自升式平臺海水系統的設計與應用

徐鋒 周燕

摘 ? ?要：自升式平臺的海水系統作為平臺的重要系統，為平臺上的冷卻水、消防水、海水雜用等管系統提供必要的支持服務。本文闡述了幾種常用的自升式平臺海水系統的設計方法，并針對其各自特點進行分析比較，提出了自升式平臺潛水泵和海水總管的選用和計算方法，以及海水系統安全性設計的技術應用。本文的分析與研究，能夠為新建造自升式平臺的海水系統設計提供參考。

關鍵詞：自升式平臺;海水系統;潛水泵;海水總管

中圖分類號：U664.8 ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： The sea water system of self-elevating unit is an important part for the unit， which provides the necessary services for the cooling water， fire water， sea water miscellaneous and other pipeline systems on the unit. Several common design methods of sea water system on self-elevating unit are expound， their respective characteristics are analyzed and compared， the selection and calculation methods of submersible pump and sea water main for self-elevating unit are put forward， and the technical application of seawater system safety design is described.

Key words： Self-elevating unit; ?Sea water system; ?Submersible pump; ?Sea water main

1 ? ?引言

自升式平臺主要應用于鉆井/修井、人員居住、起重/安裝、布纜/鋪管、鉆井支持等海上作業服務[1]。自升式平臺通常應具備漂浮輔助推進、動力定位、升降平臺和升起立樁作業等功能特點。

平臺在上述各工況下作業時，其對于海水的需求量會存在一定的差異，而一旦海水系統出現了問題，將會對整個平臺的安全和正常運營產生重大影響，因此自升式平臺的海水系統設計應充分考慮其作業特點和功能要求，并確保其海水系統能夠滿足長期安全并穩定可靠的工作。

自升式平臺海水系統主要有以下三種工況：

（1）平臺處于漂浮工況：平臺具備一定的結構吃水深度，海水系統的水源可直接取自海水箱.該工況下的海水系統原理和其他的鋼質海船基本類似，海水箱內提供的海水量取決于平臺上的海水消耗量;

（2）平臺在脫離水面后的升起站立工況：在該工況下需要依靠海水提升裝置將海水輸送到平臺的海水系統內，輸送海水量大小取決于海水提升裝置內的潛水泵排量。此工況的海水系統設計既要考慮海水量的合理分配，又要兼顧到海水壓降、管道空氣、設備負荷變化等因素的影響;

（3）平臺從漂浮狀態到穩樁站立狀態之間的升降工況：平臺處于該工況時，海水系統的水源通常來自其緩沖艙的預存海水，并通過海水泵經管路輸送至各設備或系統中，緩沖艙的預存水量應滿足整個升降工況過程中的海水消耗量。

本文介紹用于自升式平臺的幾種常用海水系統形式，并提出了對于不同類型平臺如何選取合適的海水系統形式的方法，以及平臺潛水泵容量和海水總管規格的計算方法。

2 ? ?自升式平臺海水系統的組成

自升式平臺在升起站立狀態下，其海水系統主要由海水提升裝置、海水緩沖艙、海水泵和海水總管四個部分構成：

（1）海水提升裝置

主要由潛水泵和提升機構組成。

（2）海水緩沖艙

主要用于平臺在升降過程中和升起后的海水緩沖和儲存功能。

自升式平臺在升起站立狀態下進行作業，其船體底部距離海面的高度稱為“氣隙”。不同功能的平臺所要求的設計氣隙是不一樣的（一般為5～20 m），而氣隙值的大小將影響海水提升裝置所選用潛水泵的揚程大小和提升裝置的下放高度。

海水提升裝置，通常采用升降提升塔和軟管絞車兩種形式。考慮到單臺海水提升裝置在發生隨機的機械損壞或失電等故障情況下可能導致無法正常使用，因此自升式平臺應至少設置兩套海水提升裝置。外部海水經海水提升裝置輸送到平臺的海水系統內，并由海水泵和海水總管將海水輸送至冷卻系統、消防系統和海水雜用等海水消耗用戶。

3 ? ?自升式平臺海水系統的主要形式

3.1 ? 吸入總管式

吸入總管式海水系統的基本原理是：通過海水提升裝置將外界的海水輸送至平臺的緩沖艙，再設置一路吸入海水總管并分別連接至各緩沖艙，平臺上配置所有的海水泵可直接從吸入海水總管上取出海水，并分別輸送至平臺上的冷卻系統、消防系統和海水雜用系統等。吸入總管式海水系統的基本原理，如圖1所示。

吸入總管式海水系統，通常具備如下功能特點：

（1）平臺在升起站立狀態時，吸水海水總管經過粗水濾器后直接連接至海水緩沖艙，并根據平臺上各個用水設備的配置情況，分組設置對應的海水泵，各海水泵均可獨立從吸入海水總管上取水，并經各海水泵輸送至各用水設備或系統;

（2）平臺處在漂浮海面的狀態時，關閉吸入海水總管端部連接至緩沖艙的控制閥V01、V02，并打開連接至平臺海水箱的控制閥V03、V04，此時吸入總管內的海水直接來至平臺海水箱;

（3）平臺處在抬升或下降作業狀態時，海水系統的操作方式與平臺在升起站立狀態時一樣。但在該作業狀態前，需由海水提升裝置或平臺的壓載系統提前向海水緩沖艙內注水，以確保升降作業所需的海水量;

（4）海水緩沖艙頂部在特定的艙容高度處設置溢流管，用于平衡海水提升裝置駁運進艙的海水和平臺海水系統消耗之間產生的多余海水量;

（5）海水緩沖艙底部應高于海水總管，能夠使海水流入到海水總管內，有利于減少海水管內的空氣量。

吸入總管式海水系統，具備如下優點：

（1）海水總管內可保持微正壓狀態，管內的海水較為平緩，不容易產生大量氣泡，各海水泵從總管內取水較為有利;

（2）根據平臺上的各用水設備或系統設置相對獨立的專用海水泵，并由各自海水泵從海水總管上取水，有利于各設備或系統得到所必需的海水量和所要求的水壓;

（3）各海水泵及其海水管線相對獨立，便于各設備或系統的操作、管理和維護。

吸入總管式海水系統對于海水需求量較小的自升式平臺較為合適，但對于海水需求量大的自升式平臺，不建議采用這種形式的海水系統，主要原因如下：

（1）平臺上的海水系統在正常運行時開啟的海水泵較多，需要消耗較大的電功率，從而影響到平臺電網容量，造成平臺運營成本較高;

（2）各海水泵根據不同類設備或系統分組供水，一般情況下都要考慮設置配套的海水備用泵，以確保海水泵與其所對應的關鍵設備或系統能夠正常運行。因此，這種海水系統所配置的設備較多、成本較大;

（3）自升式平臺大部分作業時間都處在升起站立狀態，潛水泵按額定工況向緩沖艙內補水，而當平臺自身處于較低海水消耗量時，潛水泵補給的多余海水只能通過溢流管排至平臺外部，從而造成潛水泵的利用率不高;

（4）海水系統管路較為復雜，管線多、重量大，造成平臺自身重量增加，降低了平臺的可變載荷指標，進而影響到平臺的作業效率。

3.2 ? 壓力總管式

壓力總管式海水系統的基本原理是：在保留吸入海水總管的前提下，采用兩臺或更多數量的主海水泵代替各不同類設備或系統獨立配置的專用海水泵，并將各主海水泵出口連接至一根海水總管上，稱之為海水壓力總管，再由主海水泵或潛水泵來維持該海水壓力總管內的水壓。

壓力總管式海水系統的基本原理，如圖2所示。

壓力總管式海水系統，通常具備如下功能特點：

（1）平臺在升起站立狀態時，需開啟控制閥V07、V08，同時關閉控制閥V05、V06，外部海水經海水提升裝置后直接輸送至海水壓力總管，各用水設備或系統直接從該壓力總管上取水;

（2）平臺處在漂浮海面的狀態時，關閉連接至緩沖艙的控制閥V01、V02和來自海水提升裝置的控制閥V07、V08，并打開連接至平臺海水箱的控制閥V03、V04，再通過主海水泵經吸入海水總管從平臺的海水箱內吸水，并輸送至壓力總管內;

（3）平臺處在抬升或下降作業狀態時，可通過海水提升裝置或平臺的壓載系統提前向海水緩沖艙內注水，確保升降作業所需的海水量。平臺在該狀態時，應打開控制閥V01、V02，同時關閉V03、V04、V07和V08;

（4）該海水系統的緩沖艙內無需設置用于平衡水量的海水溢流管;

（5）海水緩沖艙底部應高于海水總管，使海水能夠重力流入海水總管內，有利于減少海水管內的空氣量;

（6）壓力總管水壓應設計為平臺設備所需的合理范圍之內，并滿足大部分設備或系統的壓力需求。對于個別無法滿足設備或系統壓力要求時，可通過增壓泵或減壓閥進行水壓調節。

壓力總管式海水系統與吸入總管式相比，具備以下主要優勢：

（1）平臺上各用水設備或系統直接從壓力總管內取水，并對全平臺設備或系統直接供水，可省去與設備配套設置的海水泵及備用泵，有助于節省平臺電站的容量，降低了平臺運營成本;

（2）壓力總管式海水系統，在管路布置、系統操作及控制等方面相比吸入總管式更為簡單實用，對于船員操作和海水系統的維護及管理更有優勢;

（3）平臺配置的潛水泵直接連接至壓力總管內，并可根據平臺海水的實際消耗量設置自動調節和控制潛水泵的實際排量，有助于提高潛水泵的實際利用率;

（4）在滿足功能要求的前提下，采用壓力總管式海水系統，可降低系統重量，有助于提高自升式平臺的作業效率。

由上可知，采用壓力總管式海水系統優勢明顯，但對系統設計要求也相對較高，尤其是壓力總管的管徑計算、壓力和流速計算等需要結合平臺各設備對海水要求的實際情況做出合理選取，否則可能會產生壓力總管內的水量和水壓受到平臺海水消耗量的變化而產生波動，尤其是在峰值用水量的情況下，可能會導致某些設備海水供給量不足或水壓較低等情況。

另外，采用壓力總管式海水系統的自升式平臺，其所配備的潛水泵需直接經管路連接至壓力總管，并需維持總管內的水壓，這將要求潛水泵具備較高的揚程，增大了潛水泵的電功率，而且潛水泵電源需要接至平臺的應急電源，導致平臺應急電站的容量也相應提高。

3.3 ? 環形壓力總管式

環形壓力總管式海水系統是在壓力總管式海水系統的基礎上改進而來，主要變化是將壓力總管設計成環形。這種形式的海水系統，主要用于海水需求量較大的自升式平臺，如自升式鉆井平臺和為海上油氣田或鉆井平臺服務的自升式輔助平臺。

環形壓力總管式海水系統的基本原理，如圖3所示。

環形壓力總管式海水系統是將壓力總管設計成環形，而壓力總管的補水和穩壓形式和壓力總管式海水系統原理基本一致。其主要功能特點如下：

（1）環形總管一般穿越于平臺上海水消耗量較大的主要機械區域（如機艙、泵艙、輔機艙等），環形總管內的水量由潛水泵或平臺上設置的主海水泵供給，并維持一定的管路壓力;

（2）壓力總管設計成環形，使總管內的水量分配更加均勻，水壓相對較為穩定;

（3）環形總管上更加方便設置隔離閥，當某一段總管上發生隨機機械破損、堵塞或維護時，可采用關閉隔離閥的方式在環管上物理隔開失效管路，確保平臺上的重要設備供水不受影響;

（4）環形總管式海水系統，可以滿足大量海水輸送的要求，對于自升式平臺的預壓載系統可直接就近從環形總管上取水，能夠實現快速輸送大量壓載水的功能需求。

環形壓力總管式海水系統在總管的設計及布置上要求相對較高，若考量不當容易產生如下問題：

（1）若設計的環形壓力總管管路過長，將影響總管內的海水壓力，容易造成局部支管上的供水量不足;

（2）海水系統正常工作時容易在環形壓力總管內部產生大量空氣，特別是在管路低洼處容易形成氣囊，因此在環形壓力總管的適當位置應設置放氣裝置，避免總管內空氣聚集而造成環管內部水壓和水量的不穩定。

3.4 ? 海水總管形式的選用

自升式平臺海水系統的設計，應根據不同類型的平臺及其作業工況特點選擇適合的海水系統形式，如表1所示。

從表2可以看出：對于為海上油氣田服務的大型自升式平臺，其海水系統復雜、海水總消耗量較大、升起站立狀態的作業周期較長，因此其海水總管設計宜采用壓力總管或環形壓力總管的形式;而對于靠近港口或處于近海作業的自升式平臺，其海水系統相對簡單、海水總消耗量相對較小、升起站立狀態的作業周期較短，所以其海水總管的設計宜采用吸入壓力總管形式。

4 ? ?潛水泵容量及海水總管計算

在自升式平臺海水系統的形式選定后，應對其潛水泵排量和海水總管規格進行計算，以確保海水系統的供水量能夠滿足平臺所有設備和重要系統的正常運行。

5 ? ?海水系統的安全性設計與應用

自升式平臺海水系統在設計時，應充分考慮系統的安全性和可靠性，尤其是當平臺處于升起站立工況時，由于平臺本體將完全脫離水面，其海水系統的正常運行對于整個平臺的安全性至關重要。

海水系統的安全性和可靠性設計，主要從以下幾點考慮：

（1）海水濾器的選取

海水系統的海水濾器應根據安裝處所位置來選擇合適的濾網規格[3]。如果網孔過大，海水中的大顆粒雜質很容易進入海水系統內;如果網孔過小，海水濾器清洗和維護次數太過頻繁，也不利于維持海水系統的長時間穩定工作。在設備廠家沒有特別要求的情況下，海水系統濾器通常可按照表2的參數來設置。

另外，在海水系統總管和海水提升裝置出水口處的海水濾器，建議安裝海水壓差報警裝置并接入平臺的監測報警系統，可自動檢測海水濾器的運行狀態并發出故障報警信號，這有助于及時發現并消除系統中的主要海水濾器發生嚴重堵塞或故障失效等情況。

（2）海水泵故障報警及自動連鎖控制

自升式平臺海水系統中的關鍵海水泵，如潛水泵和主海水泵等通常都設置有備用泵，一旦出現供水不足或停止運行時，系統應能自動監測到海水總管內的壓降變化情況，并自動開啟備用海水泵以確保海水系統正常運行。

（3）海水總管的安全除氣裝置

采用壓力總管式或環形壓力總管式的海水系統，在其總管上通常需設置安全除氣裝置，用于手動或自動釋放海水總管內聚集的空氣。

（4）海水系統的防火設計

自升式平臺消防水系統的水源主要來自海水總管，消防水系統所要求的管路附件及連接件應采用防火型設計或取得相關的防火證書[4]。因此，與消防水系統相連接的部分海水系統管段，需要按防火設計的要求執行，主要涉及如下系統管段：海水提升裝置至海水總管;整個海水總管;海水總管的支管至其第一道控制閥。

6 ? ?結語

自升式平臺的作業工況通常為：漂浮移船;動力定位;升降過程和升起作業等工況，其海水系統在不同作業工況下的海水需求量通常存在較大的差異。對于常規的鋼質海船而言，其作業工況即為航行工況，海水系統的構成和工作原理相對簡單。本文通過對適用于自升式平臺的各種海水系統形式的工作原理和功能特點進行分析研究，給出了海水系統設計選型的方法，能夠為自升式平臺的海水系統設計提供參考。

參考文獻

[1] 中國船級社. 海上移動平臺入級規范[S]，2014綜合文本.

[2] 王蘋，馮相忠，付宗國，顏盛漢，黃聰漢. 海上自升式工程輔助平臺? ? ? 海水系統綜合設計[J].中國水運，2015（12）.

[3] 船舶設計實用手冊（輪機分冊）[M].3版. 國防工業版社，2013.

[4] American Bureau of Shipping （ABS）. Rules for building and classing mobile?? ? ?offshore drilling units[S]. 2016.