超深水半潜式钻井平台总体噪声分析研究

贺昌海

（烟台中集来福士海洋工程有限公司研发设计中心，山东烟台 264670）

超深水半潜式钻井平台总体噪声分析研究

贺昌海

（烟台中集来福士海洋工程有限公司研发设计中心，山东烟台 264670）

对第七代超深水半潜式钻井平台的主要噪声源进行了分析，通过建立统计能量分析模型对平台的总体噪声进行了预测。计算得到了平台各典型舱室的声压级水平，针对噪声超标房间给出了解决方案，并通过实际海试测试验证了方案的可行性，为后续半潜式平台噪声控制提供了参考。

超深水半潜式钻井平台；总体噪声；统计能量法；降噪措施

0 引言

超深水半潜式钻井平台作为一种高附加值产品是深海油气勘探和开发的主要装备。其远离大陆，工作人员需要长期在海上进行工作，因此平台的舒适性越来越受到各方的重视。以往海洋平台往往在平台海试时才发现噪声超标，这时采取减噪措施不仅效果不佳而且成本巨大。因此在平台设计前期进行总体噪声预报，及时采取减噪措施避免后期修改非常必要。

本文应用统计能量法分析方法对目前世界上最先进的第七代超深水半潜式钻井平台进行了总体噪声分析，得到生活区舱室的声压级，并应用IMO Rev A.468噪声标准对典型舱室噪声进行评估，针对噪声超标房间提出了噪声控制措施。

1 统计能量法

统计能量分析（Statistical Energy Analysis，简称SEA）方法最早是在上世纪60年代提出的，用来解决复杂结构的高频振动问题[1]。在统计能量分析方法中一个系统可划分为若干个贮存能量的振动方程式群，称为子系统。在一定的频带范围内，每个子系统可以用其能量的时间空间平均值、简正方式的数目和表示能量损耗的损耗因数描述。根据能量守恒原理，子系统消耗的能量加上传递给其它子系统的能量，应等于输入给该子系统的能量，对于具有k个子系统的系统，其能量平衡方程为[2-4]：

式中，Ei、Pi、ni、ηi分别为第i个子系统的能量、输入功率、模态密度以及内部损耗因子，ηij是两个子系统的耦合损耗因子。

2 第七代超深水半潜式钻井平台

本文分析的目标平台配备DP3动力定位系统，入级挪威船级社。该平台是目前全球最先进的第七代超深水半潜式钻井平台，最大工作水深为 3658米，钻井深度为15250米，采用NOV液压双钻塔设计，拥有宽敞的甲板利用空间及便利的机舱维护保养通道，采用DP3闭环设计、岩屑舱内处理存储系统和压载水处理系统。该平台可以在墨西哥湾、中国南海、澳大利亚、巴西海域、西非、南大西洋等深水海域作业。目标平台的主要设计参数见表1。

表1 目标平台的主要设计参数

3 统计能量法分析模型

本文采用国际通用的噪声分析软件VA One对目标平台进行噪声分析。VA One是ESI公司推出的振动噪声分析软件，其将有限元、统计能量法、边界元等方法统一起来解决全频段的噪声问题[4]。

在使用统计能量法进行噪声分析时，其基本的思想是将一个复杂的结构耦合系统划分为多个子系统，通过能量平衡方程进行子系统的各个物理量的计算。

3.1 板子系统的建立

统计能量方法使用的模型相对于有限元方法来说是比较简化的，通常情况下，对于平台结构中的型材是可以省略的，只保留舱壁、甲板及外板结构[5]。但对于上层建筑来说，还需要按照平台的布置图或生活区舾装布置图纸重新划分舱室，使得模型结构完全与平台的布置图一致这样可以方便提取每个舱室的计算结果。图1为目标平台板子结构图。

图1 目标平台板子结构图

3.2 空腔子系统的建立

VA One中对空腔子系统的生成是以密闭的舱室为单位，即形成房间的六个面要求是封闭的，没有间隙的，所以在自动生成空腔之前要检查板子系统模型，确定每个房间都是封闭的。最终生成的空腔子系统见图2所示。

3.3 舾装材料的模拟

做整船和整个平台的噪声分析，船舶和平台上舾装系统的模拟至关重要，对于这个系统的模拟方法主要分为两种：一个是输入材料属性法，一个是隔声量输入法。对于天花板、壁板等舾装材料多为复合结构，可使用Treatment Lay-up或User Defined Treatment进行模拟。图3为目标平台所使用的各种舾装材料的隔声值[6]。

图2 目标平台空腔子结构图

图3 舾装材料的隔声值

3.4 连接子系统

使用软件VA ONE建立的子系统模型，相邻的子系统之间的点、线、面是独立的，不相关的，因此需要建立子系统之间的相关性。通常情况下，自动生成连接是首选的方法，手动生成作为补充。通过建立子系统之间的连接，也可检验生成子系统的质量[7]。

4 主要声激励源及模拟

半潜式钻井平台上的噪声主要分为两种：一种是结构噪声，一种是空气噪声。结构噪声是由于激振源振动通过结构传播而引起的噪声。空气噪声则主要是由于设备本身发出的声音，通过空气向外传播而引起的噪声。因此会产生这两种噪声形式的大型设备都是需要考虑的，对于传播和平台来说，通常需要考虑的设备主要有：主机、辅机、推进器、空压机、各种泵等，但需要说明的是，主机、辅机及推进器对于整船的振动噪声起着非常重要的作用，而空压机、各种泵等小型设备，对于局部区域的噪声有一定的影响。

本文在计算中考虑了主机、推进器、空压机、泥浆泵、造水机、空调等设备的噪声激励，图4和图5分别为主机及推进器的结构噪声。

图4 主机结构噪声

图5 推进器结构噪声

5 平台舱室噪声预报及结果分析

使用统计能量方法进行噪声分析，优于其它方法的一个特点是，求解时间相对较短，它的运算过程是：计算点连接—计算线连接—计算面连接。对于每个频率，都要经过这样一个点、线、面的计算过程[8]。

5.1 噪声预报结果

计算频率的设定，通常选择1/3倍频程或倍频程。为了保证一定的计算精度，起始频率选为31.5Hz。经过计算，得出整个船或平台的噪声结果，通过计算出来的结果，根据经验判断是否合理，是否存在个别舱室噪声值过小或过大的情况。通过计算结果，可判断出，引起房间噪声的主要频率及主要噪声的来源。图6为目标平台的声压级水平。

图6 目标平台的声压级云图

为节省篇幅，本文仅讨论目标平台生活区典型舱室的噪声值。表2为平台第四甲板生活区噪声值。

表2 平台第四甲板生活区噪声值

通过表2可以看出该部分舱室大部分房间是满足IMO Rev A.468标准要求的，但也有部分房间噪声超标，如M 015室至M 019室。由于噪声计算的结果只是基于一些较大的噪声源，没有考虑其他噪声源的影响，因此计算结果要小于实际的噪声值，因此有必要对不满足规范的舱室进行降噪处理。

5.2 噪声控制措施

首先进行噪声源识别，即分析造成舱室噪声超标的主要噪声源。经过VA ONE能量流动分析发现舱室旁边的风机噪声过大且临近舱室是造成舱室噪声超标的主要原因，见图7。

因此有必要进行总体布置调整，将空调机等噪声设备远离居住区。经过具体的分析进行如下调整，将其远离居住舱室，使原来的舱室用梯道与噪声源隔离，降低噪声，见图8。

图7 主甲板风机布置

图8 主甲板风机布置远离居住舱室

将新的布置方案在在软件VA One中模拟计算后，根据预测分析和实测比较的结果，表3所列结果表明控制措施有效降低了超标舱室内的噪声值，满足规范要求。

表3 平台第四甲板生活区修改后噪声值

6 结束语

本文利用统计能量分析方法对第七代超深水半潜式钻井平台总体噪声进行了数值分析，计算表明，该半潜式平台的总体噪声性能良好，但存在局部舱室噪声超标。本文针对超标区域优化设备布置，经过计算及海试实际测量，证明分析结果与实际情况符合，采取的噪声控制措施有效，为后续半潜式平台前期噪声控制及布置优化提供了参考。

[1]伍先俊,朱石坚.统计能量法及其在舰船降噪上的应用综述[J].武汉理工大学学报,2004,16(6):37-40.

[2]Iino K,Honda I.Total noise prediction system for a passenger cruise ship[A].Proceedings of the 5th International Symposium on Practical design of Ship and Mobile Units,PRADS’92[C].London,Elsevier Applied Science,1992,1:1648-1661.

[3]Grosveld H GD.Prediction of interior noise due to random acoustic or turbulent boundary layer excitation using statistical energy analysis[A].AIAA13th Aero acoustics Conference[C],1990.

[4]王佐民.统计能量分析的原理及应用[J].声学技术,1987,6(4):24-26.

[5]姜聪聪.基于SEA法的自升式平台生活区舱室噪声研究[D].大连理工大学,2012.

[6]邱斌.高速船全频段舱室噪声预报与控制方法的研究[D].武汉理工大学,2010.

[7]马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京:机械工业出版社,2002.

[8]吴雄祥.高速船典型节点耦合损耗因子研究[D].武汉理工大学,2013.

庆祝世界标准日暨标技委秘书处工作座谈会顺利举行

本刊讯 中船重工集团公司庆祝世界标准日暨专业标准化技术委员会秘书处工作座谈会于2015年10月22日在上海顺利举行，由中船重工标准化研究中心承办。

中船重工集团公司军工部副主任张仁茹、副处长符道、中船重工第704所副所长焦侬、中船重工标准化研究中心副主任刘震出席了本次座谈会，并发表了讲话。座谈会首先宣读了2015年世界标准日的祝词《标准是世界的通用语言》，然后刘震副主任作了关于《当前标准化改革形势任务及标准助力装备走出去思考建议》的汇报演讲。最后，中船重工各研究单位负责标准化工作的同志们在座谈会上各抒己见，介绍了各单位的项目情况，以及建议和意见，并进行了热烈的讨论，为下一步工作做了部署和计划。

Study on Global Noise of Ultra Deepwater Semi-submersible Drilling Unit

He Chang-hai
(Yantai CIMC Raffles Offshore Ltd.,Research and Design Center,Shandong Yantai 264670,China)

The main noise sources of the seventh generation ultra deepwater semi-submersible drilling unit are analyzed.The global noise is predicted by establishing the statistical energy analysis model.The acoustic pressure levels of all typical cabins on the drilling unit are gained.The solutions are put forward for the cabins whose levels exceed the standards.The sea trial result proves the feasibility of the solutions.It provides a reference for the future noise control of semi-submersible drilling unit.

ultra deepwater semi-submersible drilling unit; global noise; SEA; noise mitigation measure

TB53

A

10.14141/j.31-1981.2015.06.009

工业和信息化部“海洋工程装备设计建造标准体系顶层研究”项目，工信部联装（2012）534号。

贺昌海（1976-），男，工程师，研究方向：海洋平台总体设计工作。