某鉆井船冰區(qū)海底門設計

黃 吉 于再紅

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

據(jù)美國地質(zhì)勘探局（USGS）2008年的評估報告，北極地區(qū)擁有待發(fā)現(xiàn)石油技術(shù)可采儲量900億桶，天然氣技術(shù)可采儲量超過47萬億立方米，占全球未探明石油儲量的13%和未開采天然氣儲量的30% ，此外還有440億桶天然氣液態(tài)產(chǎn)物。［1］北極因其巨大的油氣勘探開發(fā)潛力已成為國際大油公司積極探索的領域，殼牌、?？松梨?、BP等石油巨頭紛紛搶灘北上，爭相進入北極。我國也在深海乃至極地油氣資源勘探開采中加大投入，研究、開發(fā)、建造了一批深海鉆井平臺、鉆井船等高端海洋工程裝備。

作為目前國際上最先進的海洋石油鉆井裝置，深水鉆井船的作用已不僅局限于北海、南海等區(qū)域，進軍極地，為我國在極地資源開發(fā)開采中搶占先機與提供支持已成為其必然的歷史使命。然而，極地水域氣候惡劣、浮冰多、氣溫低，天氣條件極其惡劣。寒冷天氣可能降低船上一些設備的效能，有浮冰時還會對船體、推進系統(tǒng)和附體造成額外的負荷。［2］因此，船舶設計中需充分考慮這些因素的影響，對冷卻水、海底門、推進系統(tǒng)等采取相應措施，保障船舶在極地區(qū)域正常航行。

海底門在船體中雖然僅占很小一部分，卻是全船所有海水的源頭，為船舶提供冷卻、消防、沖洗等海水，保障船舶正常運行。鑒于其重要性，各大船級社均對冰區(qū)航行船的海底門設計建造提出具體要求。本文以某鉆井船為例，對其冰區(qū)海底門設計和特點進行詳細闡述。

1 規(guī)范要求

目前，IACS參考芬蘭、瑞典冰級2010，設定相應的極地航行船舶入級符號，將極地航行船舶分為PC1～PC7共7個等級。對于常規(guī)冰區(qū)航行船舶，各大船級社均已設置相應入級符號和具體規(guī)范要求。表1為ABS、CCS船級社冰區(qū)海底門要求［3-4］，表2為DNV船級社、IACS極地航行船舶規(guī)范冰區(qū)海底門要求［5-6］。

表1 ABS、CCS船級社冰區(qū)海底門要求

表2 DNV船級社、IACS極地航行船舶規(guī)范冰區(qū)海底門要求

2 鉆井船概況

某鉆井船入ABS船級社，無限航區(qū)，需滿足下述入級符號 ：A1 Drillship， Circle（ E），AMS，ACCU， POT，DPS-3，CDS， OHCM，HELIDK（ SRF），ENVIRO-OS+，GP， MLCACCOM，UWILD，CRC，NIBS，Ice Class C0， HAB（MODU）。

全船共設有6臺主發(fā)電機組，布置在船上3個A60分隔的機艙，以滿足DPS-3動力定位冗余要求。每臺主發(fā)電機組功率為7 370 kW，柴油機功率7 680 kW。

船上布置有7臺推進器，其中尾部3臺全回轉(zhuǎn)推進器，首部3臺可伸縮推進器，1臺首側(cè)推。

主發(fā)電機組和推進器根據(jù)動力定位冗余分析，分為3個推進鏈。每個推進鏈的冷卻水、燃油、滑油系統(tǒng)均獨立，設備與管路布置在各分隔艙室內(nèi)。

3 海底門容積

鉆井船要求滿足Ice Class C0冰區(qū)加強，可在0.6 m厚度一年稀疏冰海域獨立航行，在PC5等級以上破冰船引導下，可進入1 m厚度以下一年密集冰海域航行。

ABS船級社C0冰區(qū)加強船舶要求至少有一個為冷卻、消防系統(tǒng)供水的海底門需接一路冷卻水排出管，冷卻水排出管口徑應與冷卻總管保持一致，且冰區(qū)海底門需盡量布置在船中靠尾部區(qū)域。但是，ABS對C0冰區(qū)加強海底門具體設計要求較為籠統(tǒng)，未明確給出海底門容積和高度等設計依據(jù)。在設計時參考了CCS和DNV等船級社對類似冰區(qū)等級海底門的規(guī)定。

作為目前最先進的第七代鉆井船，設計應不僅僅考慮滿足規(guī)范的最低要求，還需為我國向極地區(qū)域進發(fā)，搶占極地油氣資源

提供支持。因此，在實際設計時，海底門還結(jié)合IACS極地航行船舶（入級符號PC7）相關要求進行設計、預留。

DNV和CCS規(guī)定海底門容積應足夠大，每750 kW發(fā)動機功率約配1 m3海底門容積。此發(fā)動機功率應包括船舶營運所必需的發(fā)動機功率。本船總共設有6臺柴油發(fā)電機組，單臺發(fā)電柴油機功率7 680 kW，冰區(qū)航行工況下，需開啟4臺主發(fā)電機組為全船供電。鉆井作業(yè)工況下，需開啟5臺主發(fā)電機組。

規(guī)范常規(guī)要求冰區(qū)每個海底門容積設計應考慮全船所有發(fā)動機功率。本船為動力定位船舶，動力定位等級DPS-3。為滿足DPS-3冗余設計要求，將船上6臺主發(fā)電機組和推進器分為3個推進鏈。6臺發(fā)電機組分別布置在3個由A60分隔的獨立機艙內(nèi)。全船另外設置3個泵艙，與3個機艙分別對應，每個泵艙內(nèi)布置1套獨立的中央冷卻水系統(tǒng)（包括海底門、海水冷卻泵、淡水冷卻泵、中央冷卻器等），服務于相應機艙內(nèi)2臺主發(fā)電機組及同一動力定位推進鏈設備。

本船結(jié)合DPS-3分組和現(xiàn)有艙室劃分，每個泵艙均設置2個海底門，其中1個為冰區(qū)海底門，即本船設置3個冰區(qū)海底門，分別布置在3個獨立的泵艙內(nèi)，每個海底門容積考慮各泵艙對應的機艙內(nèi)發(fā)電機組功率之和（2×7 680 kW），每個機艙內(nèi)柴油發(fā)電機組和對應推進鏈設備的冷卻水由對應泵艙內(nèi)冰區(qū)海底門提供。

海底門容積最低要求：

（7 680×2）/ 750 = 20.48 m3。

實際選?。?/p>

尾泵艙（P）海底門布置于左舷Fr. 68～Fr. 72（見圖1），容積約32 m3。

圖1 尾部左右泵艙冰區(qū)海底門布置

尾泵艙（S）海底門布置于右舷Fr. 68～Fr. 72（見圖1），容積約32 m3。

首泵艙海底門布置于左舷Fr. 224～Fr. 227（見圖2），容積約55.6 m3。

圖2 首部泵艙冰區(qū)海底門布置

4 海底門高度

ABS、CCS等船級社要求冰區(qū)海底門必須足夠高，以防止浮冰進入泵吸口，但未對海底門和海水總管高度給出定量的規(guī)定。DNV船級社則對于海底門高度、海水總管位置均有具體要求，以保證海底門內(nèi)浮冰漂浮在船體海水系統(tǒng)進口之上。

海底門高度h不得小于，VS即計算可得冰區(qū)海底門最小容積。海水總管位置不得高于海底門頂板以下h/ 3。由此，計算可知：

實際選?。?尾泵艙（P）&（S）海底門（見圖3）高度約5.5 m，海水總管頂部距海底門頂板約1.7 m。

圖3 尾泵艙冰區(qū)海底門

首泵艙海底門（見圖4）高度約6.3 m，海水總管頂部距海底門頂板約1.8 m。

圖4 首泵艙冰區(qū)海底門

5 海底門格柵

ABS對于C0冰區(qū)等級海底門格柵未作要求，DNV、CCS均要求冰區(qū)海底門格柵流通凈面積不小于海水總管截面積的4倍。IACS則要求極地航行船舶冰區(qū)海底門格柵面積不小于海水總管截面積的5倍，本船海底門按IACS極地規(guī)范進行設計：

（1）尾部海水總管口徑DN550

尾部海底門格柵最小凈面積：

實際選用A450 CB/T615-95格柵4個，單個格柵流通面積比3.10。

（2）首部海水總管口徑DN900

首部海底門格柵最小凈面積：

A500 CB/T615-95格柵6個，單個格柵流通面積比3.03。

6 冷卻水系統(tǒng)

IACS、ABS、CCS和DNV均要求船上冷卻水系統(tǒng)排出管與海底門間設一根連接管，管子直徑與冷卻水排水管直徑相同。

本船冷卻水系統(tǒng)分為5個子系統(tǒng)：尾部左舷主推進冷卻水系統(tǒng)，尾部右舷主推進冷卻水系統(tǒng)，首部船中主推進冷卻水系統(tǒng)，首部鉆井冷卻水系統(tǒng)，首部空調(diào)和日用冷卻水系統(tǒng)。

冰區(qū)航行工況下，主要運行設備均按動力定位推進鏈劃分為尾部左舷主推進冷卻水系統(tǒng)，尾部右舷主推進冷卻水系統(tǒng)，首部船中主推進冷卻水系統(tǒng)三個系統(tǒng)。因此，分別從上述三個冷卻系統(tǒng)排出管路接管至相應海底門，以消除海底門內(nèi)浮冰。

7 其他要求

除上述要求外，本船冰區(qū)海底門根據(jù)IACS極地規(guī)范，加大海底門透氣管口徑至DN250，透氣管路上設截止閥，直接與海底門頂板連接。海水進口閥根據(jù)IACS要求采用全流通型閘閥，直接與海底門短管法蘭連接。

IACS規(guī)范要求極地航行冰區(qū)海底門設置人孔或可拆卸的格柵，人孔應位于最深載重水線以上，且冰水箱應設有從上部進入的通道。本船設置可拆格柵，并在海底門頂部預留上部空間。尾部海底門可局部延伸至主甲板（約1.4 m×1.4 m），首部海底門可利用上部空艙延伸至主甲板。人員可通過設置在主甲板的人孔蓋進入海底門清理浮冰。

每個冰區(qū)海底門設一路蒸汽吹洗，對準海底門格柵，用于吹洗格柵上雜質(zhì)、消融碎冰。

8 結(jié) 論

隨著極地資源不斷的勘探發(fā)現(xiàn)，極地概念必將日趨火爆。本船雖然最終未能獲取極地航行符號，但在冰區(qū)海底門設計時已充分考慮了極地航行需求。另外，本船需滿足DPS-3冗余要求，中央冷卻系統(tǒng)相應分為三組。設計時，已不是簡單地按常規(guī)設置一個冰區(qū)海底門，采用全船功率負荷來確定海底門的容積，而是結(jié)合本船DPS-3動力定位能力，配置3個冰區(qū)海底門，對應船上3個主推進冷卻系統(tǒng)。在任意一個海底門失效的情況下，仍可依靠剩余2個泵艙內(nèi)冰區(qū)海底門供水至對應的發(fā)電機組、推進器等設備，保證船舶正常航行。消防泵分別從不同的冰區(qū)海底門取水，不僅大大減小冰區(qū)海底門的容積和高度，避免無端浪費船上空間，同時也提高了系統(tǒng)冗余度，以保證全船航行安全。

［參考文獻］

［1］吳剛.極地船舶技術(shù)最新動向［J］.中國船檢，2015（3）：97-101.

［2］吳春平. IMO極地規(guī)則和未來極地船舶發(fā)展趨勢分析［J］.造船技術(shù)，2014（2）：6-9.

［3］ABS. Rules For Building And Classing Steel Vessel［S］.2013.

［4］中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范［S］. 2014.

［5］DNV. Rules For Ships［S］. 2014.

［6］IACS. Requirements Concerning Polar Class［S］. 2016.