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(guó)剛 童宗鵬中國(guó)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(tái)、生產(chǎn)平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)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(guó)內(nèi)外船舶發(fā)展的重要領(lǐng)域及技術(shù)延伸。 由動(dòng)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(dòng)物生活環(huán)境的最主要

2、噪聲源，也是海洋工程勘探類(lèi)船舶水下輻射噪聲的主要噪聲源之一，國(guó)外對(duì)于海洋工程船舶的噪聲和振動(dòng)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(shì)。 報(bào)告從海洋工程裝備的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)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(guò)某型工程船舶低噪聲設(shè)計(jì)、研制和實(shí)船測(cè)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(chǔ)量增長(zhǎng)明顯放緩，開(kāi)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(chǔ)量的1/3）、可燃冰（是世界天然氣探明儲(chǔ)量的10多倍）、大洋多金屬結(jié)核（鎳可供世界使用2萬(wàn)年、鈷可使用34萬(wàn)年、錳可使用18萬(wàn)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(kāi)發(fā)總量10億千瓦）等。海洋資源爭(zhēng)奪已成為當(dāng)前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。振

4、動(dòng)噪聲控制技術(shù)與海洋工程密切相關(guān)。由動(dòng)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(cè)類(lèi)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(dòng)物的生活環(huán)境。為了保護(hù)工作人員健康和營(yíng)造正常的交往和舒適的工作、休息環(huán)境，近年來(lái)，國(guó)外對(duì)海洋工程裝備舒適性要求愈來(lái)愈高，世界各船級(jí)社也制定了振動(dòng)噪聲舒適性評(píng)價(jià)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(shì)，以及低噪聲化的需求，針對(duì)海洋工程船舶，

5、應(yīng)用全船綜合減振降噪技術(shù)，開(kāi)展低噪聲設(shè)計(jì)。該項(xiàng)技術(shù)主要從降低動(dòng)力裝置噪聲源、切斷聲傳遞路徑和目標(biāo)場(chǎng)噪聲處理三個(gè)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(gè)過(guò)程緊密結(jié)合，顯著改善船舶的低噪聲性能，與國(guó)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì),2.1 海洋工程裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 海洋工程裝備指用于海洋資源勘探、開(kāi)采、加工、儲(chǔ)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(lèi)多，根據(jù)其用途主要分為：勘探、鉆井、生產(chǎn)、集輸?shù)龋ㄔ斠?jiàn)表1）。,5,2024/3/24,2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì),2.1 海洋工程裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)目前海洋工程裝備建造呈三大陣營(yíng)：歐美等國(guó)為第一陣營(yíng)，約占市場(chǎng)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(guó)為第二陣營(yíng)，約占市場(chǎng)額的60％；中國(guó)為第三陣營(yíng)，僅占市場(chǎng)額的5％，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力與國(guó)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(guó)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(chǎng)邁進(jìn)。,6,2024/3/24,2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì),2.1 海洋工程裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)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(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì),2.1 海洋工程裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 近幾年海洋工程類(lèi)進(jìn)入建造高峰期，相應(yīng)的裝置和設(shè)備都呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，全球海洋工程類(lèi)市場(chǎng)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(lèi)是未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。再者，目前在役的海洋工程類(lèi)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(lèi)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(cè)，到2020年前世界海洋油氣開(kāi)發(fā)裝備、全球能源方面投入和平臺(tái)及海洋工程船舶投資將會(huì)迅速增長(zhǎng)。,8,2024/3/24,2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì),2.1 海洋工程裝備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)從20世紀(jì)90年代后期，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了對(duì)礦產(chǎn)資源的消費(fèi)加速增長(zhǎng)時(shí)期，并長(zhǎng)期保持較高增速。但是我國(guó)資源保障能力相對(duì)不足，一些主要礦產(chǎn)儲(chǔ)備低于世界平均水平，很多依

10、靠外國(guó)進(jìn)口。海洋工程核心裝備被國(guó)外廠商壟斷，國(guó)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(guó)外完成方案設(shè)計(jì)（甚至技術(shù)設(shè)計(jì)）后轉(zhuǎn)入國(guó)內(nèi)。我國(guó)擁有300多萬(wàn)平方公里的海洋，開(kāi)發(fā)海洋資源是解決我國(guó)資源不足的既定戰(zhàn)略。上世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)海洋油氣生產(chǎn)進(jìn)入高速發(fā)展期，開(kāi)采快速增長(zhǎng)。目前我國(guó)海上油田開(kāi)發(fā)主要針對(duì)近海，而深海區(qū)域有153萬(wàn)平方公里，只勘探了16萬(wàn)平方公里，豐富的海洋資源急待開(kāi)發(fā)

11、。有關(guān)部門(mén)預(yù)測(cè)，到2020年前，我國(guó)的海洋工程平臺(tái)及工程船舶裝備投資將會(huì)在2019年的基礎(chǔ)上有幾十倍的提高。,9,2024/3/24,2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì),2.2 國(guó)內(nèi)外海洋工程裝備的振動(dòng)噪聲現(xiàn)狀及趨勢(shì)國(guó)際上，大部分發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)艙室噪聲控制較為嚴(yán)格，國(guó)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(duì)船舶振動(dòng)噪聲舒適度設(shè)定了分級(jí)要求，其中1級(jí)為最高舒適度等級(jí)，3級(jí)為可以接受的舒適度等級(jí)。

12、目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)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(duì)比國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，國(guó)內(nèi)船舶振動(dòng)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(guó)外先進(jìn)指標(biāo)，大部分目標(biāo)區(qū)域的振動(dòng)噪聲指標(biāo)達(dá)不到DNV的3級(jí)舒適度要求。海洋工程裝備具有世界性，因此，為提高我國(guó)海洋工程裝備的世界競(jìng)爭(zhēng)力，我國(guó)海洋工程裝備低噪聲發(fā)展趨勢(shì)和水平需要與國(guó)際接軌。,10,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動(dòng)

13、噪聲控制方法,3.1 總體思路船舶綜合振動(dòng)噪聲控制的原則是：源頭控制、傳遞途徑控制、目標(biāo)場(chǎng)控制。因此，首先需要進(jìn)行全船的振動(dòng)噪聲源分析、目標(biāo)場(chǎng)分析，明確全船所有振動(dòng)噪聲源，分析每一個(gè)聲源的特性、安裝位置、振動(dòng)噪聲的水平。最后，明確各個(gè)目標(biāo)場(chǎng)的振動(dòng)噪聲指標(biāo)。船舶綜合振動(dòng)噪聲控制方法主要由船舶振動(dòng)噪聲評(píng)估、動(dòng)力裝置振動(dòng)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(shí)，需要與船舶設(shè)計(jì)、建造和試驗(yàn)三個(gè)階段緊密結(jié)合。,,11,2024/3/

14、24,3 海洋工程船舶綜合振動(dòng)噪聲控制方法,3.2 海洋工程船舶振動(dòng)噪聲評(píng)估方法船舶振動(dòng)噪聲評(píng)估包括：全船模態(tài)計(jì)算、船舶振動(dòng)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(dòng)計(jì)算，并從振動(dòng)噪聲方面對(duì)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(dòng)噪聲控制提供依據(jù)。計(jì)算評(píng)估結(jié)果與ABS、DNV等國(guó)外船級(jí)社一致。,,,,,全船模態(tài)計(jì)算,船舶振動(dòng)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(dòng)噪聲控制方法,3.2 海洋工程船舶振動(dòng)噪聲評(píng)估方法全船模態(tài)計(jì)算、船舶振動(dòng)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(guó)內(nèi)外最常用的評(píng)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(guó)內(nèi)外船級(jí)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(dòng)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(píng)估具有較

16、高的準(zhǔn)確性，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。船舶振動(dòng)的主要激勵(lì)來(lái)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(dòng)的其它激勵(lì)源也應(yīng)重點(diǎn)考慮。,13,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動(dòng)噪聲控制方法,3.2 海洋工程船舶振動(dòng)噪聲評(píng)估方法軸系振動(dòng)計(jì)算包括：軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算、軸系縱向振動(dòng)計(jì)算、軸系回旋振動(dòng)計(jì)算。其中軸系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)計(jì)算，采用自主開(kāi)發(fā)的軸系振動(dòng)計(jì)算軟件，方法已經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)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(duì)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(mén)無(wú)法保證軸系縱向振動(dòng)特性的情況，需要進(jìn)行縱向振動(dòng)計(jì)算。對(duì)于具有人字架的軸系、較長(zhǎng)跨距的軸系、萬(wàn)向軸的軸系、大功率推進(jìn)軸系，以及船廠或設(shè)計(jì)部門(mén)無(wú)法保證軸系回旋振動(dòng)特性的情況，需要進(jìn)行回旋振動(dòng)計(jì)算。,14,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動(dòng)噪聲控制方法,3.3 海洋工程船舶動(dòng)力裝置振動(dòng)噪聲控制一是總體的布置位置，在設(shè)備布

18、置時(shí)需要充分考慮振動(dòng)噪聲源與目標(biāo)場(chǎng)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(shì)，減少振動(dòng)和噪聲能量的傳遞；二是對(duì)振動(dòng)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(dòng)力裝置的模塊化發(fā)展，柴油機(jī)和電站等動(dòng)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(dòng)噪聲傳遞。 該工作的前提條件是需要對(duì)現(xiàn)有位置布置的設(shè)備傳遞特性進(jìn)行必要的評(píng)估，不能僅僅基于設(shè)備本身的振動(dòng)噪聲指標(biāo)的高低和絕對(duì)值的大小。各種設(shè)計(jì)方案必須經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算評(píng)估。,15,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動(dòng)噪聲控制方法,3.3 海洋工程船舶動(dòng)力裝置振動(dòng)噪聲控制對(duì)于高速主推進(jìn)柴油機(jī)、電站通常采用雙層隔振方式。對(duì)振動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng)力系統(tǒng),,,,16,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動(dòng)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(dòng)地板層構(gòu)成，同時(shí)對(duì)所有進(jìn)行噪聲治理艙室艙門(mén)加裝隔聲門(mén)，防止壁面小縫隙造成大量聲泄漏情況的發(fā)生。對(duì)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(lì)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(dòng)地板層。,17,2024/3/24,3 海洋工程船舶綜合振動(dòng)噪聲控制方法,3.5 海洋

22、工程船舶振動(dòng)噪聲測(cè)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(guó)自行研制的新一代海洋勘探類(lèi)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(cè)設(shè)備，對(duì)船體機(jī)械振動(dòng)環(huán)境要求比較高，具體表現(xiàn)在要求全船的振動(dòng)噪聲水平低，避免對(duì)試驗(yàn)和探測(cè)設(shè)備的干擾；同時(shí)，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(duì)測(cè)量區(qū)域被探測(cè)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(dòng)力設(shè)

23、備產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲對(duì)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(gè)環(huán)節(jié)把握關(guān)鍵的振動(dòng)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(cè)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(zhǎng)房間為50 dB(A)），與國(guó)際先進(jìn)水平接軌，達(dá)到了DNV三級(jí)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(shì)，針對(duì)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(dòng)噪聲預(yù)估、指標(biāo)分配、控制方案、評(píng)估、實(shí)施和測(cè)試等一整套船舶綜合減振降噪方法，重點(diǎn)研究了振