性，為后續半潛式平臺噪聲控制提供了參考。

超深水半潛式鉆井平臺；總體噪聲；統計能量法；降噪措施

0 引言

超深水半潛式鉆井平臺作為一種高附加值產品是深海油氣勘探和開發的主要裝備。其遠離大陸，工作人員需要長期在海上進行工作，因此平臺的舒適性越來越受到各方的重視。以往海洋平臺往往在平臺海試時才發現噪聲超標，這時采取減噪措施不僅效果不佳而且成本巨大。因此在平臺設計前期進行總體噪聲預報，及時采取減噪措施避免后期修改非常必要。

本文應用統計能量法分析方法對目前世界上最先進的第七代超深水半潛式鉆井平臺進行了總體噪聲分析，得到生活區艙室的聲壓級，并應用IMO Rev A.468噪聲標準對典型艙室噪聲進行評估，針對噪聲超標房間提出了噪聲控制措施。

1 統計能量法

統計能量分析（Statistical Energy Analysis，簡稱SEA）方法最早是在上世紀60年代提出的，用來解決復雜結構的高頻振動問題[1]。在統計能量分析方法中一個系統可劃分為若干個貯存能量的振動方程式群，稱為子系統。在一定的頻帶范圍內，每個子系統可以用其能量的時間空間平均值、簡正方式的數目和表示能量損耗的損耗因數描述。根據能量守恒原理，子系統消耗的能量加上傳遞給其它子系統的能量，應等于輸入給該子系統的能量，對于具有k個子系統的系統，其能量平衡方程為[2-4]：

式中，Ei、Pi、ni、ηi分別為第i個子系統的能量、輸入功率、模態密度以及內部損耗因子，ηij是兩個子系統的耦合損耗因子。

2 第七代超深水半潛式鉆井平臺

本文分析的目標平臺配備DP3動力定位系統，入級挪威船級社。該平臺是目前全球最先進的第七代超深水半潛式鉆井平臺，最大工作水深為 3658米，鉆井深度為15250米，采用NOV液壓雙鉆塔設計，擁有寬敞的甲板利用空間及便利的機艙維護保養通道，采用DP3閉環設計、巖屑艙內處理存儲系統和壓載水處理系統。該平臺可以在墨西哥灣、中國南海、澳大利亞、巴西海域、西非、南大西洋等深水海域作業。目標平臺的主要設計參數見表1。

表1 目標平臺的主要設計參數

3 統計能量法分析模型

本文采用國際通用的噪聲分析軟件VA One對目標平臺進行噪聲分析。VA One是ESI公司推出的振動噪聲分析軟件，其將有限元、統計能量法、邊界元等方法統一起來解決全頻段的噪聲問題[4]。

在使用統計能量法進行噪聲分析時，其基本的思想是將一個復雜的結構耦合系統劃分為多個子系統，通過能量平衡方程進行子系統的各個物理量的計算。

3.1 板子系統的建立

統計能量方法使用的模型相對于有限元方法來說是比較簡化的，通常情況下，對于平臺結構中的型材是可以省略的，只保留艙壁、甲板及外板結構[5]。但對于上層建筑來說，還需要按照平臺的布置圖或生活區舾裝布置圖紙重新劃分艙室，使得模型結構完全與平臺的布置圖一致這樣可以方便提取每個艙室的計算結果。圖1為目標平臺板子結構圖。

圖1 目標平臺板子結構圖

3.2 空腔子系統的建立

VA One中對空腔子系統的生成是以密閉的艙室為單位，即形成房間的六個面要求是封閉的，沒有間隙的，所以在自動生成空腔之前要檢查板子系統模型，確定每個房間都是封閉的。最終生成的空腔子系統見圖2所示。

3.3 舾裝材料的模擬

做整船和整個平臺的噪聲分析，船舶和平臺上舾裝系統的模擬至關重要，對于這個系統的模擬方法主要分為兩種：一個是輸入材料屬性法，一個是隔聲量輸入法。對于天花板、壁板等舾裝材料多為復合結構，可使用Treatment Lay-up或User Defined Treatment進行模擬。圖3為目標平臺所使用的各種舾裝材料的隔聲值[6]。

圖2 目標平臺空腔子結構圖

圖3 舾裝材料的隔聲值

3.4 連接子系統

使用軟件VA ONE建立的子系統模型，相鄰的子系統之間的點、線、面是獨立的，不相關的，因此需要建立子系統之間的相關性。通常情況下，自動生成連接是首選的方法，手動生成作為補充。通過建立子系統之間的連接，也可檢驗生成子系統的質量[7]。

4 主要聲激勵源及模擬

半潛式鉆井平臺上的噪聲主要分為兩種：一種是結構噪聲，一種是空氣噪聲。結構噪聲是由于激振源振動通過結構傳播而引起的噪聲。空氣噪聲則主要是由于設備本身發出的聲音，通過空氣向外傳播而引起的噪聲。因此會產生這兩種噪聲形式的大型設備都是需要考慮的，對于傳播和平臺來說，通常需要考慮的設備主要有：主機、輔機、推進器、空壓機、各種泵等，但需要說明的是，主機、輔機及推進器對于整船的振動噪聲起著非常重要的作用，而空壓機、各種泵等小型設備，對于局部區域的噪聲有一定的影響。

本文在計算中考慮了主機、推進器、空壓機、泥漿泵、造水機、空調等設備的噪聲激勵，圖4和圖5分別為主機及推進器的結構噪聲。

圖4 主機結構噪聲

圖5 推進器結構噪聲

5 平臺艙室噪聲預報及結果分析

使用統計能量方法進行噪聲分析，優于其它方法的一個特點是，求解時間相對較短，它的運算過程是：計算點連接—計算線連接—計算面連接。對于每個頻率，都要經過這樣一個點、線、面的計算過程[8]。

5.1 噪聲預報結果

計算頻率的設定，通常選擇1/3倍頻程或倍頻程。為了保證一定的計算精度，起始頻率選為31.5Hz。經過計算，得出整個船或平臺的噪聲結果，通過計算出來的結果，根據經驗判斷是否合理，是否存在個別艙室噪聲值過小或過大的情況。通過計算結果，可判斷出，引起房間噪聲的主要頻率及主要噪聲的來源。圖6為目標平臺的聲壓級水平。

圖6 目標平臺的聲壓級云圖

為節省篇幅，本文僅討論目標平臺生活區典型艙室的噪聲值。表2為平臺第四甲板生活區噪聲值。

表2 平臺第四甲板生活區噪聲值

通過表2可以看出該部分艙室大部分房間是滿足IMO Rev A.468標準要求的，但也有部分房間噪聲超標，如M 015室至M 019室。由于噪聲計算的結果只是基于一些較大的噪聲源，沒有考慮其他噪聲源的影響，因此計算結果要小于實際的噪聲值，因此有必要對不滿足規范的艙室進行降噪處理。

5.2 噪聲控制措施

首先進行噪聲源識別，即分析造成艙室噪聲超標的主要噪聲源。經過VA ONE能量流動分析發現艙室旁邊的風機噪聲過大且臨近艙室是造成艙室噪聲超標的主要原因，見圖7。

因此有必要進行總體布置調整，將空調機等噪聲設備遠離居住區。經過具體的分析進行如下調整，將其遠離居住艙室，使原來的艙室用梯道與噪聲源隔離，降低噪聲，見圖8。

圖7 主甲板風機布置

圖8 主甲板風機布置遠離居住艙室

將新的布置方案在在軟件VA One中模擬計算后，根據預測分析和實測比較的結果，表3所列結果表明控制措施有效降低了超標艙室內的噪聲值，滿足規范要求。

表3 平臺第四甲板生活區修改后噪聲值

6 結束語

本文利用統計能量分析方法對第七代超深水半潛式鉆井平臺總體噪聲進行了數值分析，計算表明，該半潛式平臺的總體噪聲性能良好，但存在局部艙室噪聲超標。本文針對超標區域優化設備布置，經過計算及海試實際測量，證明分析結果與實際情況符合，采取的噪聲控制措施有效，為后續半潛式平臺前期噪聲控制及布置優化提供了參考。

[1]伍先俊,朱石堅.統計能量法及其在艦船降噪上的應用綜述[J].武漢理工大學學報,2004,16(6):37-40.

[2]Iino K,Honda I.Total noise prediction system for a passenger cruise ship[A].Proceedings of the 5th International Symposium on Practical design of Ship and Mobile Units,PRADS’92[C].London,Elsevier Applied Science,1992,1:1648-1661.

[3]Grosveld H GD.Prediction of interior noise due to random acoustic or turbulent boundary layer excitation using statistical energy analysis[A].AIAA13th Aero acoustics Conference[C],1990.

[4]王佐民.統計能量分析的原理及應用[J].聲學技術,1987,6(4):24-26.

[5]姜聰聰.基于SEA法的自升式平臺生活區艙室噪聲研究[D].大連理工大學,2012.

[6]邱斌.高速船全頻段艙室噪聲預報與控制方法的研究[D].武漢理工大學,2010.

[7]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京:機械工業出版社,2002.

[8]吳雄祥.高速船典型節點耦合損耗因子研究[D].武漢理工大學,2013.

慶祝世界標準日暨標技委秘書處工作座談會順利舉行

本刊訊 中船重工集團公司慶祝世界標準日暨專業標準化技術委員會秘書處工作座談會于2015年10月22日在上海順利舉行，由中船重工標準化研究中心承辦。

中船重工集團公司軍工部副主任張仁茹、副處長符道、中船重工第704所副所長焦儂、中船重工標準化研究中心副主任劉震出席了本次座談會，并發表了講話。座談會首先宣讀了2015年世界標準日的祝詞《標準是世界的通用語言》，然后劉震副主任作了關于《當前標準化改革形勢任務及標準助力裝備走出去思考建議》的匯報演講。最后，中船重工各研究單位負責標準化工作的同志們在座談會上各抒己見，介紹了各單位的項目情況，以及建議和意見，并進行了熱烈的討論，為下一步工作做了部署和計劃。

Study on Global Noise of Ultra Deepwater Semi-submersible Drilling Unit

He Chang-hai
(Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd.,Research and Design Center,Shandong Yantai 264670,China)

The main noise sources of the seventh generation ultra deepwater semi-submersible drilling unit are analyzed.The global noise is predicted by establishing the statistical energy analysis model.The acoustic pressure levels of all typical cabins on the drilling unit are gained.The solutions are put forward for the cabins whose levels exceed the standards.The sea trial result proves the feasibility of the solutions.It provides a reference for the future noise control of semi-submersible drilling unit.

ultra deepwater semi-submersible drilling unit; global noise; SEA; noise mitigation measure

TB53

A

10.14141/j.31-1981.2015.06.009

工業和信息化部“海洋工程裝備設計建造標準體系頂層研究”項目，工信部聯裝（2012）534號。

賀昌海（1976-），男，工程師，研究方向：海洋平臺總體設計工作。