姚堂毅， 黃秋云

(中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州 510715)

0 引 言

隨著船舶自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步和智能化水平的提高，各種先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)不斷地應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域[1]。尤其對(duì)于新型坐底式風(fēng)電安裝船，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)能力和自動(dòng)化水平更高，對(duì)于控制系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)和要求更嚴(yán)格。1 600 t深潛坐底式風(fēng)電安裝船，其設(shè)計(jì)功能是在海上風(fēng)電場進(jìn)行各項(xiàng)風(fēng)電工程作業(yè)，作業(yè)時(shí)可根據(jù)海洋環(huán)境條件的不同以及風(fēng)機(jī)廠商的安裝要求，選擇在任何一種作業(yè)模式下進(jìn)行風(fēng)電塔的安裝作業(yè)。本船設(shè)計(jì)作業(yè)主要分為兩種，分別是漂浮狀態(tài)作業(yè)和坐底狀態(tài)作業(yè)。在漂浮狀態(tài)時(shí)，要求船舶能處于穩(wěn)定浮態(tài)，可通過壓載系統(tǒng)控制壓載艙進(jìn)行部分壓載，保證船舶的吃水穩(wěn)性；在坐底狀態(tài)時(shí)，要求船舶坐落于海床上，此時(shí)通過壓載系統(tǒng)的閥門控制壓載艙的壓載狀態(tài)，使全部壓載艙充滿壓載水，并能隨時(shí)根據(jù)作業(yè)需求調(diào)整壓載水量，保證船舶在坐底工況時(shí)具有很好的作業(yè)穩(wěn)定性。

1 沉浮系統(tǒng)組成及原理

本船的結(jié)構(gòu)分為上下兩層，中間由4個(gè)立柱支撐，底部壓載艙分布如圖1所示。設(shè)計(jì)作業(yè)工況為兩種，考慮坐底作業(yè)工況及水深要求，本船設(shè)計(jì)有30個(gè)壓載艙(包括4個(gè)浮箱)：底層22個(gè)壓載艙，中間4個(gè)立柱內(nèi)各2個(gè)壓載艙，每個(gè)壓載艙都設(shè)計(jì)成能夠進(jìn)行獨(dú)立操作的系統(tǒng)。壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)為舷側(cè)進(jìn)水，采用壓氣排水進(jìn)行起浮的模式。沉浮系統(tǒng)由壓載系統(tǒng)、壓縮空氣排壓載系統(tǒng)、沖噴系統(tǒng)及閥門控制系統(tǒng)等4大模塊組成。分別從設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主要設(shè)備布置、操控流程、管路設(shè)計(jì)要點(diǎn)和閥門遙控系統(tǒng)等4方面對(duì)本船沉浮系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)介紹。

圖1 船舶整體模型及底部壓載艙分布

1.1 系統(tǒng)設(shè)備布置

1.1.1 排壓載空壓機(jī)組

排壓載空壓機(jī)是沉浮系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，用于在坐底時(shí)進(jìn)行排氣輔助壓載，起浮時(shí)進(jìn)行壓氣排水輔助起浮作業(yè)。本船坐底時(shí)下殼體及立柱浸沒在32 m水面以下，4臺(tái)排壓載空壓機(jī)分別布置在4個(gè)立柱內(nèi)32 m水線以上位置，朝靠舯線方向進(jìn)行布置，艏部(艉部)左右舷2臺(tái)設(shè)備互為備用，提高船舶坐底效率，增加橫傾穩(wěn)性。排壓載空壓機(jī)型號(hào)為ZA5F300-5E，壓縮排氣壓力為0.3 MPa。該裝置模塊可自動(dòng)分離壓縮空氣中帶有的水蒸氣，通過冷卻裝置實(shí)現(xiàn)冷卻，保證設(shè)備的良好工況。

1.1.2 沖噴空壓機(jī)

本船坐底時(shí)下殼體在32 m水面下，下殼體與海床淤泥接觸。起浮時(shí)需要考慮破除淤泥吸附力，因此需設(shè)計(jì)：1臺(tái)沖噴空壓機(jī)，布置于右舷艏部立柱排壓載空壓機(jī)室內(nèi)，同時(shí)需避開1 500 mm危險(xiǎn)區(qū)域的位置，型號(hào)為MAS160-7.5-50，排量為1 686 m3/h，壓力為0.75 MPa；2臺(tái)消防泵，壓力為0.7 MPa，流量為100 m3/h。經(jīng)過消防泵與沖排空壓機(jī)的聯(lián)合作用，沖噴起浮系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生高壓的汽水混合壓力流體，并通過下殼體底部均布的248個(gè)沖噴口噴射出去，破除底部淤泥的吸附力，實(shí)現(xiàn)船舶快速起浮。

1.2 系統(tǒng)工作原理

1.2.1 壓載坐底作業(yè)

坐底過程分3個(gè)階段連續(xù)進(jìn)行壓載作業(yè)，分別是吃水0～6.497 m、>6.497～16.000 m和>16.000～32.000 m，壓載艙注入時(shí)是左右舷壓載艙對(duì)稱同時(shí)壓載注入。以左舷壓載艙注入為例說明具體的壓載坐底流程，系統(tǒng)作業(yè)流程如圖2所示。

在吃水0～6.497 m階段，壓載水艙的注入順序?yàn)椋合仁荖o.5壓載水艙(左)，然后是No.1壓載水艙(左)、No.7壓載水艙(左)、No.8壓載水艙(左)和No.9壓載水艙(左)同時(shí)注入。其中，No.1壓載水艙(左)和No.9壓載水艙(左)還兼做船舶縱、橫傾的調(diào)載功能，這兩個(gè)艙應(yīng)通過控制相應(yīng)的壓縮空氣注排支管遙控閥的開度來調(diào)節(jié)注水速度。

在吃水>6.497～16.000 m階段，壓載水艙的注入順序大致為：先是No.6壓載水艙(左)和No.10壓載水艙(左)同時(shí)注入，然后是No.2壓載水艙(左)、No.3壓載水艙(左)、No.4壓載水艙(左)和No.11壓載水艙(左)同時(shí)注入。其中，No.10壓載水艙(左)、No.2壓載水艙(左)和No.11壓載水艙(左)還兼做調(diào)整船舶平衡功能，故這3個(gè)艙應(yīng)特別注意通過控制相應(yīng)的壓縮空氣注排支管遙控閥的開度來調(diào)節(jié)進(jìn)水速度。

在吃水>16.000～32.000 m階段，壓載水艙的注入順序大致為：先是No.11壓載水艙(左)(延續(xù)第二階段)，然后是No.12壓載水艙(左)和No.13壓載水艙(左)同時(shí)注入，最后是No.14壓載水艙(左)和No.15壓載水艙(左)同時(shí)注入。在整個(gè)船體系統(tǒng)下沉過程中通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶狀態(tài)，通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)整閥門開度及排壓載空壓機(jī)的狀態(tài)，保持船舶坐底過程的穩(wěn)定性及安全性。在船底接觸海床時(shí)，系統(tǒng)停止壓載，遙控系統(tǒng)控制蝶閥關(guān)閉，各監(jiān)測系統(tǒng)隨時(shí)顯示并調(diào)整船舶姿態(tài)，船舶坐底完成。

圖2 壓載坐底作業(yè)流程

1.2.2 排水起浮作業(yè)

在系統(tǒng)收到起浮作業(yè)指令時(shí)，遙控系統(tǒng)控制蝶閥開啟，排壓載空壓機(jī)收到啟動(dòng)指令，向壓載艙內(nèi)部壓入空氣，壓載系統(tǒng)管路開始往外排水，同時(shí)通過位于中控室尾部的壓載控制臺(tái)操作沖噴系統(tǒng)(包括開啟沖噴系統(tǒng)的相關(guān)遙控閥門、沖噴空壓機(jī)和消防總用泵)破壞船舶的底部淤泥，破開淤泥的吸附力。觀察船舶吃水，待確定船舶已經(jīng)開始上浮，在船舶上浮至0.5 m時(shí)關(guān)閉沖噴系統(tǒng)(包括關(guān)閉沖噴系統(tǒng)的相關(guān)遙控閥門和沖噴空壓機(jī))。排壓載系統(tǒng)繼續(xù)工作，壓載水艙的排壓載順序?yàn)橄鲁磷鳂I(yè)的逆過程，左、右舷對(duì)稱艙室同時(shí)進(jìn)行排壓載，左、右舷壓載艙排壓載的順序依次為：①No.14壓載水艙(左、右)和No.15壓載水艙(左、右)同時(shí)排出；②No.12壓載水艙(左、右)及No.13壓載水艙(左、右)同時(shí)排出；③No.11壓載水艙(左、右)、No.2壓載水艙(左、右)、No.3壓載水艙(左、右)和No.4壓載水艙(左、右)同時(shí)排出；④No.6壓載水艙(左、右)和No.10壓載水艙(左、右)同時(shí)排出；⑤No.1壓載水艙(左、右)、No.7壓載水艙(左、右)、No.8壓載水艙(左、右)和No.9壓載水艙(左、右)同時(shí)排出；⑥No.5壓載水艙(左、右)排出。系統(tǒng)作業(yè)流程如圖3所示。在整個(gè)過程中通過計(jì)算機(jī)對(duì)船體狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)節(jié)，保證船舶起浮穩(wěn)性。

圖3 排水起浮作業(yè)流程

2 系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 壓載管路

壓載管路設(shè)計(jì)在下殼體兩側(cè)，主要考慮船舶壓載平衡性、壓載水進(jìn)出速度、入泥厚度以及應(yīng)急補(bǔ)水措施，系統(tǒng)管路如圖4所示。壓載管路設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：(1)實(shí)現(xiàn)船體坐底需注意海床淤泥厚度及坐底深度、壓載艙淤泥沉積及清除措施，同時(shí)壓載管系閥門系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮設(shè)置淤泥沖洗裝置，避免閥門堵塞或卡死影響沉浮作業(yè)；(2)本船壓載管路設(shè)計(jì)管徑為DN 300 mm，采用加厚管，設(shè)計(jì)采用舷側(cè)進(jìn)水方式，考慮坐底淤泥厚度后設(shè)計(jì)壓載管開孔距離基線3 200 mm，每個(gè)壓載艙設(shè)計(jì)有雙壓力傳感器(空氣壓力和水壓力檢測)，采用高低布置方式；(3)壓載管系設(shè)計(jì)采用1∶100的斜度，防止淤泥進(jìn)入壓載艙，在壓載閥附近的壓載管上安裝沖噴吹洗管，防止淤泥沉積影響蝶閥開啟；(4)壓載閥布置控制在1 500 mm的破艙區(qū)域范圍[2]內(nèi)，防止破艙導(dǎo)致其他艙室或管系進(jìn)水。

2.2 沖噴起浮管路

沖噴管路設(shè)計(jì)在靠近下殼體底板位置，采用雙總管結(jié)構(gòu)，總管上開若干支管，如圖4所示。沖噴起浮管路設(shè)計(jì)要求包括：(1)在船底板均勻布置248個(gè)沖噴口，采用DN 32 mm的管徑，沖噴口外板加半圓護(hù)圈，防止淤泥堵塞沖噴管口，各沖噴口距離為1 500 mm，保證沖噴力均布于船底；(2)設(shè)計(jì)使沖噴系統(tǒng)連接至2臺(tái)消防泵及1臺(tái)沖噴空壓機(jī)組，每個(gè)沖噴口最小排量為6 588 m3/h，提供不小于243.16 kN的破吸附力才能滿足輔助起浮作業(yè)；(3)排壓載空氣管路管徑設(shè)計(jì)為DN 150 mm，排氣壓力為0.3 MPa，從排壓載空壓機(jī)室一直延伸至下殼體。在排壓載空壓機(jī)室內(nèi)設(shè)置直徑DN 800 mm的集氣總管單元，增加泄放管和報(bào)警檢測，定時(shí)排放管路存水，避免存水阻礙壓載艙排壓載空氣管與總管的連通，導(dǎo)致氣流不能順暢進(jìn)入壓載艙內(nèi)，降低下潛、上浮效率；(4)避免排氣時(shí)空氣凝水從排氣管口噴出，管路的布設(shè)應(yīng)避開1 500 mm的破損危險(xiǎn)區(qū)域以及高應(yīng)力區(qū)，保證系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的整體安全。

圖4 沉浮系統(tǒng)管路

3 閥門遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本船沉浮系統(tǒng)涉及的壓載艙較多，控制系統(tǒng)閥門種類不同。考慮到在坐底工況時(shí)，該船的壓載系統(tǒng)調(diào)載量大、系統(tǒng)管徑大[3]、閥門數(shù)量多，需較大的驅(qū)動(dòng)力，而且閥門均安裝在海水浸沒區(qū)，工作環(huán)境惡劣，因此本船壓載系統(tǒng)的閥門驅(qū)動(dòng)控制采用電液壓聯(lián)合驅(qū)動(dòng)控制[4]。在浸沒區(qū)采用控制模塊與閥體分離形式；在非浸沒區(qū)，管徑較小的閥門采用整體式就地控制方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣能夠利用整體式控制結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)液壓管線的緊湊布置，操作靈活方便，從而優(yōu)化遙控系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)布局。

3.1 系統(tǒng)原理

沉浮系統(tǒng)的閥門控制系統(tǒng)如圖5所示，在浸沒區(qū)與非浸沒區(qū)的閥門控制方式相似。系統(tǒng)原理要點(diǎn)包括：(1)電磁閥箱收到接口箱發(fā)出的信號(hào)，發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)液壓動(dòng)力單元工作，液壓油通過動(dòng)力模塊的變換分別驅(qū)動(dòng)不同液壓閥門開啟[5]；(2)閥門開啟到位時(shí)會(huì)自鎖，通過反饋信號(hào)在控制面板上顯示閥門開啟狀態(tài)；(3)當(dāng)壓載艙內(nèi)的液位達(dá)到預(yù)定高度時(shí)，傳感器發(fā)出信號(hào)，信號(hào)接口箱收到信號(hào)后發(fā)出指令，電磁閥箱接收到指令后控制驅(qū)動(dòng)模塊停止供液壓油[6]，液壓遙控閥門在彈簧力的作用下自行關(guān)閉；(4)管路的啟閉狀態(tài)和艙室水位壓載情況通過行程開關(guān)及液位傳感器反饋在上位機(jī)上顯示，信號(hào)接口箱和電磁閥箱能根據(jù)閥門的狀態(tài)快速傳輸相應(yīng)的命令，提升閥門控制的反應(yīng)速度[7]；(5)遇到特殊情況時(shí)，可通過遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)，利用手動(dòng)液壓泵操控閥門的開啟與關(guān)閉，每個(gè)遙控閥門均有反饋開閉信號(hào)的功能，系統(tǒng)的閥門均具有斷電自鎖功能，閥門可保持在斷電時(shí)的位置。

3.2 管路及傳感器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

閥門遙控系統(tǒng)作為沉浮系統(tǒng)的必要組成部分，其設(shè)計(jì)和安裝均需按照嚴(yán)格的流程進(jìn)行設(shè)計(jì)和測試。設(shè)計(jì)需注意幾點(diǎn)：(1)在浸沒區(qū)，液壓遙控裝置的管路設(shè)計(jì)采用精密不銹鋼管防止海水腐蝕，管路設(shè)計(jì)盡量平直，減少斷管位置。為優(yōu)化管路布局和提高系統(tǒng)集成化，本船采用DN 10 mm的兩芯不銹鋼管進(jìn)行敷設(shè)。(2)信號(hào)接口箱、電磁閥、手搖泵和液壓泵站等控制裝置均設(shè)置在排壓載空壓機(jī)室內(nèi)進(jìn)行干濕分離處理，各閥的控制動(dòng)力通過多芯管與電磁閥箱進(jìn)行連接。(3)通過艙內(nèi)傳感器和4角吃水監(jiān)測，利用傳感器的信號(hào)進(jìn)行反饋控制，壓載艙傳感器采用高低位雙傳感器配合安裝模式：每個(gè)艙底部設(shè)置2個(gè)水壓傳感器，低位距艙底200 mm，高位距艙底600 mm；艙頂部設(shè)2個(gè)空氣壓力傳感器，需注意考慮頂部傳感器的測量可能導(dǎo)致壓載不滿的情況。(4)增加安裝至集氣總管單元排壓載壓縮空氣管接口處的壓力傳感器，其具有就地顯示功能，保證艙頂壓縮空氣傳感器測量的準(zhǔn)確性。所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)均通過集控室的計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。

圖5 閥門控制系統(tǒng)

4 結(jié) 語

本船沉浮系統(tǒng)原理經(jīng)設(shè)計(jì)院、船廠、船舶所有人及船級(jí)社等多方討論決定，設(shè)計(jì)方案可行，不僅滿足了船舶所有人的使用作業(yè)要求，也對(duì)同類型船舶的設(shè)計(jì)具有借鑒作用。本船沉浮系統(tǒng)首次應(yīng)用于坐底式風(fēng)電安裝船，該系統(tǒng)的操作性能、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性及整體性能會(huì)在后續(xù)的實(shí)船使用過程中進(jìn)行檢驗(yàn)。本船系統(tǒng)設(shè)計(jì)獲得的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐參數(shù)能夠?yàn)楹罄m(xù)類型船舶的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和完善提供參考。