，，

(中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149)

現(xiàn)有的三用工作船上物料的儲(chǔ)存輸送裝置對(duì)各種物料的兼容性有限，不同的儲(chǔ)存輸送裝置只能針對(duì)單一的物料進(jìn)行存儲(chǔ)和輸送，功能設(shè)備設(shè)置過多，占據(jù)了工作船有限的空間，也容易造成部分存儲(chǔ)輸送設(shè)備的閑置，限制了工作船的運(yùn)載利用率。依托十二五國家科技重大專項(xiàng)課題《海洋深水工程重大裝備及配套工程技術(shù)》的子課題《深水油田工程支持船及配套技術(shù)》，設(shè)計(jì)一套散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)散料和泥漿的通用運(yùn)載，使工作船所運(yùn)載的物料種類和適應(yīng)能力得到增強(qiáng)，獲得更大的裝載量、更高效和遠(yuǎn)距離的輸送能力。

1 現(xiàn)有散料輸送系統(tǒng)和泥漿輸送系統(tǒng)分析

本公司建造的UT788CD深水三用工作船，是迄今為止國內(nèi)外最頂級(jí)的深水三用工作船，以該船的散料輸送系統(tǒng)和泥漿輸送系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。

1.1 散料輸送系統(tǒng)

三用工作船散料輸送系統(tǒng)采用氣力輸送，實(shí)現(xiàn)粉狀干散料在岸上基站、三用工作船與海上鉆井平臺(tái)之間密閉的、長距離運(yùn)輸和輸送作業(yè)。

散料輸送系統(tǒng)的作業(yè)方式分為裝貨和卸貨作業(yè)，裝貨作業(yè)是由岸上基站將散料送入三用工作船上的散料儲(chǔ)存罐，卸貨作業(yè)則是由工作船將散料罐內(nèi)的干散料輸送至海上平臺(tái)上的儲(chǔ)存罐。三用工作船上的空氣壓縮機(jī)不僅為卸貨過程提供動(dòng)力風(fēng)源，還兼有助力和掃線的功能。

散料輸送系統(tǒng)主要由散料罐、流程管系、動(dòng)力風(fēng)源、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和顯示控制設(shè)備等部分組成[1]。

4只散料罐分為兩組，每組為一個(gè)獨(dú)立的輸送單元，在船舯部左、右舷各有2個(gè)散料進(jìn)料口，具備同時(shí)向兩組罐輸送散料的流程設(shè)置。在船艉部左、右舷各有兩個(gè)散料輸出口，可同時(shí)輸送2種不同的物料。考慮到管路內(nèi)散料殘量的清掃和必要時(shí)提供助力或排除堵塞故障，每組管路均設(shè)有一組掃線閥件。

干散料排放時(shí)輸送壓縮空氣進(jìn)入罐內(nèi)加壓，氣化器充入壓縮空氣使干散料形成氣、料兩相流態(tài)化，將儲(chǔ)存罐內(nèi)的干散料排放至輸送系統(tǒng)管路，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離，高速度輸送[2]。

動(dòng)力風(fēng)源為電動(dòng)螺桿空壓機(jī)和冷凍式干燥機(jī)組，工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)無人值守。

散料艙內(nèi)所有閥件均采用電控氣動(dòng)雙作用方式，整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)在駕駛室內(nèi)進(jìn)行控制，應(yīng)急情況下也可以進(jìn)行現(xiàn)場手動(dòng)操作。

各罐的工作和控制氣源壓力信息，料位信息可在集控臺(tái)上監(jiān)測。

1.2 泥漿輸送系統(tǒng)

三用工作船的泥漿輸送系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸送水基泥漿、油基泥漿、合成鉆井液等，由輸送系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)兩部分組成。

輸送系統(tǒng)在陸地泥漿站、三用工作船和海上鉆井平臺(tái)之間進(jìn)行長距離、高效傳輸。鉆井泥漿含有固體顆粒，比重大，輸送的距離遠(yuǎn)，必須使用高耐磨材質(zhì)和高固容率的輸送泵進(jìn)行輸送。鉆井泥漿儲(chǔ)存在泥漿艙中，容易產(chǎn)生沉淀分層現(xiàn)象，最有效的方法是在泥漿艙中設(shè)置機(jī)械攪拌器進(jìn)行不間斷的攪拌和使用循環(huán)泵進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)保證它的流動(dòng)性[3]。

輸送系統(tǒng)主要包括液態(tài)泥漿艙、泥漿輸送泵、泥漿攪拌機(jī)、循環(huán)泵、控制系統(tǒng)等設(shè)備；清洗子系統(tǒng)主要包括污水泵、清洗水泵、洗艙機(jī)等設(shè)備。

控制系統(tǒng)對(duì)包括液位高度、壓力顯示、溫度顯示、運(yùn)行時(shí)間、故障報(bào)警等信號(hào)進(jìn)行集中處理。

清洗系統(tǒng)是在泥漿輸送完成后，對(duì)泥漿艙和輸送管路進(jìn)行清洗和吹掃，為下一次泥漿裝載做好準(zhǔn)備。

1.3 現(xiàn)有輸送系統(tǒng)的缺陷分析

現(xiàn)有供應(yīng)船的散料輸送系統(tǒng)和泥漿輸送系統(tǒng)為各自獨(dú)立的系統(tǒng)，散料儲(chǔ)存在散料罐，泥漿儲(chǔ)存在泥漿艙內(nèi)，不同的處理系統(tǒng)只能針對(duì)單一的物料進(jìn)行儲(chǔ)存和輸送，造成部分儲(chǔ)存輸送設(shè)備的閑置，導(dǎo)致工作船的運(yùn)載利用率下降。

特別是對(duì)于深海、深遠(yuǎn)海域鉆井作業(yè)的物料供應(yīng)，若不能充分發(fā)揮工作船的運(yùn)載利用率，勢必造成船舶資源的浪費(fèi)，大大增加鉆井物料供應(yīng)的成本。

現(xiàn)有輸送系統(tǒng)有待改進(jìn)之處如下。

1)散料排放方式?jīng)Q定了散料罐是壓送設(shè)備，按承受最大工作壓力0.7MPa壓力容器制造，建造難度和成本較高。

2)散料罐的圓柱體外形不能有效地利用船艙的空間，裝載量偏低。

3)泥漿艙存在死角且有船體結(jié)構(gòu)，泥漿攪拌有局限性，容易產(chǎn)生沉淀分層現(xiàn)象，影響泥漿的物理性能。

4)泥漿艙存在死角且有船體構(gòu)件，不易自動(dòng)清洗，殘留物影響泥漿的儲(chǔ)存質(zhì)量。

2 散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)

2.1 兼容儲(chǔ)存罐

干散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的兼容儲(chǔ)存罐安裝在工程船的主甲板以下，按照船體密封罐的氣密要求建造，上部為棱柱體，下部為圓錐體結(jié)構(gòu)(見圖1)，可充分利用空間提高工程船運(yùn)載能力。

圖1 兼容儲(chǔ)存裝置在三用工作船內(nèi)安裝區(qū)域

兼容儲(chǔ)存罐裝置由罐體、進(jìn)料器、刀型閘閥、泥漿輸送泵、干散料料斗及清洗機(jī)等組成。

罐體底板上設(shè)計(jì)有干散料和泥漿各自獨(dú)立的出口，輸送一種物料時(shí)底板上的另一個(gè)出料口用盲板封閉。罐體頂部開設(shè)有人孔，由人孔蓋封閉。罐體上設(shè)有料位計(jì)，可同時(shí)適用于干散料和泥漿。加熱裝置采用6個(gè)鋼質(zhì)的盒式加熱板安裝在罐體的圓錐體外部。

進(jìn)料器安裝在兼容儲(chǔ)存罐底板中心，用于排出罐內(nèi)物料和攪拌罐內(nèi)物料，可同時(shí)適用于干散料和泥漿，進(jìn)料器上配備有一個(gè)可裝可拆的攪拌葉輪，攪拌葉輪僅用于儲(chǔ)存泥漿時(shí)的攪拌。

干散料出料口和泥漿出料口都通過各自的刀型閘閥與其輸送設(shè)備連接。

泥漿輸送泵為帶料斗的螺桿泵，輸送泵料斗側(cè)面設(shè)有側(cè)緣接口，輸送泥漿時(shí)可作為另一個(gè)進(jìn)料口。

干散料料斗上設(shè)有一個(gè)噴射泵接口法蘭和多個(gè)壓縮空氣接口，可連接噴射泵和壓縮空氣管路。

罐清洗機(jī)為可編程的雙噴嘴清洗機(jī)，由空壓機(jī)驅(qū)動(dòng)，清洗時(shí)經(jīng)人孔垂直安裝在罐內(nèi)。兼容儲(chǔ)存罐底部結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 兼容儲(chǔ)存罐底部結(jié)構(gòu)示意

2.2 兼容系統(tǒng)的干散料輸送

兼容輸送系統(tǒng)用于干散料輸送時(shí)，儲(chǔ)存罐環(huán)形底板的泥漿出料口用盲板封閉。

兼容輸送系統(tǒng)用于干散料輸出時(shí)，配備一個(gè)專用的“干散料流化排放站”。干散料流化排放站是散料輸送的主要硬件，與干散料料斗出口連接，是一套壓送裝置。排放站由流化排放罐(3個(gè)5.5 m3的罐)、羅茨真空泵(1個(gè)，真空度波動(dòng)范圍19～53 kPa)、壓縮空氣緩沖罐(1個(gè)3.5 m3的罐)、旋風(fēng)集塵器(1個(gè)，0.5 m3)等組成，見圖3。干散料流化排放站同時(shí)僅供一套兼容儲(chǔ)存罐流化排放散料使用,其設(shè)計(jì)壓力為1.2 MPa，工作壓力為0.8 MPa。

圖3 干散料排放站結(jié)構(gòu)示意

干散料輸送時(shí)進(jìn)料器上不安裝攪拌葉輪，調(diào)整進(jìn)料器液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)料器對(duì)干散料進(jìn)行攪拌和排料。干散料料斗和刀型閘閥同時(shí)開啟，使干散料注入料斗。調(diào)整閘閥開口的大小向料斗提供必要的注入量和控制輸送量。開啟料斗上的噴射泵，并向料斗輸入壓縮空氣，使料斗內(nèi)的干散料形成氣、料兩相流態(tài)化。

此時(shí)，兼容儲(chǔ)存罐內(nèi)的工作壓力是一個(gè)正壓，干散料排放站的流化排放罐則通過羅茨風(fēng)機(jī)抽真空產(chǎn)生負(fù)壓環(huán)境，在儲(chǔ)存罐和排放罐的壓力差作用下，料斗內(nèi)的干散料經(jīng)管路流化輸送至流化排放罐。然后壓縮空氣緩沖罐提供壓縮空氣，使排放罐內(nèi)的干散料在壓力作用下，被排放至輸送管路。

3個(gè)排放罐輪流填充-加壓-排放，用這種方式循環(huán)直至兼容儲(chǔ)存罐騰空，干散料排放站連通下一個(gè)兼容儲(chǔ)存罐，從而實(shí)現(xiàn)干散料由儲(chǔ)存罐向海上作業(yè)平臺(tái)的遠(yuǎn)距離、高速度的流化輸送。

現(xiàn)有的散料輸送系統(tǒng)一般通過正壓力將干散料排出儲(chǔ)存罐，儲(chǔ)存罐需要比較大的耐壓，而兼容輸送系統(tǒng)則是通過正、負(fù)壓力差將干散料送出儲(chǔ)存罐，因此兼容儲(chǔ)存罐的耐壓僅為現(xiàn)有系統(tǒng)的1/10。兼容輸送系統(tǒng)的工藝流程見圖4。散料輸送速度、管徑和空氣量計(jì)算詳見文獻(xiàn)[4]。

圖4 干散料輸送工藝流程示意

1)散料輸送速度計(jì)算。

經(jīng)調(diào)研鉆井平臺(tái)距海平面的變化高度為10～20 m，三用工作船用動(dòng)力定位方法靠泊，艉部與平臺(tái)串靠，經(jīng)估算三用工作船輸送管接口與平臺(tái)儲(chǔ)存罐管接口距離為80 m。輸送能力定為:水平距離120 m，垂直距離40 m，90°的彎管2個(gè)。參數(shù)計(jì)算如下。

根據(jù)中高壓氣力輸送速度的經(jīng)驗(yàn)公式為

(1)

式中：V——中高壓氣力輸送速度，m/s;

α——與物料粒徑有關(guān)的系數(shù)；查表1，輸送物料為粉狀，取α=12;

γ——物料顆粒的重度，干散料的輸送用密實(shí)重度γs=2.5 t/m3;

B——系數(shù)，其值為(2～5)×10-5，干燥粉狀物料取3×10-5;

L當(dāng)——輸送管道的折算長度，m ;

L當(dāng)=L平+κ1L斜+κ2L直+nR彎。

其中：n——彎管數(shù)，

κ1=1.1～1.5，κ2=1.3～2

L當(dāng)=L平+κ1L斜+κ2L豎+nR彎=200 m。

表1 物料的α值

2)散料輸送管徑計(jì)算。

設(shè)單位時(shí)間輸送的物料重量為Gs，輸送所需的空氣重量為Ga，兩者之比稱為混合比，以m表示,m=Gs/Ga。輸送的固相顆粒為粘土粉、水泥和重晶石粉，顆粒直徑為150 μm，固相質(zhì)量流量為Gs=75 t/h。采用壓送式輸送裝置輸送，按“流態(tài)化壓送”的方法，其混合比m選取范圍在40～80，現(xiàn)取m=75。

空氣重度為γa=1.205 kg/m3)，輸送所需的空氣量Q由下式可以求得。

(2)

若輸送氣流速度為v,m/s，則輸料管內(nèi)徑D由下式可以求得。

選取散料輸送管徑為125 mm。

3)散料輸送空氣量計(jì)算。

設(shè)空氣的重度為γa=1.205 kg/m3，輸送所需的空氣量Q由下式可以求得。初步估算耗氣量為

2.3 兼容系統(tǒng)的泥漿輸送

兼容輸送系統(tǒng)用于泥漿輸送時(shí)，儲(chǔ)存罐環(huán)形底板的干散料出料口用盲板封閉。

兼容儲(chǔ)存罐用作泥漿的儲(chǔ)存，類似現(xiàn)有深水三用工作船的泥漿艙，但兼容儲(chǔ)存罐裝有進(jìn)料器和攪拌葉輪，在運(yùn)輸過程中能更好地保持泥漿的物理性能。兼容輸送系統(tǒng)還具有一個(gè)單獨(dú)的洗罐系統(tǒng)。

進(jìn)料器上安裝一個(gè)泥漿攪拌葉輪，調(diào)整進(jìn)料器液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，使進(jìn)料器的轉(zhuǎn)速是干散料轉(zhuǎn)速的3倍，以保證泥漿充分?jǐn)嚢瑁苊獍l(fā)生沉淀。

泥漿輸送泵和刀型閘閥同時(shí)開啟，使泥漿注入泵料斗。閘閥開口的大小調(diào)整到可以提供必要的注入量和控制輸送量。

泥漿輸送泵料斗側(cè)面有一個(gè)接口，可作為進(jìn)料口連接到其它儲(chǔ)存罐或泥漿艙，使幾個(gè)兼容儲(chǔ)存罐(或泥漿艙)連通泥漿泵，即一臺(tái)泥漿泵可以為多個(gè)兼容罐(或泥漿艙)輸送泥漿，見圖5。

1)泥漿泵流量計(jì)算。

要求在1 h內(nèi)向平臺(tái)輸送60 m3泥漿，輸送垂直高度40 m、水平距離120 m 。

圖5 泥漿泵為多個(gè)兼容罐(或泥漿艙)輸送

泥漿粘度300 cSt;泥漿比重2.5 kg/L。

按照要求時(shí)間抽空泥漿所需流量為

Q=1.1v/t=1.1×60/1=66 m3/h(按1.1安全系數(shù)考慮),

選取泥漿泵輸送的工作流量Q=75 m3/h。

2)泥漿輸送管徑計(jì)算。

泥漿泵輸送流量為Q=75 m3/h;

泥漿輸送管路流速取v=Q/A=1.25 m/s;

泥漿泵輸送管徑D= [106×4×75/(3 600×3.14×1.2)]1/2=149 mm;

泥漿輸送管徑取150 mm。

2.4 洗罐系統(tǒng)

洗罐系統(tǒng)用于儲(chǔ)存物料后的清洗或者更換物料品種前的清洗。

清洗時(shí)，罐底的干散料出口用盲板封閉，進(jìn)料器上安裝攪拌葉輪，調(diào)整進(jìn)料器液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，使進(jìn)料器的轉(zhuǎn)速是干散料輸送時(shí)的3倍。

打開兼容儲(chǔ)存罐頂部的人孔蓋，將清洗機(jī)垂直安裝在罐內(nèi)，清洗機(jī)雙噴嘴旋轉(zhuǎn)從罐頂部至底部進(jìn)行噴霧清洗，進(jìn)料器旋轉(zhuǎn)攪拌，螺桿泵將罐內(nèi)污水排至污水艙。

如果需要高質(zhì)量的清洗，可以先用加有表面活性劑的熱水進(jìn)行清洗，再用清潔水清洗殘留的臟水和清潔劑。清洗完成后，移出清洗機(jī)并封閉人孔蓋，打開壓縮空氣閥，吹除殘留水。吹水工序結(jié)束，開啟罐體的加熱裝置，通過加熱板清除罐內(nèi)殘余水分，干燥儲(chǔ)存罐。

3 結(jié)論

1)散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)研究制定了散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了干散料和泥漿等各種液、固物料的兼容儲(chǔ)存、輸送和運(yùn)載。

2)有效地利用了船艙的空間，提高船舶裝載量，同時(shí)提高儲(chǔ)存輸送設(shè)備的利用率，避免其閑置造成船舶資源的浪費(fèi)。

3)使三用工作船所運(yùn)載的物料種類和適應(yīng)能力得到增強(qiáng)，可獲得更大的船舶利用率，更高效和遠(yuǎn)距離的輸送能力。

下一步還需對(duì)散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)進(jìn)行更加深入的研究，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)置，完成裝船試驗(yàn)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，完善系統(tǒng)設(shè)計(jì)。最終將散料和泥漿兼容輸送系統(tǒng)應(yīng)用于國內(nèi)自主開發(fā)設(shè)計(jì)的海洋工程船中，增加船舶本身的附加值，提高市場競爭力。

[1] 李詩久,周曉君.氣力輸送理論與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[2] 余洲生.氣力輸送及其應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,1989.

[3] 烏效鳴,胡郁樂,賀冰新,等.鉆井液與巖土工程漿液[M].北京:中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2002.

[4] 周乃如,朱鳳德.氣力輸送原理與設(shè)計(jì)計(jì)算[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,1981.