超大型浮船坞压载系统分析
  
作者：佟国志，韩轶群，吕玉奎   出处：中国船舶与海洋工程网信息中心   分类：海洋工程
   发布时间：2012/3/15 10:12:22

摘要

本文以韩国三星重工12万吨举力级超大型浮船坞为依托，主要论述了超大型浮船坞压载系统原理和管系布置的分析及设计方法。通过调研国内外浮船坞技术现状，并吸收韩国先进的设计经验，我们对浮船坞压载系统原理进行分析和研究，掌握浮船坞压载系统的设计方法，并针对超大型浮船坞压载系统的调载能力和使用安全性进一步攻关研究。

关键词：浮船坞；压载系统；排水量；管路布置；系统安全性

1 前言

近年来，随着国际上对矿砂和原油运输需求的增加，对超大型矿砂船、散货船和超大型油船、FPSO的需求也愈来愈多，使得具有建造成本低、使用灵活的浮船坞愈来愈受到各大船厂重视。我公司于2005年自行完工建造并投入使用了30万吨级大型浮船坞，开创了国内运用大型浮船坞修、造船舶的先河。2008年我公司向韩国三星重工完工交付了全球最大举力浮船坞—12万吨举力浮船坞，同时又持有为韩国三星重工建造13万吨举力浮船的订单，并将刷新世界最大举力浮船坞的纪录。

对于浮船坞而言，无论是在船舶进出坞的沉浮坞过程，还是船舶利用浮船坞下水过程，都需要浮船坞具有很高的调载能力。压载系统的性能直接决定了浮船坞调载能力，是浮船坞设计中至关重要的环节。本文以韩国三星重工12万吨举力浮船坞为依托，吸收韩国先进设计经验，针对浮船坞压载系统的调载能力进行分析技术难点开展攻关研究。

2 大型浮船坞压载系统原理及布置的分析与研究

2.1 压载泵及管路布置的确定

大型浮船坞一般设置多个泵舱，每个泵舱一般设置2组压载泵，且左右舷对称布置。2组压载泵通过压载主管线及中间连通阀连通。每个压载舱设有一个吸口和控制阀，每台压载泵可同时为多个压载舱压载和排载，在应急情况下，可打开船舯附近主管上的连接阀为更多的压载舱进行压载和排载。韩国三星重工12万吨举力浮船坞每台压载泵正常工作状态下可同时为6个压载舱的压载和排载，在应急工况时最多可为12个压载舱的压载和排载。

2.2 改进海底阀箱和应急海底密封装置设计 

浮船坞泵舱一般设有左右舷两个海底阀箱，海底阀箱格栅材质建议选为SUS316L，流水空隙大于吸入管横截面积的2倍。每个海底阀箱安装一套防海生物装置。此外应配有应急海水密封装置，可用于应急情况下的封堵以及日常海底阀箱、海水阀的修维，避免了超大型浮船坞进坞维修保养困难的现状。

3 大型浮船坞压载系统的排水量计算

根据韩国三星重工12万吨举力浮船坞技术规格书中浮船坞工作时间要求：在排水量为7万吨的船进坞时，浮船坞由吃水16.m升至工作状态吃水6.5m，所需时间约为3小时，对整个过程进行分析：浮船坞在整个上升过程中处于动态平衡，在16m和6.5m这两个吃水高度时分别处于静止状态，忽略浮船坞上升的中间过程，对两个静止状态进行分析计算可得出压载水排量，计算方法如下所示：

M坞+M1=M2          —— 公式1；

M坞+M船+M3=M4        —— 公式2；

式中M坞——浮船坞的重量，M1——吃水16m时舱中压载水的重量，M2 ——吃水16m时坞的排水量

M船——船的重量，M3——吃水6.5m时舱中压载水的重量，M4 ——吃水6.5m时坞的排水量

M船=7万吨，M2=26.251万吨，M4=21.02万吨

公式1-公式2：

M1-M船-M3= M2 -M4

M1-7-M3=5.231

M1-M3=12.231  M1-M3为压载水排出量，亦为泵的总排量，

根据公式（引用船舶设计实用手册-轮机分册）：泵总排量=总压载水量/所需排水时间×1.25，可以算出泵的总排量为5万吨，本坞共设10台压载泵，每台泵的流量为5000m3/h。

4 优化压载阀及控制系统的设计，改善压载控制性能

浮船坞压载阀一般采用遥控电液式蝶阀或遥控液压蝶阀对压载阀开关进行控制。通过分析比较韩国三星重工12万吨举力浮船坞和其他浮船坞，电液式双液压缸的驱动遥控蝶阀不设液压控制管路，使用方面安全、可靠、节能、环保，基本不需要日常维护，也避免了因液压控制设备及管路引起的阀无法正常开关的现象，当电控系统出现故障时，可使用应急手动液压泵进行手动操作。所有遥控蝶阀的开关可在压载控制室的操控台进行遥控操作，且具有阀开度显示和开关显示灯，压载阀的控制方式分手动和自动控制方式，手动控制即通过操作压载控制台模拟板上的控制开关，自动控制是根据下水对象对浮船坞吃水情况进行预先设置，在下水过程中接收吃水传感器反馈的信号与设定值比较，从而控制蝶阀开关进行自动调载。表-1所示为韩国三星重工12万吨举力浮船坞的设计要求。

表-1

5 压载系统管路布置分析及优化

大型浮船坞具有压载舱多、舱容大，并且调载能力强等特点。因此，压载系统的设计对浮船坞的整体性能有着重要的影响。

韩国三星重工12万举力浮船坞设置有5个泵舱，在每个泵舱左、右舷各布置1台压载泵，两台泵通过贯穿整个泵舱的主压载管路相连接，主压载管路中部设置1个液控蝶阀。在初始设计过程中，泵舱压载系统原理图（送审版）如图-1所示：

图-1 优化前的压载系统原理图

通过对压载系统原理的研究，发现如按原泵舱压载系统原理图布置压载管系将存在一定问题。由于海底阀箱位置及泵舱综合布置等原因，泵舱主压载管路布置产生两处Z型管段，而在压载系统处于工作状态时，此Z型管段的弯头处将产生较大的介质内压拉力。

（1）正常工作压力下介质内压拉力计算：

管通径 ND =800.00 mm

管壁厚 T  =12.70 mm

有效截面积 S =0.48 m2

正常工作内压 P =3.00 kg/cm2

最大介质内压拉力 F =14400 kgf

（2）最大工作压力下介质内压拉力计算：

管通径 ND =800.00 mm

管壁厚 T  =12.70 mm

有效截面积 S =0.48 m2

最大工作内压 P =4.00 kg/cm2

最大介质内压拉力 F =19200 kgf

根据计算结果可知，在巨大的介质内压拉力的作用下，管路容易从伸缩接头处脱出，造成管路泄漏。因此必须考虑在Z型管段拐点处各加一个重支撑，以抵消压载管路产生的介质内压拉力。

虽然该方案可行，但增加了很多工作量，经研究决定通过改变了海底阀箱布置，使压载管在同一直线上布置，避免了介质内压拉力的产生，同时保留伸缩节以抵消管道产生的热胀冷缩变化，管道应力和挠度满足规范要求（ASME B31.3）。图-2是优化后的管系布置。

6 增加应急管路设置，增强压载系统安全性

出于对浮船坞安全性能的考虑，建议在每个相邻泵舱压载主管间增加连通管路，如果同一泵舱的两台压载泵均无法工作时，相邻泵舱的压载泵可做备用泵，以保证压载系统正常工作，增加了浮船坞操作的安全性。以NO.1、NO.2泵舱为例进行分析：

图-2云线部分为增设的连通管路，其中在右舷连接NO.1泵舱和NO.2泵舱的连通管路通径与泵舱压载主管相同，均为ND800。该连通管路上设置1个遥控蝶阀作为应急连通阀，正常工作时为常闭状态。考虑到连通管路长度较大，为消除管路热应力的影响，在连通管路上增设2个伸缩接头。在浮船坞使用过程中，如NO.1泵舱中两台压载泵均出现故障，可开启连通管路上的应急连通阀和NO.1泵舱主管路上的连通阀BA12V，由NO.2泵舱中的压载泵代替工作，实现NO.1和NO.2两组压载舱中压载水的调驳，从而保证浮船坞的正常工作。在NO.2泵舱和NO.3泵舱压载主管路间设置同样的连通管路，该管路布置在浮箱的左舷，其它泵舱均以同样的方式增设连通管路，以保持管路系统整体布置的对称性。

图-2 优化后的压载系统原理图

结束语：

通过本次论文的分析、研究和总结，不断提升大型浮船坞压载系统设计水平，促进我国船舶工业在国际市场上的竞争力。

参 考 文 献

[1] 中国船舶工业总公司编《船舶设计实用手册》一套,国防工业出版社,2002年.

[2] (美)查尔斯·贝赫特 IV(Charles Becht IV)著 陈登丰,秦叔经等译.工艺管道ASME B31.实用指南.化学工业出版社,2005.