04 05 2020 1 海洋工程装备低噪声设计技术及应用 周炎李国刚童宗鹏中国船舶重工集团公司第七一一研究所 2 04 05 2020 内容概要 由钻井平台 生产平台 浮式生产储油船 卸油船 起重船 铺管船 海底挖沟埋管船 海洋监察船 潜水作业船及浮标等组成的海洋工程装备已成为国内外船舶发展的重要领域及技术延伸 由动力设备引起的机械噪声是影响海洋工程装备舒适度 电子设备可靠性 人员工作环境 海洋动物生活环境的最主要噪声源 也是海洋工程勘探类船舶水下辐射噪声的主要噪声源之一 国外对于海洋工程船舶的噪声和振动制定了严格的指标要求 以低噪声为特色之一的绿色海洋工程船舶是发展的必然趋势 报告从海洋工程装备的发展现状和趋势出发 以控制机械噪声为目的 提出低噪声海洋工程装备设计方法 通过某型工程船舶低噪声设计 研制和实船测试 探讨和验证了低噪声海洋工程装备设计方法的正确性 可靠性和规范性 该方法可以应用于深海物探船 半潜工程船 勘探船等海洋工程装备的减振降噪的设计 3 04 05 2020 1引言 海洋工程装备的迅猛发展 陆域资源日益匮乏 储量增长明显放缓 开发成本不断增加 而海洋拥有丰富的资源 海洋油气资源 占世界储量的1 3 可燃冰 是世界天然气探明储量的10多倍 大洋多金属结核 镍可供世界使用2万年 钴可使用34万年 锰可使用18万年 铜可使用1000年 海底热液矿床 海洋生物资源 海洋能源 可开发总量10亿千瓦 等 海洋资源争夺已成为当前国际竞争的焦点 振动噪声控制技术与海洋工程密切相关 由动力装置引起的机械噪声直接影响海洋工程船舶及装备的舒适度 电子设备可靠性 船员工作环境 机械噪声也是勘测类海洋工程船底水下辐射噪声的主要噪声源 且直接影响海洋动物的生活环境 为了保护工作人员健康和营造正常的交往和舒适的工作 休息环境 近年来 国外对海洋工程装备舒适性要求愈来愈高 世界各船级社也制定了振动噪声舒适性评价指标 本文总结了海洋工程装备的发展现状和趋势 以及低噪声化的需求 针对海洋工程船舶 应用全船综合减振降噪技术 开展低噪声设计 该项技术主要从降低动力装置噪声源 切断声传递路径和目标场噪声处理三个技术途径出发 应用现代仿真技术和试验技术 并与船舶的设计 建造 试验的整个过程紧密结合 显著改善船舶的低噪声性能 与国际先进水平接轨 满足绿色海洋工程船舶的发展需要 4 04 05 2020 2国内外现状与发展趋势 2 1海洋工程装备发展现状及趋势海洋工程装备指用于海洋资源勘探 开采 加工 储运 管理及后勤等方面的大型工程装备和辅助性装备 种类多 根据其用途主要分为 勘探 钻井 生产 集输等 详见表1 5 04 05 2020 2国内外现状与发展趋势 2 1海洋工程装备发展现状及趋势目前海洋工程装备建造呈三大阵营 欧美等国为第一阵营 约占市场额的60 技术实力雄厚 以高尖端海洋工程产品为主 新加坡 韩国为第二阵营 约占市场额的60 中国为第三阵营 仅占市场额的5 设计开发能力与国外差距较大 集中于低中端海洋工程产品 高端海洋工程装备设计建造基本空白 目前国内正在加大投入 大力推进海洋工程领域的发展 并逐渐向中高端市场迈进 6 04 05 2020 2国内外现状与发展趋势 2 1海洋工程装备发展现状及趋势海洋工程装备与船舶产业的关系 海洋工程装备与船舶产业在生产设施 生产流程技术特点等方面存在高度相似性 但在环境要求 安全性和可靠性 系统构成 规范标准等方面也存在较大差异 特别是由于海洋工程装备主要服务于能源石化行业 系统要满足钻井 采油 集输 环保 通讯导航 生产生活供应等需求 集成度和复杂性高于一般船舶 7 04 05 2020 2国内外现状与发展趋势 2 1海洋工程装备发展现状及趋势近几年海洋工程类进入建造高峰期 相应的装置和设备都呈快速增长趋势 全球海洋工程类市场稳定发展 根据在建 新订和计划建造的采油和钻井装置 深水海工类是未来重点发展领域 再者 目前在役的海洋工程类近一半集中建造于上世纪80年代初 服役近30年 面临退役 因此今后几年海洋工程类更新换代需求十分强烈 据世界著名的一些单位预测 到2020年前世界海洋油气开发装备 全球能源方面投入和平台及海洋工程船舶投资将会迅速增长 8 04 05 2020 2国内外现状与发展趋势 2 1海洋工程装备发展现状及趋势从20世纪90年代后期 我国已经进入了对矿产资源的消费加速增长时期 并长期保持较高增速 但是我国资源保障能力相对不足 一些主要矿产储备低于世界平均水平 很多依靠外国进口 海洋工程核心装备被国外厂商垄断 国外少数公司垄断了海洋工程装备的前期设计 如12缆深海物探工程船 55000吨半潜作业工程船均是国外完成方案设计 甚至技术设计 后转入国内 我国拥有300多万平方公里的海洋 开发海洋资源是解决我国资源不足的既定战略 上世纪90年代以来 我国海洋油气生产进入高速发展期 开采快速增长 目前我国海上油田开发主要针对近海 而深海区域有153万平方公里 只勘探了16万平方公里 丰富的海洋资源急待开发 有关部门预测 到2020年前 我国的海洋工程平台及工程船舶装备投资将会在2007年的基础上有几十倍的提高 9 04 05 2020 2国内外现状与发展趋势 2 2国内外海洋工程装备的振动噪声现状及趋势国际上 大部分发达国家对舱室噪声控制较为严格 国外最新标准基本反映了船舶低噪声技术的先进性 如ABS DNV等制定的规范 特别是DNV规范对船舶振动噪声舒适度设定了分级要求 其中1级为最高舒适度等级 3级为可以接受的舒适度等级 目前国内还没有专业的海洋工程装备低噪声设计标准 海洋工程船舶低噪声设计可参考的标准为GB5979和GB 7452 对比国内外标准和规范要求 国内船舶振动噪声指标 尤其是舱室空气噪声指标 远远落后于国外先进指标 大部分目标区域的振动噪声指标达不到DNV的3级舒适度要求 海洋工程装备具有世界性 因此 为提高我国海洋工程装备的世界竞争力 我国海洋工程装备低噪声发展趋势和水平需要与国际接轨 10 04 05 2020 3海洋工程船舶综合振动噪声控制方法 3 1总体思路船舶综合振动噪声控制的原则是 源头控制 传递途径控制 目标场控制 因此 首先需要进行全船的振动噪声源分析 目标场分析 明确全船所有振动噪声源 分析每一个声源的特性 安装位置 振动噪声的水平 最后 明确各个目标场的振动噪声指标 船舶综合振动噪声控制方法主要由船舶振动噪声评估 动力装置振动噪声控制 舱室噪声控制以及试验验收等方法组成 同时 需要与船舶设计 建造和试验三个阶段紧密结合 11 04 05 2020 3海洋工程船舶综合振动噪声控制方法 3 2海洋工程船舶振动噪声评估方法船舶振动噪声评估包括 全船模态计算 船舶振动响应计算 船舶水下辐射噪声计算 舱室噪声计算 轴系振动计算 并从振动噪声方面对船体结构设计提出改进措施 为船体结构设计和全船振动噪声控制提供依据 计算评估结果与ABS DNV等国外船级社一致 全船模态计算 船舶振动响应计算 水下辐射噪声计算 舱室噪声计算 12 04 05 2020 3海洋工程船舶综合振动噪声控制方法 3 2海洋工程船舶振动噪声评估方法全船模态计算 船舶振动响应计算 船舶水下辐射噪声计算 舱室噪声计算 目前国内外最常用的评估方法主要是基于数值计算的有限元法 边界元法和统计能量法 根据国内外船级社规范要求 有限元法选用PATRAN NASTRAN软件 边界元法选用SYSNOISE软件 统计能量法选用VA ONE软件 在建立动力装置及船体结构详细模型的基础上 采用数值计算方法进行机械噪声预报和减振降噪措施性能评估具有较高的准确性 通过试验验证 船舶振动的主要激励来源于主机和螺旋桨 电站 空压机 泵 侧推装置等引起船舶振动的其它激励源也应重点考虑 13 04 05 2020 3海洋工程船舶综合振动噪声控制方法 3 2海洋工程船舶振动噪声评估方法轴系振动计算包括 轴系扭转振动计算 轴系纵向振动计算 轴系回旋振动计算 其中轴系扭转振动计算 采用自主开发的轴系振动计算软件 方法已经过多次试验验证 对于额定功率大于110kW的主 辅柴油机系统 尾机型布置的涡轮机或电力推进系统 需要进行扭振计算 对于大型低速二冲程柴油机和涡轮机推进轴系 以及船厂或设计部门无法保证轴系纵向振动特性的情况 需要进行纵向振动计算 对于具有人字架的轴系 较长跨距的轴系 万向轴的轴系 大功率推进轴系 以及船厂或设计部门无法保证轴系回旋振动特性的情况 需要进行回旋振动计算 14 04 05 2020 3海洋工程船舶综合振动噪声控制方法 3 3海洋工程船舶动力装置振动噪声控制一是总体的布置位置 在设备布置时需要充分考虑振动噪声源与目标场的距离和中间隔离物的布置 充分利用结构和物理隔断的优势 减少振动和噪声能量的传递 二是对振动噪声指标较高 且在现有布置位置条件下不能满足要求的设备 采取必要的减振降噪措施 在隔振装置方面 有单层 双层或多层隔振装置 有各式各样的浮筏减振装置 在噪声控制方面 降噪手段多样 可以采用隔声罩和进 排气消声器 如柴油机进排气消声器 风机进气消声器 随着动力装置的模块化发展 柴油机和电站等动力装置可采用箱装体技术 管路进出口间加挠性接管 隔离振动噪声传递 该工作的前提条件是需要对现有位置布置的设备传递特性进行必要的评估 不能仅仅基于设备本身的振动噪声指标的高低和绝对值的大小 各种设计方案必须经过详细的计算评估 15 04 05 2020 3海洋工程船舶综合振动噪声控制方法 3 3海洋工程船舶动力装置振动噪声控制对于高速主推进柴油机 电站通常采用双层隔振方式 对振动噪声要求更高的情况 通常采用加隔声罩的箱装体隔振隔声装置方式 如图5所示 对于中速主推进柴油机 600r min 约50吨 齿轮箱通常采用单层隔振方式 对柴油机 齿轮箱的船体安装基座通常采用粘贴阻尼材料的方式 电站双层隔振 电站箱装体模块 低噪声柴油机推进动力系统 16 04 05 2020 3海洋工程船舶综合振动噪声控制方法 3 4海洋工程船舶舱室噪声治理舱室噪声控制主要采用全浮式舱室降噪结构 所有噪声控制层与舱壁之间采用隔振器连接构成弹性声桥 舱室围壁根据隔声要求不同采用加装阻尼层 吸声层 空气层和隔声层等措施 天花板采用轻质吸声层和隔声层吊顶 地板采用在铺设甲板敷料层上再铺设浮动地板层构成 同时对所有进行噪声治理舱室舱门加装隔声门 防止壁面小缝隙造成大量声泄漏情况的发生 对于噪声指标要求高的舱室 以及主机舱上层甲板的舱室地板 应隔绝一次和二次激励噪声 具体声学处理方法包括布置甲板敷料层 并在其上面铺设浮动地板层 17 04 05 2020 3海洋工程船舶综合振动噪声控制方法 3 5海洋工程船舶振动噪声测试 18 04 05 2020 4海洋工程船舶综合减振降噪技术应用案例 我国自行研制的新一代海洋勘探类低噪声船舶 主要用于海洋水下声学研究和试验考察 由于该船需要安装大量高精尖试验和探测设备 对船体机械振动环境要求比较高 具体表现在要求全船的振动噪声水平低 避免对试验和探测设备的干扰 同时 也要求最大限度地减小船体结构噪声辐射 减小船舶自噪声对测量区域被探测目标的影响 另外 提高全船的舒适性 体现人性化设计 减轻动力设备产生的振动噪声对船上作业人员身体 心理 情绪的影响 19 04 05 2020 4海洋工程船舶综合减振降噪技术应用案例 采用船舶综合减振降噪技术 从总体上统筹兼顾 在设计 设备选型 建造 试验检验等各个环节把握关键的振动噪声控制点 主要措施包括 20 04 05 2020 4海洋工程船舶综合减振降噪技术应用案例 实船测试结果表明 综合减振降噪后主要舱室的噪声及设备隔振的技术水平 如试验室舱室噪声达到46 56dB A 集控室噪声为64dB A 轮机长房间为50dB A 与国际先进水平接轨 达到了DNV三级以上舒适度的要求 21 04 05 2020 5总结 1 分析了海洋工程装备的发展现状和趋势 针对海洋工程船舶的