張盛鞠

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125)

0 引 言

全球范圍內(nèi)對(duì)石油需求量的與日俱增推動(dòng)了海洋鉆井平臺(tái)需求量的增加。由于海洋鉆井平臺(tái)在海上工作的時(shí)間較長(zhǎng)，為平臺(tái)上的工作人員提供舒適居住環(huán)境的需求日益迫切。隨著人們安全環(huán)保意識(shí)的日益提升，平臺(tái)內(nèi)部各項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)得到不同程度的優(yōu)化。然而，在空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和安裝方面一直存在一系列問(wèn)題，尤其是噪聲污染問(wèn)題，現(xiàn)已成為空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)最主要的問(wèn)題，致使工作人員無(wú)法得到安靜的居住環(huán)境。

為此，對(duì)海洋鉆井平臺(tái)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行減振降噪設(shè)計(jì)和優(yōu)化十分必要，相應(yīng)的優(yōu)化舉措已在國(guó)內(nèi)相關(guān)船舶和平臺(tái)上得到應(yīng)用并獲得了良好效果。目前存在的問(wèn)題是，尚未針對(duì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段提出更高要求。

1 平臺(tái)生活區(qū)域空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲分析

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的噪聲主要是空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)機(jī)工作產(chǎn)生的噪聲，以及空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)在送風(fēng)過(guò)程中根據(jù)風(fēng)管的結(jié)構(gòu)形式和氣流在通過(guò)管道內(nèi)部產(chǎn)生的次生噪聲。

1.1 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備噪聲分析

下面以某300英尺鉆井平臺(tái)生活區(qū)域的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)為例，對(duì)其產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分析。該空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要由空調(diào)單元(Air Conditioning Unit,AHU)、送風(fēng)管路、調(diào)風(fēng)門(mén)、消聲器、送風(fēng)箱和布風(fēng)器組成。現(xiàn)階段空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲主要是設(shè)備在工作運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的。由于AHU是一個(gè)單元設(shè)備，包含離心風(fēng)機(jī)、電機(jī)、熱水加熱器和電極式溫度加濕器，因此在其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)風(fēng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生噪聲，同時(shí)設(shè)備自身振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

1.2 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)管道噪聲分析

送風(fēng)管道是空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的重要組成部分,其內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲往往通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化、增加消聲設(shè)備和增加管路絕緣來(lái)控制。送風(fēng)管道的噪聲主要來(lái)源于3個(gè)方面。圖1為300英尺鉆井平臺(tái)螺旋風(fēng)管節(jié)點(diǎn)圖。

圖1 300英尺鉆井平臺(tái)螺旋風(fēng)管節(jié)點(diǎn)圖

1) 空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)時(shí)氣流產(chǎn)生的噪聲：目前平臺(tái)采用的管道都是由鍍鋅鋼板制作而成的，當(dāng)送風(fēng)管道內(nèi)有流速大的空氣流通過(guò)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生噪聲?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主管路的流速在12～14 m/s，當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)管道、彎頭、三通、異徑接頭、調(diào)風(fēng)門(mén)和布風(fēng)器時(shí)就會(huì)產(chǎn)生噪聲,其強(qiáng)度隨風(fēng)速的提高而增加，其聲功率級(jí)與管道風(fēng)速的5～6次方成正比，即風(fēng)速提高1倍，噪聲增加15～18 dB(A)。因此,目前海上平臺(tái)風(fēng)管系統(tǒng)內(nèi)推薦風(fēng)速為6～8 m/s，此時(shí)的氣流噪聲與較大聲源相疊加之后可忽略。

2) 管道連接支管的噪聲:由于1根空調(diào)送風(fēng)管道要為多個(gè)居住艙室和工作艙室送風(fēng)，1根送風(fēng)管道上會(huì)有多個(gè)支管、調(diào)風(fēng)門(mén)、異徑接頭和布風(fēng)器，需連接很多支管，當(dāng)將支管連接到主管道上之后，支管就會(huì)產(chǎn)生高、低噪聲，并將這些噪聲傳回至主管道，致使整個(gè)管道的噪聲更加嚴(yán)重。

3) 船體結(jié)構(gòu)與管道的噪聲:當(dāng)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管道穿墻船體艙壁時(shí)，因管道要焊接在船體艙壁上，送風(fēng)過(guò)程中管道本身有噪聲和振動(dòng)，并通過(guò)管壁和船體艙壁將噪聲傳遞到船體結(jié)構(gòu)上。

2 平臺(tái)生活區(qū)域空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲控制及解決方案

當(dāng)前平臺(tái)生活區(qū)域空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的減振降噪設(shè)計(jì)、制作和安裝工藝大都在改進(jìn)，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)及制作安裝工藝可起到減振降噪的作用。

2.1 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備的選用

2.1.1 降低離心風(fēng)機(jī)自身噪聲的方法

風(fēng)機(jī)噪聲的大小取決于風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式、流量、全壓和轉(zhuǎn)速等因素。風(fēng)機(jī)的總噪聲功率的計(jì)算公式為

L

=

L

+10lg(

QH

)-20

(1)

式(1)中:

L

為風(fēng)機(jī)的比聲功率級(jí)，dB;

Q

為風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，m;

H

為風(fēng)機(jī)全壓，Pa。

由式(1)可知，降低風(fēng)機(jī)自身噪聲的方法是改變風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和壓力，但風(fēng)量與壓力是沒(méi)有比例關(guān)系的，因此若要降低風(fēng)機(jī)的噪聲，只能改變風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，在選取風(fēng)機(jī)時(shí)選取低噪聲的離心風(fēng)機(jī)，在相同風(fēng)量和風(fēng)壓下，機(jī)翼型葉片的離心風(fēng)機(jī)噪聲小，前向板型葉片的離心風(fēng)機(jī)噪聲大。

2.1.2 控制風(fēng)機(jī)直接暴露室外生產(chǎn)的噪聲

對(duì)于直接暴露在室外工作的大功率風(fēng)機(jī)，在空間允許的條件下增加消聲箱體，將箱體做成一個(gè)能方便風(fēng)機(jī)檢修的風(fēng)機(jī)消聲設(shè)備，在箱體內(nèi)用巖棉和消聲面做內(nèi)襯，在有條件的區(qū)域增加一個(gè)風(fēng)機(jī)室，在風(fēng)機(jī)室內(nèi)部做一些消聲處理，例如增加艙壁巖棉的厚度，在門(mén)窗上用隔聲門(mén)窗等。

2.1.3 風(fēng)機(jī)的振動(dòng)控制

在設(shè)計(jì)中可為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)減振塊，而不是直接與船體基座相連接。首先，在最初設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)就將噪聲設(shè)計(jì)要求提供給風(fēng)機(jī)制造單位，由制造單位據(jù)此完成減振塊設(shè)計(jì)制作?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)增加彈簧墊圈和橡膠墊圈，使風(fēng)機(jī)振動(dòng)通過(guò)減振塊傳遞到船體結(jié)構(gòu)上，從而更有效地降低振動(dòng)。

2.1.4 風(fēng)機(jī)與送風(fēng)管道的噪聲控制

當(dāng)送風(fēng)機(jī)與空調(diào)送風(fēng)管道連接時(shí)，風(fēng)機(jī)送回口的尺寸要通過(guò)一個(gè)異徑接頭變換成設(shè)計(jì)的送風(fēng)管道的尺寸。由于送風(fēng)口的風(fēng)壓很大，若選用鋼制風(fēng)管硬連接，相當(dāng)于風(fēng)機(jī)吹出來(lái)的高壓風(fēng)直接吹在了鋼管上，會(huì)大大地增加空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管路的噪聲，同時(shí)風(fēng)量在與鋼管接觸時(shí)會(huì)有很大的損失，風(fēng)長(zhǎng)時(shí)間吹在鋼制管路上使平臺(tái)上的工作人員產(chǎn)生不適感，因此風(fēng)機(jī)與風(fēng)管管道之間的異徑接頭采用帆布這樣的軟連接，以大幅減少風(fēng)機(jī)與空調(diào)送風(fēng)管道的接觸，從而降低風(fēng)機(jī)與空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管路連接產(chǎn)生的噪聲。

2.2 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)送風(fēng)管道的噪聲控制及解決辦法

控制空調(diào)系統(tǒng)管道內(nèi)的噪聲的根本措施是控制管道內(nèi)風(fēng)的流速,這樣的理念應(yīng)從空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初開(kāi)始統(tǒng)籌考慮。

2.2.1 通風(fēng)系統(tǒng)管道布置降低噪聲

管道設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地使管道內(nèi)的風(fēng)速均勻，生活區(qū)域空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)主管路會(huì)采用螺旋風(fēng)管，因?yàn)槁菪L(fēng)管本身是圓形，這樣做不僅能減少風(fēng)在管道內(nèi)流動(dòng)的損失，而且在送風(fēng)過(guò)程中能避免使用直角彎頭，所有的彎頭、三通管接頭、異徑接頭和調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)都是圓弧形的，在對(duì)噪聲進(jìn)行控制過(guò)程中，生產(chǎn)設(shè)計(jì)起到了很大的作用?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管道根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)圖紙安裝，在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)中存在供電系統(tǒng)、生活用水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)和暖通系統(tǒng)，如何將這些系統(tǒng)合理地布置到平臺(tái)上是生產(chǎn)設(shè)計(jì)所有做的工作，通風(fēng)管道并不能達(dá)到一個(gè)理想的狀態(tài)，在與其他系統(tǒng)交叉時(shí)，往往需要一些折彎，但為了控制噪聲，并盡量在設(shè)計(jì)過(guò)程中減少?gòu)濐^的使用，合理地對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管路進(jìn)行布置也是控制管道噪聲很好的方式。

2.2.2 通過(guò)設(shè)計(jì)降低噪聲

1) 直管道噪聲。直管道的氣流噪聲聲功率級(jí)的計(jì)算公式為

L

=

L

+50lg

v

+10lg

F

(2)

式(2)中：

L

為直管比聲功率級(jí)，一般取10 dB;

v

為氣流速度，m/s；

F

為直管道的斷面積，m。

2) 彎管管道噪聲。彎管道的氣流噪聲聲功率級(jí)的計(jì)算公式為

L

′=

L

′+10lg

f

+30lg

d

+50lg

v

′

(3)

式(3)中：

L

′為彎管道比聲功率級(jí)，dB；

f

為倍頻帶低限頻率，HZ；

d

為風(fēng)管直徑或當(dāng)量直徑，m；

v

′為彎管內(nèi)流速，m/s。

在設(shè)計(jì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，在HVAC(Heating,Ventilation and Air Conditioning)基本設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段就要充分考慮300英尺鉆井平臺(tái)生活區(qū)域有多少房間，哪些房間需配備暖通系統(tǒng)，是居住艙室還是工作艙室，醫(yī)務(wù)室和駕駛室的送風(fēng)量與居住艙室的送風(fēng)量都是不一樣的，對(duì)噪聲的要求也不一樣。此外，還需考慮整個(gè)平臺(tái)上的居住人數(shù)，各房間對(duì)風(fēng)量的需求，以及對(duì)噪聲有嚴(yán)格要求的艙室。有些艙室對(duì)噪聲的要求很高，比如醫(yī)務(wù)室，其本身是供生病人員休息和養(yǎng)病的場(chǎng)所，需具有安靜舒適的環(huán)境，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程要考慮到對(duì)這些特殊的房間進(jìn)行降噪，做到在不影響送風(fēng)效果和各房間使用功效的前提下合理地將AHU的風(fēng)量分配到幾個(gè)主管路上。同時(shí)，在設(shè)計(jì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)還要考慮風(fēng)量的平衡，在每根主管路的起始點(diǎn)都安裝調(diào)風(fēng)門(mén)，1根主管路要給多個(gè)房間送風(fēng)，在給每個(gè)房間送風(fēng)時(shí)，風(fēng)量都會(huì)減少，為保證管道末端有足夠的風(fēng)量，在送風(fēng)過(guò)程中，送風(fēng)主管道會(huì)逐漸變細(xì)，這就要求在不同管徑之間變化時(shí)需有異徑接頭，對(duì)異徑接頭的選用都有很高的要求，必須是同心異徑接頭，好處是當(dāng)管徑發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)接頭非常平滑，對(duì)風(fēng)速的作用是緩慢減弱，且在異徑接頭處都要增加調(diào)風(fēng)門(mén)，作用是有效減少2個(gè)不同管徑管道的風(fēng)量，以保證空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)主管道風(fēng)的流速。用圓形三通將主管道與支管道相連接，每個(gè)支管都要裝一個(gè)調(diào)風(fēng)門(mén)，以保證風(fēng)管內(nèi)風(fēng)的流速，這樣能減少風(fēng)直接送到布風(fēng)器產(chǎn)生的撞擊噪聲。

此外，在生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙的要求進(jìn)行。降噪對(duì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的要求也很高，因?yàn)槠脚_(tái)上有電力系統(tǒng)、生活用水系統(tǒng)、污水系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，為保證能將這些系統(tǒng)更好地放在平臺(tái)上，就要通過(guò)生產(chǎn)設(shè)計(jì)來(lái)完成。在與電力系統(tǒng)和水系統(tǒng)交叉時(shí)，對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管道做一段折彎，以保證管道能走通。為降低噪聲，一般不會(huì)用90°彎頭，更多的是采用30°和45°彎頭借高低差，這樣能使風(fēng)速平穩(wěn)地通過(guò)管道。在整個(gè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中也將對(duì)特殊房間的降噪作為設(shè)計(jì)的根本，在特殊房間的管路上，會(huì)在螺旋風(fēng)管外包一層消聲棉，以保證特殊房間的噪聲控制，在AHU的回風(fēng)口做一個(gè)靜壓箱，箱體外面是鋼板，里面是消聲棉和玻璃纖維，在加上一層鋁箔用鋼網(wǎng)壓在上面，這樣就對(duì)回風(fēng)口達(dá)到了降低噪聲的功效。在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)將所有房間連接布風(fēng)器與支管連接的地方用300～350 mm軟管連接，在房間的布風(fēng)器上用15 mm厚的消聲棉把所有布風(fēng)器包起來(lái)，以降低風(fēng)通過(guò)布風(fēng)器產(chǎn)生的噪聲。對(duì)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)管道的吊架進(jìn)行處理，避免通風(fēng)管道與吊架直接接觸，每個(gè)支架單邊都會(huì)有2 mm的間隙在吊架和風(fēng)管中用橡膠墊圈隔離開(kāi)。通過(guò)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)，對(duì)管道內(nèi)的風(fēng)量和通過(guò)管道的流速進(jìn)行有效控制，合適地布置空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的管路，減少三通、彎頭和異徑接頭的使用，達(dá)到降低噪聲的效果。

2.2.3 通過(guò)消聲設(shè)備及材料降低噪聲

對(duì)于消聲設(shè)備和材料的選用，在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主管路起始段增加消聲設(shè)備，在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)送風(fēng)主管路起始段增加管道消聲器。管道聲音器的選擇也很關(guān)鍵，對(duì)于不同的噪聲所選用的消聲材料不同。風(fēng)通過(guò)管路各個(gè)彎頭、三通、異徑接頭和調(diào)風(fēng)門(mén)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生噪聲，為降低管路內(nèi)噪聲，一般通過(guò)改變絕緣厚度，在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中采用預(yù)絕熱螺旋風(fēng)管來(lái)實(shí)現(xiàn)。為在送風(fēng)過(guò)程中防止能量在管道內(nèi)溜走時(shí)損失，會(huì)在制作預(yù)絕熱螺旋風(fēng)管過(guò)程中包一層絕緣，這層絕緣常規(guī)是單邊包12.5 mm厚度的隔熱防噪材料。在采購(gòu)過(guò)程中要求制作廠家將材料的厚度由12.5 mm增加到15.0 mm，通過(guò)改變消聲材料的厚度及材質(zhì)，更有效地控制管道內(nèi)噪聲。

2.2.4 布風(fēng)器材料更新?lián)Q代以降低噪聲

在傳統(tǒng)的鉆井平臺(tái)空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，布風(fēng)器的箱體通常是用鍍鋅板制成的，因其抗腐蝕性能不佳，使用壽命較短。頻繁地對(duì)布風(fēng)器的箱體材料進(jìn)行更換，無(wú)異于重新對(duì)安裝上去的鍍鋅板與整體的送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行磨合，這會(huì)提升誘發(fā)噪聲的概率。因此，尋找鍍鋅板替代材料，使布風(fēng)器的使用壽命得到延長(zhǎng)，也是進(jìn)行減振降噪的有效措施。研究發(fā)現(xiàn)，鋁鋅板相比鍍鋅板具有更強(qiáng)的抗腐蝕性能，改用鋁鋅板制作布風(fēng)器的箱體，或許能在一定程度上延長(zhǎng)布風(fēng)器的使用壽命。布風(fēng)器的更換次數(shù)減少，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)誘發(fā)噪聲的概率就會(huì)大大下降。未來(lái)，平臺(tái)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中或許會(huì)使用其他新型能源材料制作平臺(tái)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。這就意味著平臺(tái)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作要切合時(shí)代的發(fā)展潮流與動(dòng)向，只有如此才能使平臺(tái)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)保持先進(jìn)性。因此，新能源材料的使用也是對(duì)船舶空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行減振降噪的有效措施之一。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某300英尺鉆井平臺(tái)生活區(qū)域空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲進(jìn)行分析，總結(jié)了空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)噪聲的主要來(lái)源；在海上平臺(tái)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，結(jié)合送風(fēng)管道的綜合布置，詳細(xì)分析了噪聲的來(lái)源。通過(guò)在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段對(duì)送風(fēng)管道進(jìn)行合理布置，并根據(jù)每個(gè)房間的使用功效對(duì)其空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，探討了降噪的解決方案。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，采用新方案后，該300英尺鉆井平臺(tái)生活區(qū)域空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的噪聲降低了10%，得到了用戶(hù)的一致好評(píng)。