半潜式起重拆解平台联合排载策略

潘 钊， 商 蕾， 高海波*， 陈伶翔

(1. 武汉理工大学 能源与动力工程学院， 湖北 武汉 430063；2. 招商局重工(江苏)有限公司， 南通 江苏 226116)

0 引 言

大型半潜式起重拆解平台具有起重、居住和运输等多种功能，大多用于海上废弃平台的拆除[1-2]。平台所处的作业环境复杂、工况变化多样，因此对平台的稳性和安全性提出了较高的要求[3]。平台需要在规定的作业时间内完成数千吨重物的起吊任务，为了使平台具备快速排载能力，采用压缩空气快速排载系统[4-5]。然而该系统会产生排载速度过快的问题，严重时可能会使平台倾覆，影响平台的安全性。传统的水泵排载技术是目前较成熟的技术，能满足平台稳性和安全性的要求，但排载速度缓慢。因此，研究水泵与空压机联合排载策略，兼顾平台的稳性、安全性与快速性，在保证安全的前提下，尽可能缩短排载所需时间。

1 空压机排载方式

1.1 快速排载系统工作原理

Serooskerke号半潜式起重拆解平台结构如图1所示，此平台具有非对称式结构。主浮筒、辅浮筒和浮筒上方的立柱支撑整个平台[6-7]。快速排载舱设置在浮筒上方的立柱内，在主浮筒侧的甲板上放置2台2 200 t桅杆式起重机。

图1 半潜式起重拆解平台立体结构图

快速排载系统由普通压载舱、浮筒应急压载舱和立柱压载舱(Column Side Ballast Tank，CSBT)等3部分构成，在各压载舱内都设置独立的进/排水管道。图2为CSBT：在CSBT上方设置2个通气阀和4个压缩空气阀，阀门的开启和关闭由船舶管理系统(Vessel management System，VMS)控制；压缩空气环形总管与CSBT相连，CSBT底部设置2个与舷外相通的海水阀。在起重机起吊重物时，启用CSBT进行压缩空气快速排载，系统配备4台空压机，压缩空气经过环形总管被送入CSBT，在舱室内的水面以上形成高压空气垫，从而将海水快速排出，当压力升高，达到非起重侧立柱压载舱底部的海水阀开启条件时，VMS控制该海水阀开启[8]，非起重侧立柱压载舱在重力的作用下进行压载操作，与倾覆力矩进行平衡，维持平台的安全浮态[9]。

图2 CSBT结构图

1.2 空压机排气量方程

在实际工作过程中，考虑到容积效率、空气泄漏等因素，空压机的体积流量Qa计算式为

Qa=Vinsηv

(1)

式中：Vi为空压机每转动一次的吸气量，m3/min；ns为转速，r/min；ηv为容积效率。在工程应用中，ηv通常使用经验公式[10]进行计算：

(2)

式中：po和pi分别为空压机排气压力和进气压力。

1.3 CSBT仿真原理

CSBT是一个包含空气和水的双重介质舱室，在CSBT内，空气压力与排载速度会相互影响，排载会使舱内的空气体积发生变化，从而影响空气压力，空气压力又能影响排载速度。

通常采用以下公式分析气体状态：

(3)

式中：p为CSBT内空气压力，Pa；V为CSBT内空气体积，m3；n为气体的物质的量，mol；R为摩尔气体常数，取8.314 J/(K·mol)；T为CSBT内温度，K；m为CSBT内压缩空气质量，kg；M为空气摩尔质量，取0.029 kg/mol。

由伯努利方程可计算海水管道的液体流速[11-12]：

(4)

(5)

式中：Δp为CSBT舱内外压强差值；ρs为海水密度，取1 025 kg/m3；h为CSBT内部海水高度，m；pw为平台所处环境的大气压力，取101 300 Pa；ho为CSBT舱底至外部海平面的高度，m；v为海水通过海水阀时的流速，kg/s；K为阻力系数，取4.20[13]。

1.4 快速排载系统排载仿真结果

选取双机起吊0～4 200 t起重工况进行仿真试验，位于辅浮筒侧的2个CSBT通过重力进行压载，主浮筒侧的2个CSBT使用压缩空气进行排载，维持平台稳性。平台配备4台工频空压机对压缩空气环形总管进行供气，2台空压机处于运行状态，2台备用。在整个起重工况过程中，投入运行的空压机将保持在装载或卸载状态。仿真过程在SimuWorks软件上的实时状态如图3所示：“KQXT_CSBTMP2_LEVEL”表示2号主浮筒的液位随时间的变化；“KQXT_CSBTMP2_PAC”表示2号主浮筒舱内的空气侧压力随时间的变化；“KQXT_CSBTMP2_WWL”表示2号主浮筒海水出口流量随时间的变化；“KQXT_CSBTMP1_LEVEL”表示1号主浮筒的液位随时间的变化。

图3 快速排载系统仿真结果

2号主浮筒初始液位为8.7 m，1号主浮筒初始液位为3.2 m，在双机起吊0～4 200 t起重工况下，2号主浮筒侧压缩空气环形总管进气，逐渐增大CSBT内的空气压力，当CSBT中的空气压力与液体侧压力之和达到截止阀的开启条件时，VMS控制2号主浮筒侧的海水阀开启，在第1.2 min时开始进行排载工作，出口流量迅速上升。当2号主浮筒的液位由8.7 m降至5.9 m时，VMS关闭2号主浮筒侧海水阀，停止排载，出口流量下降为0。在第9.5 min时，VMS控制1号主浮筒侧海水阀开启，1号主浮筒开始排载，当1号主浮筒液位由3.2 m下降至3.1 m时，1号主浮筒排载结束，海水阀关闭。当1号主浮筒排载结束时，2号主浮筒侧压缩空气环形总管进气，逐渐增大CSBT内的空气侧压力，VMS控制2号主浮筒侧海水阀开启，进行2号主浮筒的第二阶段排载，出口流量迅速上升，当2号主浮筒液位由5.9 m降至3.1 m时，排载过程结束，出口流量下降为0。整个排载过程结束，仿真过程耗时13.5 min。

快速排载系统排载效率高，完成起重工况的排载任务仅耗时13.5 min，但快速排载系统存在较大的安全性问题。当排载速度过快时，舱室内高压空气的体积迅速扩大，从而导致一部分原本位于自由液面上方的高压空气进入液面以下，在水中形成气体层。在排载时本应该被排出的海水被高压空气代替，而辅浮筒侧的CSBT依然保持重力式注水压载状态，这种情况会影响平台倾覆力矩的平衡，造成平台倾角超出安全范围，影响平台的正常工作。

2 水泵排载方式

2.1 水泵排载系统

在主浮筒侧的2个CSBT侧(MP1号/2号)布置水泵，对CSBT内的海水进行排载，辅浮筒侧的2个CSBT(OP1号/2号)通过重力进行压载，以维持平台的稳性。图4为SimuWorks软件中建立的水泵排载系统模型。

图4 水泵排载系统仿真模型

2.2 水泵排载仿真结果分析

选取双机起吊0～4 200 t起重工况进行仿真试验，辅浮筒侧的2个CSBT(OP1号/2号)通过重力进行压载，主浮筒侧的2个CSBT(MP1号/2号)使用水泵进行排载，以维持平台稳性。起重工况仿真过程在SimuWorks软件上的实时状态如图5所示：“PUMP_MP2_LEVEL”表示2号主浮筒液位随时间的变化；“PUMP_MP1_LEVEL”表示1号主浮筒液位随时间的变化。

图5 水泵排载作业各CSBT液位

在双机起吊0～4 200 t起重工况下，1号与2号主浮筒侧的水泵同时开始工作，对CSBT进行排载。当1号与2号主浮筒舱室内的液位由8.7 m降至3.1 m时，起重工况完成。仿真过程耗时345 min。

在水泵排载过程中，CSBT内的水位下降平稳，无倾覆力矩失控的安全隐患，有利于提高平台的稳性与安全性；但水泵排载耗时345 min，效率低，难以根据起重情况进行实时调整。

3 空压机-水泵联合排载方式

空压机快速排载系统效率高，但舱内的高压空气可能进入液面以下，在海水中形成气体层，在排载过程中易破坏平台的平衡，威胁平台的稳性与安全性。水泵排载系统排载流量稳定、安全性高，但存在排载效率低的问题。为充分发挥两者的优势，提出空压机-水泵联合排载策略，由空压机快速排载系统承担前20%的海水排载量，水泵排载承担后80%的海水排载量。

选取双机起吊0～4 200 t起重工况进行仿真试验，主浮筒侧的2个CSBT(MP1号/2号)使用空压机与水泵进行联合排载，辅浮筒侧的2个CSBT(OP1号/2号)通过重力进行压载，以维持平台稳性。仿真过程在SimuWorks软件上的实时状态如图6与图7所示：“KQXT_CSBTMP2_LEVEL”表示空压机快速排载阶段2号主浮筒的液位随时间的变化；“KQXT_CSBTMP2_PAC”表示空压机快速排载阶段2号主浮筒舱内空气侧压力随时间的变化；“KQXT_CSBTMP2_WWL”表示空压机快速排载阶段2号主浮筒海水出口流量随时间的变化；“PUMP_MP1P_LEVEL”表示水泵排载阶段1号主浮筒左舷的液位随时间的变化；“PUMP_MP1S_LEVEL”表示水泵排载阶段1号主浮筒右舷的液位随时间的变化；“PUMP_MP2P_LEVEL”表示水泵排载阶段2号主浮筒左舷的液位随时间的变化；“PUMP_MP2S_LEVEL”表示水泵排载阶段2号主浮筒右舷的液位随时间的变化。

图6 联合排载工况(空压机)仿真实时状态图

图7 联合排载工况(水泵)仿真实时状态图

在双机起吊0～4 200 t起重工况下，2号主浮筒侧压缩空气环形总管进气，逐渐增大CSBT内的空气压力，当CSBT内的空气压力与液体侧压力之和达到截止阀的开启条件时，VMS控制2号主浮筒侧的海水阀打开，进行排载工作，出口流量迅速上升。当2号主浮筒的液位由8.7 m降至7.8 m时，空压机快速排载阶段完成，仿真过程耗时4 min。

在双机起吊0～4 200 t起重工况下，1号与2号主浮筒侧的水泵同时开始工作，对CSBT进行排载。当1号与2号主浮筒舱室内的液位由7.8 m降至3.1 m时，水泵排载所承担的排载量完成。仿真过程耗时274 min。

在空压机快速排载系统中2号主浮筒海水出口流量变化曲线波动较大，在空压机-水泵联合排载系统中2号主浮筒海水出口流量变化趋势平缓，弥补了快速排载系统稳性与安全性不足的问题；联合排载共耗时278 min，与水泵排载所用时长(345 min)相比，减少67 min，在满足平台稳性与安全性的前提下，显著缩短排载所需要的时间。

4 结 论

建立数学模型和SimuWorks仿真模型，以典型工况为例，在仿真软件中分别对3种排载方式进行试验，对比分析空压机快速排载系统排载、水泵排载与空压机-水泵联合排载3种排载方式下CSBT的空气侧压力、液位和流量的实时状态变化情况与排载耗时，结果表明所提出的空压机-水泵联合排载方式能弥补空压机快速排载系统带来的平台稳性与安全性不足的问题，显著减少水泵排载所需时间，兼顾平台稳性、安全性与快速性的要求。