海洋钻井散料系统设计分析

孙景阳，余 娅，王天龙

（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

海洋钻井散料系统设计分析

孙景阳，余 娅，王天龙

（大连中远船务工程有限公司，辽宁大连 116113）

海洋钻井散料系统属于气力输送，是海工钻井系统的重要组成部分，同时也是衡量泥浆处理能力和评价平台钻井能力的重要指标。文章结合大连中远船务建造的S116E系列自升式钻井平台，对散料储存罐的设计及布置、管路系统设计、控制系统设计等设计要点和难点进行了系统分析。

海洋工程；散料系统；设计分析

0 引言

海洋钻井散料系统是海洋钻井作业所需的各种散装物料的储存和输送系统，是海上钻井系统的一部分。它接收海洋供给船（AHTS、PSV等）提供的粉状物料（重晶石、斑脱土、水泥等），并将其按需要为泥浆混合提供所需原料。散料系统的输送能力应匹配平台泥浆系统的设计能力，是评价平台钻井能力的重要指标之一。

海洋钻井散料系统属于气力输灰系统，本文主要基于最常见的P-tank系统，并结合大连中远船务建造的S116E系列自升式钻井平台对海洋散料系统的设计问题进行探讨。

表1 气力输灰系统在海洋平台上的应用[1]

海洋钻井散料系统的设计源于陆地钻机的散料系统处理方法，同时又需要考虑海洋钻井的特殊性，即考虑海洋环境下的风、浪、盐度、温度、湿度等。

1 海洋钻井散料系统介绍

1.1 海洋钻井散料系统组成

散料系统用于接收、储存和输送散料，到泥浆和固井系统。通常设计为散装泥浆输送系统和散装水泥输送系统两个子系统。

该系统常包含以下主要部件[2]：散料储存罐、缓冲罐、粉尘收集器、压缩机及干燥器、装载站、散料输送及配给系统、各种仪表。

1.2 系统功能及流程概述

海洋钻井散料需满足以下最基本的功能：

1）通过装载站实现平台散料的供给与对外输送；

2）实现散料在各散料罐间的驳运；

3）输送散料至使用终端；

4）可以对散料进行定量输送和调节输送速率；

散料储存罐通过如下方式完成散料输送：

1）关闭供料压力罐的透气阀和排料阀，打开供料压力罐的进气阀，罐内压力上升，同时将散料流化；

2）打开旋风除尘器和粉尘收集罐之间的阀门，准备好粉尘收集；

3）打开收料压力罐的透气阀和进料阀，并关闭出料阀，然后打开输料管线上的阀门；

4）当供料压力罐达到额定工作压力，打开输料管线上的助吹阀（30%）和供料压力罐的排料阀，开始散料输送；

5）散料输送完成后，关闭供料压力罐的排料阀和进气阀，将输料管线上的助吹阀开至 100%，吹除管线中剩余散料。

2 设计基本要求

设计基本要求见表2。

表2 设计基本要求

3 系统设计关键

3.1 散料储存罐的设计及布置

在散料系统中，散料储存罐是整个系统最主要也是最关键的设备，合理的设计和布置散料储存罐将有助于整个系统的良好运转。

散料储存罐的容积与尺寸是根据钻井平台总的存储量、罐体数量以及布置位置设计的。其布置位置可分为露天布置和甲板下封闭区域：露天区域的散料储存罐的尺寸需考虑风载及拖航时瞬时加速度对罐体稳性的影响；如安装在甲板下封闭区域，需考虑散料房间的面积及层高。所有的散料储存罐通常都沿平台对称布置，以保证平台整体稳性。

散料储存罐属于压力容器，应配有本地和远程压力指示，同时设计安全阀或爆破片装置：爆破片装置一般只在露天区域使用，如果散料储存罐布置在封闭区域，则必须使用安全阀，并通过管子排放到露天区域。封闭区域应有足够的通风，避免供气系统的泄露或管路破损造成的压力过大。在建的S116E项目要求满足ASME VIII DIV I 2013。因项目入级ABS，散料储存罐在ABS MODU（美国船级社移动式钻井单元规范）中需要取得对应的证书。

所有散料罐都应配有重量或体积测量装置和高位报警。对于重量测量的实现，最常见的是使用 3个或4个称重传感器，最终重量取几个称重传感器的平均值，以减少测量误差。此外，应配有手动测量装置。

根据实际操作经验，罐体在每次使用后都会在罐底及罐壁残留部分散料，如果处理不当，在潮湿环境下散料会结块，影响输送的效果。因此，罐体常配有流化床，以防止散料的沉积，降低剩灰率，最大剩灰率不应超过1.5%[3]。

散料罐进料口和出料口的位置需要根据罐体的实际布置进行调整，以便于合理布置整个输料管线的方位。人孔及扶梯应在便于操作者到达的位置，其他仪表等尽量布置在扶梯或走台附近，便于人员观察或检修。罐体内部则尽量减少梯子、支撑等附件，以免影响这个罐体的吹灰效果。

散料储存罐、缓存罐和粉尘收集器等整个系统应有相同的设计压力，同时满足系统的输料能力的要求。

3.2 管路系统设计

散料系统属于气力输送系统，以压缩空气作为动力，在一定压力差的作用下，使散料沿管路输送到指定位置。散料系统所需的压缩空气要求较高，其压力与露点需要特殊考虑，不恰当的设计对散料输送的能力有明显的影响[4]。在有些项目，如WORKHORSE自升式钻井平台，会配有专门的散料系统的空压机和空气瓶。此时，供气系统应考虑在压缩机损失情况下的供气能力。

散料在散料储存罐和供给船双向输送之间可双向传输，这是强制性要求。为满足维护检修的要求，系统设计应能满足安全隔离任意一个罐体或部分的要求。散装泥浆输送系统和散装水泥输送系统之间应隔离，2个子系统之间在特殊情况下应配有可拆卸的联结，例如井控时，用固井泵来混合和输送重晶石塞。建议设计从供给船到散料缓冲罐的管线，以便满足应急需要。

对于安全阀泄放管线，应避免散装物料堵塞，一般将管子设计成向下倾斜或安装助吹管线。在P&ID原理图中也应标示，提示操作人员隔一段时间需对PSV管线进行助吹，清理管线，防止管线堵。排出管的出口需远离通风的进风口和人员居住区。所有排出管（除安全泄放口）都需经过粉尘收集器，以便尽可能的从粉尘收集器中回收散料。

所有散料管线（包括透气管）应设计成低流阻，减少管线长度和弯头数量，并尽量使用 45°或 30°弯头替代90°弯头。所有散料输送管路所采用的弯头应最少5倍管径，可以避免管路的磨损和散料堆积，透气管线则应选取至少3倍管径的弯头。散料系统的驳运支管上通常采用“Y”、“△”接头（见图3和图4）。

在散料管线上，还常常设计额外的用于助吹管线的快速接头。长管线或弯头处也应该可拆卸，便于清除管路堵塞的散料。与罐体连接处需采用唯特利接头等柔性连接，否则会影响称重传感器的称重。

在散料输送系统中，常使用气动遥控阀，一般由执行器、电磁阀、阀体三部分组成。系统中使用的气动遥控阀包括如下三种：

1）单作用开关阀，在失电和失气状态下会在内部弹簧的作用下保持关闭状态，一般用作散料罐的出料阀和压缩空气的控制阀，常使用蝶阀；

2）双作用开关阀，在失电和失气状态下保持原有开关状态，一般用作散料罐的进料阀和进气阀以及管线的隔离阀，常使用蝶阀；

3）单作用比例阀，通过4 mA～20 mA的电信号控制阀门0%～100%的开度，一般用作输料管线的助吹阀，常使用球阀。

当蝶阀用于散料输送和空气供给时，不建议使用开度控制，因为在散料输送管线上，蝶阀阀片容易磨损，如需开度控制（如出料阀）则可使用夹管阀。而对于空气供给管线，空气的流量与阀的开度的线性度太低，如需开度控制（如助吹阀）则可使用球阀。

整个系统的详细输送能力需要根据实际的管线布置情况进行校核。阀门、弯头、“Y”、“△”接头等的数量以及管子的整体长度都会影响管线阻力，从而会对散料的输送造成影响：过大的管线阻力会使得散料堵塞输送管线；过多的压缩空气会减少散料的密度，从而也影响了输送散料的实际数量；过少的压缩空气则会使得散料密度太大，引起管线堵塞[5-6]。

3.3 控制系统设计

随着海洋工程自动化要求的提高，整个散料系统的设计应尽量减少手动操作。使用PLC控制模块及HMI操作界面，实现对散料系统的自动控制。在设计时，应特别注意环境温度、IP等级、防爆等级等要求。以下以钻井设备提供商HICO提供的控制系统为例进行介绍和说明。

该项目控制系统由3个远程I/O及阀控箱、1个显示及数据采集箱、1个水泥系统操作盘组成。

泥浆控制系统可以检测和/或控制如下功能：

1）控制压缩空气的阀门，给散料储存罐充气，以达到散料储存罐额定的工作压力；

2）控制管线中的阀门，散料在散料储存罐间驳运；

3）调节助吹阀门开度，调节输送速率；

多中心点是商业中心点、市场、大公园、小游园、文化遗迹等多个有特色的中心点。中心点作为城市活力的象征、人流聚集地的存在，也是城市形象的重点打造区。

4）通过调节出料口来调节输送速率；

5）罐体内高位报警；

6）监测罐体内物料重量；

7）补偿升沉和倾斜运动对重量影响；

8）基于给定标准的散料密度将重量转换为体积；

9）监测罐体中的压力；

10）监测阀门的状态；

泥浆控制系统可以自动完成如下检测和/或控制功能：

1）给空罐加注额定的散料；

2）散料储存罐之间驳运额定的量；

3）给有一定余料的罐体加注额定的量；

4）在一定额度限制（设置高低位点）之间加注散料；

5）自动控制罐体之间的阀门；

6）自动清空粉尘收集罐；

7）在完成输灰后，自动扫除管线中的余料；

8）罐体过压的自动保护。

另外，散料控制系统与泥浆混合系统一起完成如下自动化功能：

1）缓冲罐自动分批混合，此过程可以与从散料储存罐到缓存罐的加注过程同时进行；

2）缓冲罐自动密度混合，此过程可以与从散料储存罐到缓存罐的加注过程同时进行。

4 结论

合理设计和布置钻井散料系统，对钻井平台有着重要的影响，对散料输送管线的设计和布置应优先考虑，保证系统的安全可靠性。本文结合大连中远船务建造的S116E系列自升式钻井平台，对散料系统的设计要点和难点进行了系统分析，对以后钻井平台的设计具有一定的借鉴和参考价值。

[1]柳金库.海洋平台气力输灰系统浅谈[J].科技视界, 2014, (11): 312-312.

[2]宁俊, 佟国志, 石银辉.深水钻井船散料输送系统的设计[J].船舶工程, 2014, (S1): 190-194.

[3]NK.NORSOK Standard D-001: Drilling Facilities[S].2012.

[4]林江.气力输送系统流动特性的研究[D].杭州: 浙江大学, 2004.

[5]傅磊.散料的流动性及其在弯管中气力输送的研究[D].辽宁大连: 大连理工大学, 2000.

[6]李诗久, 周晓军.气力输送理论与应用[M].北京: 机械工业出版社, 2000.

Design and Analysis for Marine Bulk Handling System

SUN Jingyang, YU Ya, WANG Tianlong
(COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China)

The marine bulk handling system is pneumatic conveying system, which is one main part of offshore drilling system and one main index to evaluate the capacity of mud mixing and drilling capacity of the drilling unit.In the article, the key points and difficult points of the design of the bulk storage tank, pipe routing, control system is analyzed and summarized based on the construction practice of S116E series of jack-up drilling unit of COSCO (Dalian) Shipyard.

offshore engineering; bulk handling system; design analysis

U674.38+1，N945.23

A

10.14141/j.31-1981.2017.04.010

孙景阳（1990—），男，助理工程师。研究方向：机械设备及系统设计。