海洋工程裝備低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用

1、2024/3/24,1,海洋工程裝備低噪聲設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用,周炎 李國剛 童宗鵬中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所,2,2024/3/24,內(nèi)容概要,由鉆井平臺、生產(chǎn)平臺、浮式生產(chǎn)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(biāo)等組成的海洋工程裝備已成為國內(nèi)外船舶發(fā)展的重要領(lǐng)域及技術(shù)延伸。 由動力設(shè)備引起的機(jī)械噪聲是影響海洋工程裝備舒適度、電子設(shè)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(yán)格的指標(biāo)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(bào)告從海洋工程裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢出發(fā)，以控制機(jī)械噪聲為目的，提出低噪聲海洋工程裝備設(shè)計(jì)方法。通過某型工程船舶低噪聲設(shè)計(jì)、研制和實(shí)船測試，探討和驗(yàn)證了低噪聲海洋工程裝備設(shè)計(jì)方法的正確性、可靠性和規(guī)范性。該方法可以應(yīng)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(shè)計(jì)。,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(jié)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(dāng)前國際競爭的焦點(diǎn)。振

4、動噪聲控制技術(shù)與海洋工程密切相關(guān)。由動力裝置引起的機(jī)械噪聲直接影響海洋工程船舶及裝備的舒適度、電子設(shè)備可靠性、船員工作環(huán)境；機(jī)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(hù)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(biāo)。本文總結(jié)了海洋工程裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，以及低噪聲化的需求，針對海洋工程船舶，

5、應(yīng)用全船綜合減振降噪技術(shù)，開展低噪聲設(shè)計(jì)。該項(xiàng)技術(shù)主要從降低動力裝置噪聲源、切斷聲傳遞路徑和目標(biāo)場噪聲處理三個技術(shù)途徑出發(fā)，應(yīng)用現(xiàn)代仿真技術(shù)和試驗(yàn)技術(shù)，并與船舶的設(shè)計(jì)、建造、試驗(yàn)的整個過程緊密結(jié)合，顯著改善船舶的低噪聲性能，與國際先進(jìn)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(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,2.1 海洋工程裝備發(fā)展現(xiàn)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(yùn)、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(jù)其用途主要分為：勘探、鉆井、生產(chǎn)、集輸?shù)龋ㄔ斠姳?）。,5,2024/3/24,2 國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,2.1 海洋工程裝備發(fā)展現(xiàn)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(shù)實(shí)力雄厚，以高尖端海洋工程產(chǎn)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(shè)計(jì)開發(fā)能力與國外差距較大，集中于低中端海洋工程產(chǎn)品

7、，高端海洋工程裝備設(shè)計(jì)建造基本空白。目前國內(nèi)正在加大投入，大力推進(jìn)海洋工程領(lǐng)域的發(fā)展，并逐漸向中高端市場邁進(jìn)。,6,2024/3/24,2 國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,2.1 海洋工程裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢海洋工程裝備與船舶產(chǎn)業(yè)的關(guān)系： 海洋工程裝備與船舶產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)設(shè)施、生產(chǎn)流程技術(shù)特點(diǎn)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(gòu)成、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)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(wù)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(dǎo)航、生產(chǎn)生活供應(yīng)等需求，集成度和復(fù)雜性高于一般船舶。,7,2024/3/24,2 國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,2.1 海洋工程裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 近幾年海洋工程類進(jìn)入建造高峰期，相應(yīng)的裝置和設(shè)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(jù)在建、新訂和計(jì)劃建造的采油和鉆井裝置，深水海工類是未來重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。再者，目前在役的海洋工程類近一半集中建造于上世紀(jì)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(qiáng)烈。據(jù)世界著名的一些單位預(yù)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(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,2.1 海洋工程裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢從20世紀(jì)90年代后期，我國已經(jīng)進(jìn)入了對礦產(chǎn)資源的消費(fèi)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(chǎn)儲備低于世界平均水平，很多依

10、靠外國進(jìn)口。海洋工程核心裝備被國外廠商壟斷，國外少數(shù)公司壟斷了海洋工程裝備的前期設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)（甚至技術(shù)設(shè)計(jì)）后轉(zhuǎn)入國內(nèi)。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(jì)90年代以來，我國海洋油氣生產(chǎn)進(jìn)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(guān)部門預(yù)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(chǔ)上有幾十倍的提高。,9,2024/3/24,2 國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢,2.2 國內(nèi)外海洋工程裝備的振動噪聲現(xiàn)狀及趨勢國際上，大部分發(fā)達(dá)國家對艙室噪聲控制較為嚴(yán)格，國外最新標(biāo)準(zhǔn)基本反映了船舶低噪聲技術(shù)的先進(jìn)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(shè)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(nèi)還沒有專業(yè)的海洋工程裝備低噪聲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。海洋工程船舶低噪聲設(shè)計(jì)可參考的標(biāo)準(zhǔn)為GB5979和GB/7452。對比國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，國內(nèi)船舶振動噪聲指標(biāo)（尤其是艙室空氣噪聲指標(biāo)）遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外先進(jìn)指標(biāo)，大部分目標(biāo)區(qū)域的振動噪聲指標(biāo)達(dá)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(biāo)場控制。因此，首先需要進(jìn)行全船的振動噪聲源分析、目標(biāo)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(biāo)場的振動噪聲指標(biāo)。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(yàn)驗(yàn)收等方法組成，同時，需要與船舶設(shè)計(jì)、建造和試驗(yàn)三個階段緊密結(jié)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(jì)算、船舶振動響應(yīng)計(jì)算、船舶水下輻射噪聲計(jì)算、艙室噪聲計(jì)算、軸系振動計(jì)算，并從振動噪聲方面對船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出改進(jìn)措施，為船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和全船振動噪聲控制提供依據(jù)。計(jì)算評估結(jié)果與ABS、DNV等國外船級社一致。,,,,,全船模態(tài)計(jì)算,船舶振動響應(yīng)計(jì)算,水下輻射噪聲計(jì)算,艙室噪聲計(jì)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(jì)算、船舶振動響應(yīng)計(jì)算、船舶水下輻射噪聲計(jì)算、艙室噪聲計(jì)算，目前國內(nèi)外最常用的評估方法主要是基于數(shù)值計(jì)算的有限元法、邊界元法和統(tǒng)計(jì)能量法。根據(jù)國內(nèi)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(jì)能量法選用VA-ONE軟件。在建立動力裝置及船體結(jié)構(gòu)詳細(xì)模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行機(jī)械噪聲預(yù)報(bào)和減振降噪措施性能評估具有較

16、高的準(zhǔn)確性，通過試驗(yàn)驗(yàn)證。船舶振動的主要激勵來源于主機(jī)和螺旋槳。電站、空壓機(jī)、泵、側(cè)推裝置等引起船舶振動的其它激勵源也應(yīng)重點(diǎn)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(jì)算包括：軸系扭轉(zhuǎn)振動計(jì)算、軸系縱向振動計(jì)算、軸系回旋振動計(jì)算。其中軸系扭轉(zhuǎn)振動計(jì)算，采用自主開發(fā)的軸系振動計(jì)算軟件，方法已經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證。對于額定功率大于110kW的主、輔柴油機(jī)系統(tǒng)，尾機(jī)型

17、布置的渦輪機(jī)或電力推進(jìn)系統(tǒng)，需要進(jìn)行扭振計(jì)算。對于大型低速二沖程柴油機(jī)和渦輪機(jī)推進(jìn)軸系，以及船廠或設(shè)計(jì)部門無法保證軸系縱向振動特性的情況，需要進(jìn)行縱向振動計(jì)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(jìn)軸系，以及船廠或設(shè)計(jì)部門無法保證軸系回旋振動特性的情況，需要進(jìn)行回旋振動計(jì)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(shè)備布

18、置時需要充分考慮振動噪聲源與目標(biāo)場的距離和中間隔離物的布置，充分利用結(jié)構(gòu)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(biāo)較高、且在現(xiàn)有布置位置條件下不能滿足要求的設(shè)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(jìn)、排氣消聲器，如柴油機(jī)進(jìn)排氣消聲器，風(fēng)機(jī)進(jìn)氣消聲器；隨著動力裝置的模塊化發(fā)展，柴油機(jī)和電站等動力裝

19、置可采用箱裝體技術(shù)；管路進(jìn)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(xiàn)有位置布置的設(shè)備傳遞特性進(jìn)行必要的評估，不能僅僅基于設(shè)備本身的振動噪聲指標(biāo)的高低和絕對值的大小。各種設(shè)計(jì)方案必須經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)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(jìn)柴油機(jī)、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(jìn)柴油機(jī)（600r/min，約50噸）、齒輪箱通常采用單層隔振方式。對柴油機(jī)、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(jī)推進(jìn)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(jié)構(gòu)，所有噪聲控制層與艙壁之間采用隔振器連接構(gòu)成彈性聲橋。艙室圍壁根據(jù)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(zhì)吸聲層和隔聲層吊頂，地板采用在鋪設(shè)甲板敷料層上再鋪設(shè)浮動地板層構(gòu)成，同時對所有進(jìn)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(biāo)要求高的艙室，以及主機(jī)艙上層甲板的艙室地板，應(yīng)隔絕一次和二次激勵噪聲，具體聲學(xué)處理方法包括布置甲板敷料層，并在其上面鋪設(shè)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(shù)應(yīng)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(xué)研究和試驗(yàn)考察。由于該船需要安裝大量高精尖試驗(yàn)和探測設(shè)備，對船體機(jī)械振動環(huán)境要求比較高，具體表現(xiàn)在要求全船的振動噪聲水平低，避免對試驗(yàn)和探測設(shè)備的干擾；同時，也要求最大限度地減小船體結(jié)構(gòu)噪聲輻射，減小船舶自噪聲對測量區(qū)域被探測目標(biāo)的影響；另外，提高全船的舒適性，體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，減輕動力設(shè)

23、備產(chǎn)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(shù)應(yīng)用案例,采用船舶綜合減振降噪技術(shù)，從總體上統(tǒng)籌兼顧，在設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、建造、試驗(yàn)檢驗(yàn)等各個環(huán)節(jié)把握關(guān)鍵的振動噪聲控制點(diǎn)。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(shù)應(yīng)用案例,實(shí)船測試結(jié)果表明，綜合減振降噪后主要艙室的噪聲及設(shè)備隔振的技術(shù)水平（如試驗(yàn)室艙室噪聲達(dá)到46-56dB(A)，集控室噪聲

24、為64 dB(A)，輪機(jī)長房間為50 dB(A)），與國際先進(jìn)水平接軌，達(dá)到了DNV三級以上舒適度的要求。,21,2024/3/24,5 總結(jié),1）分析了海洋工程裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，針對海洋工程船舶的特點(diǎn)，提出的全船綜合減振降噪技術(shù)是一項(xiàng)通用技術(shù)，適用于低噪聲海洋工程裝備的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)驗(yàn)收。2）提出的海洋工程船舶的低噪聲設(shè)計(jì)方法，包括船舶振動噪聲預(yù)估、指標(biāo)分配、控制方案、評估、實(shí)施和測試等一整套船舶綜合減振降噪方法，重點(diǎn)研究了振