自升式钻井平台海水提升潜水泵的设备选型及使用要点研究

杨 奥，邹世光，卢 方（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）



自升式钻井平台海水提升潜水泵的设备选型及使用要点研究

杨 奥，邹世光，卢 方
（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

摘 要：以大连中远船务在建的自升式钻井平台系列为例，结合市场上的主流海水提升潜水泵的技术细节，探索出一整套满足船级社相关规范要求的典型海水提升潜水泵的设备选型及使用要点。

关键词：自升式钻井平台；海水提升；潜水泵；选型使用

0 引言

作为自升式钻井平台的最基本、最重要的一个系统，海水系统设计的合理、高效、稳定直接决定了整个钻井平台工作的可靠性和稳定性。而该系统的核心设备——海水提升潜水泵的选型设计及使用更是设计的重中之重。

本文主要研究自升式钻井平台在不同操作工况下潜水泵的选型要点、计算要求、使用要点等，通过实际项目的实施检验，总结出一套自升式钻井平台项目潜水泵的设备选型、操作维护指导，为其他同类项目提供技术参考和应用实例。

1 钻井平台服务工况简介

与船用项目不同，自升式钻井平台的工作状态比较复杂，各状态下对海水需求和压力输出也不尽一致。结合自升式钻井平台的特性，共分为漂浮状态（主要存在于平台处于托航或调整位置时）、预压载状态（主要存在于平台定位后，桩靴压入海床时）、升降状态（主要存在于平台定位后平台处于起升或平台准备拖移前主船体下降时）、钻井状态（此状态主要存在于平台起升后，各设备系统均处于正常时）等四个状态进行分析，见图1。

2 海水提升潜水泵介绍

2.1功能说明

为保证稳性要求，减少海浪冲击，自升式钻井平台在正常钻井作业时，通常主船体底部距离海水表面会留有一定的抬高（气隙）。所以为了从低于主船体及海水阀箱位置的海平面下取水，用于实现平台的冷却、预压载、消防等系统功能，需要设置专用的海水提升潜水泵以实现海水的输送。

2.2配置情况

根据ABS MODU（美国船级社移动式钻井单元规范）第4章第2节25.1段的规范要求，对于冷却水或者消防系统等重要用户的供水需求，至少应提供两种水源供应，且每台泵的能力可以在另一台泵失效时，仍然可以满足提供全部海水的需求。一般来说，自升式钻井平台配置有三台海水提升潜水泵，分布在钻井平台的三条桩腿处，分别从海平面下取水，注入共用的海水环管，供给整个平台的各相关系统使用。正常钻井工况下，使用一台潜水泵，另两台备用；预压载工况下，由于海水需求量较大，一般使用两台潜水泵，第三台备用，个别项目在预压载时采用第四台舷外安装大排量潜水泵以满足预压载速率的要求。

2.3分类情况

按潜水泵的安装和提升形式大致分为桩腿安装潜水泵和绞盘安装潜水泵。

考虑排量的要求，钻井平台的海水提升潜水泵一般为离心泵形式，根据压头的大小确定离心泵的级数。

2.4维护情况

绞盘安装潜水泵通过绞盘即可实现潜水泵本体的升降，只需要对应的电力或压缩空气气源即可，相对简单。由于与数十米长的海水套管连接，桩腿安装潜水泵一般考虑用甲板吊车或绞车、手动葫芦的方式，借助工具待整个套管被整体拉出或分段拆除后，才能维护处于最底部的泵体。

2.5实际使用情况

根据平台使用工况分类，桩腿安装海水提升潜水泵在漂浮状态一般放置于桩靴上，待平台起升到合适位置时，将主甲板上的锁紧装置置于水平状态，令其与潜水泵上的托板对位固定，潜水泵与钻井平台主船体保持相对静止。在钻井平台需要移位时，在主甲板降至合适位置时将泵体放置于桩靴上，将锁紧装置置于垂直锁定状态。从海水套管到海水系统环管的取水连接，需要通过跨界软管实现。

2.6安装情况

图1　自升式钻井平台的工作状态

桩腿安装潜水泵一般安装于桩腿一侧的两条冲桩管线之间，以导轨滑动；为保证稳定固定于海水套管上，电缆需要以一定间距，以内衬不锈钢卡扣的橡胶电缆扎带连接（需特别注意海水套管的连接法兰、取水口法兰处的电缆转弯半径以及在升降过程中可能引起的电缆机械损伤），或采取在海水套管上均匀焊接扁铁的形式安装电缆，为连接方便，可以考虑在海水套管各连接法兰处开电缆通过的电缆槽。

绞盘安装潜水泵一般安装于绞盘和软管的Y型接头上，以电马达或气动马达驱动。一般按成撬设备订货，船厂仅需将设备基座安装于甲板面上，将绞盘海水出口与钻井平台上的管线连接即可。

2.7海水提升泵的材料选型

考虑到潜水泵的使用环境，泵轴常选择机械性能更优的双相不锈钢，外壳和叶轮常用更耐海水腐蚀的镍铝青铜材质。

3 海水提升潜水泵排量计算

通过对自升式钻井平台的主要使用工况（漂浮状态、预压载状态、起升状态、钻井状态等）的设备系统工作要求和所需条件等进行分析、研究，总结出如下设计经验要求。

3.1漂浮状态

此状态时，基本海水用户包括主发电机组燃油冷却器、空调冷藏的制冷单元、空压机、卫生系统，其他主要海水用户处于非工作状态。以大连中远船务的自升式钻井平台项目为例，在漂浮状态，海水需求量计算过程如下：

1）燃油冷却器：燃油冷却器的配置为2×100%，正常使用一台，备用一台，水量需求为15 m3/h；

2）冷水机组：冷水机组的配置为2×100%，正常使用一台，备用一台，水量需求为180 m3/h；

3）卫生水压力水柜：按平台上的实际人员需求为5 m3/h；

4）水冷空压机组：平台上配置有三台水冷空压机组、两台风冷、一台水冷，总冷却海水用量需求为216.3 m3/h。

3.2预压载状态

此状态时基本海水用户包括主发电机组燃油冷却器、空调冷藏的制冷单元、空压机、卫生系统，其他主要海水用户处于非工作状态。以大连中远船务的自升式钻井平台项目为例，在预压载状态，海水需求量计算过程如下：

1）燃油冷却器：燃油冷却器的配置为2×100%，正常使用一台，备用一台，水量需求为15 m3/h；

2）冷水机组：冷水机组的配置为2×100%，正常使用一台，备用一台，水量需求为180 m3/h；

3）卫生水压力水柜：按平台上的实际人员需求为5 m3/h；

4）水冷空压机组：平台上配置有三台水冷空压机组，两台风冷，一台水冷，总冷却海水用量需求：通过上式计算得出海水需求量为216.3 m3/h。

3.3升降状态

此状态下基本海水用户包括主发电机组燃油冷却器、空调冷藏的制冷单元、卫生系统，其他主要海水用户处于非工作状态。以大连中远船务的自升式钻井平台项目为例，在升降状态，海水需求量计算过程如下：

1）燃油冷却器：燃油冷却器的配置为2×100%，正常使用一台，备用一台，水量需求为15 m3/h；

2）冷水机组：冷水机组的配置为2×100%，正常使用一台，备用一台，水量需求为180 m3/h；

3）卫生水压力水柜：按平台上的实际人员需求为5 m3/h。

3.4钻井状态

此状态下基本海水用户包括主发电机组燃油冷却器、空调冷藏的制冷单元、卫生系统、造水机、泥浆泵缸套及滑油冷却系统、空压机、消防泵、变频器、DRAWWORKS刹车冷却系统，主要海水用户处于工作状态。以大连中远船务的自升式钻井平台项目为例，在钻井状态，海水需求量计算过程如下：

1）燃油冷却器：燃油冷却器的配置为2×100%，正常使用一台，备用一台，水量需求为15 m3/h；

2）冷水机组：冷水机组的配置为2×100%，正常使用一台，备用一台，水量需求为180 m3/h；

3）卫生水压力水柜：按平台上的实际人员需求为5 m3/h；

4）水冷空压机组：平台上配置有三台水冷空压机组、两台风冷、一台水冷，总冷却海水用量需求：通过上式计算得出海水需求量为216.3 m3/h；

5）造水机：两台反渗透式造水机的配置是2×100%，正常使用一台，备用一台，水量需求为8.2 m3/h；

6）高压泥浆泵：平台上配置有三台高压泥浆泵，缸套清洗水海水需求量为81.9 m3/h，滑油冷却器海水需求量为3×27.3=81.9（m3/h）。所以三台泥浆泵的总海水需求量为81.9+81.9=163.8（m3/h）；

7）绞车：绞车齿轮箱滑油冷却海水需求量为39.7 m3/h；

8）消防：按规范，需要考虑两套消防水龙带的海水需求，根据订货喷嘴参数，共需50 m3/h；

9）高压泥浆泵及钻台设备变频器（VFD）：一套高压泥浆泵和钻台设备变频器的海水冷却需求为46 m3/h。

所以，钻井工况下的海水需求总量为：15+180+5+16.3+8.2+163.8+39.7+240+46=714（m3/h）

综合各工况下的海水耗量，经综合对比分析，见表1。

表1　各工况下海水耗量需求表

通过对比各工况海水需求量分析，本项目潜水泵选择三台400 m3/h，扬程71 m的二级离心式潜水泵，满足两台正常工作，一台处于备用。

3 海水提升潜水泵压头计算

根据规格书的主甲板海水预留压力要求、平台气隙、目标海域浪高等参数，通过预估在对应排量时的管路沿程阻力和局部阻力，结合各海水冷却设备的最大许用压力要求，最终得出泵的压头需求。

至此，确定海水提升潜水泵的排量和压头选型值：400 m3/h×71 m。

表2　海水提升潜水泵压头计算表

图2　海水系统管路布置图

表3　海水系统管路沿程阻力、局部阻力计算表

表4　海水提升潜水泵实际选型的数据表及流量—压力性能曲线

图3　海水提升潜水泵实际选型的数据表及流量—压力性能曲线

4 结论

海水提升潜水泵的选型及使用决定了整个自升式钻井平台的海水系统的成败，由于海水用户和使用工况的多样性，也一直是平台设计中的难点。本文通过基于实际项目的计算分析，总结出海水提升潜水泵的设计选型及使用要点，相信对同类项目有着充分的借鉴作用。经现场实际验证，所有计算分析过程和实际使用情况均符合预期，理论与实际得到了相互印证。

参考文献：

［1］ Cameron Letourneau Super S116E Operating Manual ［Z］. 2010.

［2］ 中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册［Z］. 北京：国防工业出版社， 1996.

［3］ 中国船舶工业集团公司， 中国船舶重工集团公司， 中国造船工程学会， 编. 船舶设计实用手册 轮机分册［M］. 北京： 国防工业出版社， 2013.

中图分类号：U674.38+1

文献标志码：A

DOI：10.14141/j.31-1981.2016.03.006

作者简介：杨奥（1984—），男，在职研究生，工程师，研究方向：船舶动力系统、船舶系统等方面的详细设计。

Research of Key Points of Selection and Application of Raw Water Lift Submersible Pump on Self-Elevating Jack-up Rigs

Yang Ao， Zou Shi-guang， Lu Fang
（COSCO Dalian Shipyard Co.， Ltd.， Liaoning Dalian 116113， China）

Abstract：Taking the actual jack-up rig which are being built in COSCO （Dalian） Shipyard as an example，combining with the technical details of regular raw water lift submersible pumps on the market， the paper concludes a full set of key points of selection and application of the submersible pumps.

Key words：self-elevating jack-up rig； raw water lift； submersible pump； selection and application