海洋工程裝備低噪聲設計技術及應用_第1頁
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文檔簡介

1、2024/3/24,1,海洋工程裝備低噪聲設計技術及應用,周炎 李國剛 童宗鵬中國船舶重工集團公司第七一一研究所,2,2024/3/24,內容概要,由鉆井平臺、生產平臺、浮式生產儲油船、卸油船、起重船、鋪管船、海底挖溝埋管船、海洋監(jiān)察船、潛水作業(yè)船及浮標等組成的海洋工程裝備已成為國內外船舶發(fā)展的重要領域及技術延伸。 由動力設備引起的機械噪聲是影響海洋工程裝備舒適度、電子設備可靠性、人員工作環(huán)境、海洋動物生活環(huán)境的最主要

2、噪聲源,也是海洋工程勘探類船舶水下輻射噪聲的主要噪聲源之一,國外對于海洋工程船舶的噪聲和振動制定了嚴格的指標要求,以低噪聲為特色之一的綠色海洋工程船舶是發(fā)展的必然趨勢。 報告從海洋工程裝備的發(fā)展現狀和趨勢出發(fā),以控制機械噪聲為目的,提出低噪聲海洋工程裝備設計方法。通過某型工程船舶低噪聲設計、研制和實船測試,探討和驗證了低噪聲海洋工程裝備設計方法的正確性、可靠性和規(guī)范性。該方法可以應用于深海物探船、半潛工程船、勘探船等海洋工

3、程裝備的減振降噪的設計。,3,2024/3/24,1 引言,海洋工程裝備的迅猛發(fā)展。陸域資源日益匱乏,儲量增長明顯放緩,開發(fā)成本不斷增加。而海洋擁有豐富的資源:海洋油氣資源(占世界儲量的1/3)、可燃冰(是世界天然氣探明儲量的10多倍)、大洋多金屬結核(鎳可供世界使用2萬年、鈷可使用34萬年、錳可使用18萬年、銅可使用1000年)、海底熱液礦床、海洋生物資源、海洋能源(可開發(fā)總量10億千瓦)等。海洋資源爭奪已成為當前國際競爭的焦點。振

4、動噪聲控制技術與海洋工程密切相關。由動力裝置引起的機械噪聲直接影響海洋工程船舶及裝備的舒適度、電子設備可靠性、船員工作環(huán)境;機械噪聲也是勘測類海洋工程船底水下輻射噪聲的主要噪聲源,且直接影響海洋動物的生活環(huán)境。為了保護工作人員健康和營造正常的交往和舒適的工作、休息環(huán)境,近年來,國外對海洋工程裝備舒適性要求愈來愈高,世界各船級社也制定了振動噪聲舒適性評價指標。本文總結了海洋工程裝備的發(fā)展現狀和趨勢,以及低噪聲化的需求,針對海洋工程船舶,

5、應用全船綜合減振降噪技術,開展低噪聲設計。該項技術主要從降低動力裝置噪聲源、切斷聲傳遞路徑和目標場噪聲處理三個技術途徑出發(fā),應用現代仿真技術和試驗技術,并與船舶的設計、建造、試驗的整個過程緊密結合,顯著改善船舶的低噪聲性能,與國際先進水平接軌,滿足綠色海洋工程船舶的發(fā)展需要。,4,2024/3/24,2 國內外現狀與發(fā)展趨勢,2.1 海洋工程裝備發(fā)展現狀及趨勢 海洋工程裝備指用于海洋資源勘探、開采、加工、儲運、管理及后

6、勤等方面的大型工程裝備和輔助性裝備,種類多,根據其用途主要分為:勘探、鉆井、生產、集輸等(詳見表1)。,5,2024/3/24,2 國內外現狀與發(fā)展趨勢,2.1 海洋工程裝備發(fā)展現狀及趨勢目前海洋工程裝備建造呈三大陣營:歐美等國為第一陣營,約占市場額的60%,技術實力雄厚,以高尖端海洋工程產品為主;新加坡、韓國為第二陣營,約占市場額的60%;中國為第三陣營,僅占市場額的5%,設計開發(fā)能力與國外差距較大,集中于低中端海洋工程產品

7、,高端海洋工程裝備設計建造基本空白。目前國內正在加大投入,大力推進海洋工程領域的發(fā)展,并逐漸向中高端市場邁進。,6,2024/3/24,2 國內外現狀與發(fā)展趨勢,2.1 海洋工程裝備發(fā)展現狀及趨勢海洋工程裝備與船舶產業(yè)的關系: 海洋工程裝備與船舶產業(yè)在生產設施、生產流程技術特點等方面存在高度相似性,但在環(huán)境要求(安全性和可靠性)、系統(tǒng)構成、規(guī)范標準等方面也存在較大差異,特別是由于海洋工程裝備主要服務于

8、能源石化行業(yè),系統(tǒng)要滿足鉆井、采油、集輸、環(huán)保、通訊導航、生產生活供應等需求,集成度和復雜性高于一般船舶。,7,2024/3/24,2 國內外現狀與發(fā)展趨勢,2.1 海洋工程裝備發(fā)展現狀及趨勢 近幾年海洋工程類進入建造高峰期,相應的裝置和設備都呈快速增長趨勢,全球海洋工程類市場穩(wěn)定發(fā)展。根據在建、新訂和計劃建造的采油和鉆井裝置,深水海工類是未來重點發(fā)展領域。再者,目前在役的海洋工程類近一半集中建造于上世紀80

9、年代初,服役近30年,面臨退役,因此今后幾年海洋工程類更新?lián)Q代需求十分強烈。據世界著名的一些單位預測,到2020年前世界海洋油氣開發(fā)裝備、全球能源方面投入和平臺及海洋工程船舶投資將會迅速增長。,8,2024/3/24,2 國內外現狀與發(fā)展趨勢,2.1 海洋工程裝備發(fā)展現狀及趨勢從20世紀90年代后期,我國已經進入了對礦產資源的消費加速增長時期,并長期保持較高增速。但是我國資源保障能力相對不足,一些主要礦產儲備低于世界平均水平,很多依

10、靠外國進口。海洋工程核心裝備被國外廠商壟斷,國外少數公司壟斷了海洋工程裝備的前期設計,如12纜深海物探工程船、55000噸半潛作業(yè)工程船均是國外完成方案設計(甚至技術設計)后轉入國內。我國擁有300多萬平方公里的海洋,開發(fā)海洋資源是解決我國資源不足的既定戰(zhàn)略。上世紀90年代以來,我國海洋油氣生產進入高速發(fā)展期,開采快速增長。目前我國海上油田開發(fā)主要針對近海,而深海區(qū)域有153萬平方公里,只勘探了16萬平方公里,豐富的海洋資源急待開發(fā)

11、。有關部門預測,到2020年前,我國的海洋工程平臺及工程船舶裝備投資將會在2019年的基礎上有幾十倍的提高。,9,2024/3/24,2 國內外現狀與發(fā)展趨勢,2.2 國內外海洋工程裝備的振動噪聲現狀及趨勢國際上,大部分發(fā)達國家對艙室噪聲控制較為嚴格,國外最新標準基本反映了船舶低噪聲技術的先進性,如ABS、DNV等制定的規(guī)范,特別是DNV規(guī)范對船舶振動噪聲舒適度設定了分級要求,其中1級為最高舒適度等級,3級為可以接受的舒適度等級。

12、目前國內還沒有專業(yè)的海洋工程裝備低噪聲設計標準。海洋工程船舶低噪聲設計可參考的標準為GB5979和GB/7452。對比國內外標準和規(guī)范要求,國內船舶振動噪聲指標(尤其是艙室空氣噪聲指標)遠遠落后于國外先進指標,大部分目標區(qū)域的振動噪聲指標達不到DNV的3級舒適度要求。海洋工程裝備具有世界性,因此,為提高我國海洋工程裝備的世界競爭力,我國海洋工程裝備低噪聲發(fā)展趨勢和水平需要與國際接軌。,10,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動

13、噪聲控制方法,3.1 總體思路船舶綜合振動噪聲控制的原則是:源頭控制、傳遞途徑控制、目標場控制。因此,首先需要進行全船的振動噪聲源分析、目標場分析,明確全船所有振動噪聲源,分析每一個聲源的特性、安裝位置、振動噪聲的水平。最后,明確各個目標場的振動噪聲指標。船舶綜合振動噪聲控制方法主要由船舶振動噪聲評估、動力裝置振動噪聲控制、艙室噪聲控制以及試驗驗收等方法組成,同時,需要與船舶設計、建造和試驗三個階段緊密結合。,,11,2024/3/

14、24,3 海洋工程船舶綜合振動噪聲控制方法,3.2 海洋工程船舶振動噪聲評估方法船舶振動噪聲評估包括:全船模態(tài)計算、船舶振動響應計算、船舶水下輻射噪聲計算、艙室噪聲計算、軸系振動計算,并從振動噪聲方面對船體結構設計提出改進措施,為船體結構設計和全船振動噪聲控制提供依據。計算評估結果與ABS、DNV等國外船級社一致。,,,,,全船模態(tài)計算,船舶振動響應計算,水下輻射噪聲計算,艙室噪聲計算,12,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振

15、動噪聲控制方法,3.2 海洋工程船舶振動噪聲評估方法全船模態(tài)計算、船舶振動響應計算、船舶水下輻射噪聲計算、艙室噪聲計算,目前國內外最常用的評估方法主要是基于數值計算的有限元法、邊界元法和統(tǒng)計能量法。根據國內外船級社規(guī)范要求,有限元法選用PATRAN/NASTRAN軟件,邊界元法選用SYSNOISE軟件,統(tǒng)計能量法選用VA-ONE軟件。在建立動力裝置及船體結構詳細模型的基礎上,采用數值計算方法進行機械噪聲預報和減振降噪措施性能評估具有較

16、高的準確性,通過試驗驗證。船舶振動的主要激勵來源于主機和螺旋槳。電站、空壓機、泵、側推裝置等引起船舶振動的其它激勵源也應重點考慮。,13,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動噪聲控制方法,3.2 海洋工程船舶振動噪聲評估方法軸系振動計算包括:軸系扭轉振動計算、軸系縱向振動計算、軸系回旋振動計算。其中軸系扭轉振動計算,采用自主開發(fā)的軸系振動計算軟件,方法已經過多次試驗驗證。對于額定功率大于110kW的主、輔柴油機系統(tǒng),尾機型

17、布置的渦輪機或電力推進系統(tǒng),需要進行扭振計算。對于大型低速二沖程柴油機和渦輪機推進軸系,以及船廠或設計部門無法保證軸系縱向振動特性的情況,需要進行縱向振動計算。對于具有人字架的軸系、較長跨距的軸系、萬向軸的軸系、大功率推進軸系,以及船廠或設計部門無法保證軸系回旋振動特性的情況,需要進行回旋振動計算。,14,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動噪聲控制方法,3.3 海洋工程船舶動力裝置振動噪聲控制一是總體的布置位置,在設備布

18、置時需要充分考慮振動噪聲源與目標場的距離和中間隔離物的布置,充分利用結構和物理隔斷的優(yōu)勢,減少振動和噪聲能量的傳遞;二是對振動噪聲指標較高、且在現有布置位置條件下不能滿足要求的設備,采取必要的減振降噪措施。 在隔振裝置方面,有單層、雙層或多層隔振裝置,有各式各樣的浮筏減振裝置;在噪聲控制方面,降噪手段多樣,可以采用隔聲罩和進、排氣消聲器,如柴油機進排氣消聲器,風機進氣消聲器;隨著動力裝置的模塊化發(fā)展,柴油機和電站等動力裝

19、置可采用箱裝體技術;管路進出口間加撓性接管,隔離振動噪聲傳遞。 該工作的前提條件是需要對現有位置布置的設備傳遞特性進行必要的評估,不能僅僅基于設備本身的振動噪聲指標的高低和絕對值的大小。各種設計方案必須經過詳細的計算評估。,15,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動噪聲控制方法,3.3 海洋工程船舶動力裝置振動噪聲控制對于高速主推進柴油機、電站通常采用雙層隔振方式。對振動噪聲要求更高的情況,通常采用加隔聲罩的箱裝

20、體隔振隔聲裝置方式,如圖5所示。對于中速主推進柴油機(600r/min,約50噸)、齒輪箱通常采用單層隔振方式。對柴油機、齒輪箱的船體安裝基座通常采用粘貼阻尼材料的方式。,電站雙層隔振,電站箱裝體模塊,低噪聲柴油機推進動力系統(tǒng),,,,16,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動噪聲控制方法,3.4 海洋工程船舶艙室噪聲治理艙室噪聲控制主要采用全浮式艙室降噪結構,所有噪聲控制層與艙壁之間采用隔振器連接構成彈性聲橋。艙室圍壁根據隔聲

21、要求不同采用加裝阻尼層、吸聲層、空氣層和隔聲層等措施,天花板采用輕質吸聲層和隔聲層吊頂,地板采用在鋪設甲板敷料層上再鋪設浮動地板層構成,同時對所有進行噪聲治理艙室艙門加裝隔聲門,防止壁面小縫隙造成大量聲泄漏情況的發(fā)生。對于噪聲指標要求高的艙室,以及主機艙上層甲板的艙室地板,應隔絕一次和二次激勵噪聲,具體聲學處理方法包括布置甲板敷料層,并在其上面鋪設浮動地板層。,17,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動噪聲控制方法,3.5 海洋

22、工程船舶振動噪聲測試,18,2024/3/24,4 海洋工程船舶綜合減振降噪技術應用案例,我國自行研制的新一代海洋勘探類低噪聲船舶,主要用于海洋水下聲學研究和試驗考察。由于該船需要安裝大量高精尖試驗和探測設備,對船體機械振動環(huán)境要求比較高,具體表現在要求全船的振動噪聲水平低,避免對試驗和探測設備的干擾;同時,也要求最大限度地減小船體結構噪聲輻射,減小船舶自噪聲對測量區(qū)域被探測目標的影響;另外,提高全船的舒適性,體現人性化設計,減輕動力設

23、備產生的振動噪聲對船上作業(yè)人員身體、心理、情緒的影響。,19,2024/3/24,4 海洋工程船舶綜合減振降噪技術應用案例,采用船舶綜合減振降噪技術,從總體上統(tǒng)籌兼顧,在設計、設備選型、建造、試驗檢驗等各個環(huán)節(jié)把握關鍵的振動噪聲控制點。主要措施包括:,20,2024/3/24,4 海洋工程船舶綜合減振降噪技術應用案例,實船測試結果表明,綜合減振降噪后主要艙室的噪聲及設備隔振的技術水平(如試驗室艙室噪聲達到46-56dB(A),集控室噪聲

24、為64 dB(A),輪機長房間為50 dB(A)),與國際先進水平接軌,達到了DNV三級以上舒適度的要求。,21,2024/3/24,5 總結,1)分析了海洋工程裝備的發(fā)展現狀和趨勢,針對海洋工程船舶的特點,提出的全船綜合減振降噪技術是一項通用技術,適用于低噪聲海洋工程裝備的設計、制造和試驗驗收。2)提出的海洋工程船舶的低噪聲設計方法,包括船舶振動噪聲預估、指標分配、控制方案、評估、實施和測試等一整套船舶綜合減振降噪方法,重點研究了振

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