海洋工程装备低噪声设计技术及应用.ppt

2024/4/21 周日1海洋工程装备海洋工程装备低噪声设计技术及应用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22024/4/21 周日内容概要 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。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。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。程船、勘探船等海洋工程装备的减振降噪的设计。32024/4/21 周日1 引言p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）、可燃冰（是世界天然气探明储量的天然气探明储量的10多倍）、大洋多金属结核（镍可供世界使用多倍）、大洋多金属结核（镍可供世界使用2万年、钴可使用万年、钴可使用34万万年、锰可使用年、锰可使用18万年、铜可使用万年、铜可使用1000年）、海底热液矿床、海洋生物资源、海洋能源年）、海底热液矿床、海洋生物资源、海洋能源（可开发总量（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。亿千瓦）等。海洋资源争夺已成为当前国际竞争的焦点。p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。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。p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。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。42024/4/21 周日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、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（详见表钻井、生产、集输等（详见表1）。）。类类型型类类型名称型名称勘探勘探类类地震勘探船、地震勘探船、仪仪器作器作业业船、船、资资源源调查调查船等船等钻钻井、生井、生产产类类钻钻井船舶：井船舶：钻钻井船井船钻钻采平台：重力式平台、采平台：重力式平台、导导管架平台、坐底式平台、自升式平台、半管架平台、坐底式平台、自升式平台、半潜式平台（潜式平台（Semi）、）、张张力腿平台（力腿平台（TLP）、立柱式平台（）、立柱式平台（SPAR）、）、浮式生浮式生产储产储油油轮轮（FPSO）、浮式）、浮式储储油油轮轮（FSO）辅辅助船舶：起重船、助船舶：起重船、锚锚作拖船作拖船/供供应应船、三用工作船、多用途供船、三用工作船、多用途供应应船船水下系水下系统统：采油：采油树树、管、管汇汇、控制管、控制管线线等等集集输类输类铺铺管船、穿梭油管船、穿梭油轮轮、海底、海底输输油管油管线线等等其它其它类类深海空深海空间间站、海洋站、海洋矿矿藏开采技藏开采技术术装装备备等等超大型海洋超大型海洋浮体浮体结结构物构物海上机海上机场场、海上城市、海上能源基地等、海上城市、海上能源基地等52024/4/21 周日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发展现状及趋势目前海洋工程装备建造呈三大阵营：目前海洋工程装备建造呈三大阵营：q欧美等国为第一阵营，约占市场额的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，技术实力雄厚，以高尖端海洋工程产品为主；工程产品为主；q新加坡、韩国为第二阵营，约占市场额的新加坡、韩国为第二阵营，约占市场额的60；q中国为第三阵营，仅占市场额的中国为第三阵营，仅占市场额的5，设计开发能力与国外差距较大，集中，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。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。62024/4/21 周日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。和复杂性高于一般船舶。72024/4/21 周日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一半集中建造于上世纪80年代初，服役近年代初，服役近30年，面临退役，因此今后几年海年，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。迅速增长。82024/4/21 周日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发展现状及趋势q从从20世纪世纪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，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。备低于世界平均水平，很多依靠外国进口。q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，如前期设计，如12缆深海物探工程船、缆深海物探工程船、55000吨半潜作业工程船均是国外完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。成方案设计（甚至技术设计）后转入国内。q我国拥有我国拥有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153万平方万平方公里，只勘探了公里，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，万平方公里，丰富的海洋资源急待开发。有关部门预测，到到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年的基年的基础上有几十倍的提高。础上有几十倍的提高。92024/4/21 周日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内外海洋工程装备的振动噪声现状及趋势q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，特别是等制定的规范，特别是DNV规规范对船舶振动噪声舒适度设定了分级要求，其中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，级为最高舒适度等级，3级级为可以接受的舒适度等级。为可以接受的舒适度等级。q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声设计可参考的标准为GB5979和和GB/7452。对比国内外标准和规范要求，。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标，大部分目标区域的振动噪声指标达不到DNV的的3级舒适度要求。级舒适度要求。q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，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。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。102024/4/21 周日3 海洋工程船舶综合振动噪声控制方法 3.1 总体思路总体思路q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。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。确各个目标场的振动噪声指标。q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。造和试验三个阶段紧密结合。112024/4/21 周日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。全船模全船模态计算算船舶振船舶振动响响应计算算 水下水下辐射噪声射噪声计算算舱室噪声室噪声计算算122024/4/21 周日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。132024/4/21 周日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。142024/4/21 周日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。152024/4/21 周日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。电站双站双层隔振隔振电站箱装体模站箱装体模块低噪声柴油机推低噪声柴油机推进动力系力系统 162024/4/21 周日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。172024/4/21 周日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海洋工程船舶振动噪声测试182024/4/21 周日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。192024/4/21 周日4 海洋工程船舶综合减振降噪技术应用案例 序号序号名称名称技技术术指指标标技技术术措施措施1主主发电发电机机组组隔振装置隔振装置隔振效果隔振效果35dB双双层层隔振装置，管路隔振装置，管路弹弹性性连连接。接。2停泊停泊电电站隔站隔振装置振装置隔振效果隔振效果25dB单层单层隔振，公共底座局部填充高分子聚合物，管路隔振，公共底座局部填充高分子聚合物，管路弹弹性性连连接，接，电电站基座采用阻尼站基座采用阻尼处处理。理。3静音静音电电站站隔振效果隔振效果65dB降噪效果降噪效果20dB(A)三三层层隔振方式，中隔振方式，中间阀间阀体采用高分子聚合物混凝土体采用高分子聚合物混凝土和和钢结钢结构；降噪构；降噪处处理采用理采用舱舱室室进风进风、排、排风风用消声器用消声器降噪，柴油机排气采用消声器降噪，整个降噪，柴油机排气采用消声器降噪，整个舱舱室采用室采用特殊吸声特殊吸声处处理。理。4泵舱泵舱浮筏浮筏隔振效果隔振效果35dB多多泵组泵组浮筏，局部敷浮筏，局部敷贴贴阻尼材料。阻尼材料。5机机舱舱周周围舱围舱室噪声室噪声处处理理舱舱室噪声室噪声65dB(A)浮浮动动地板，吸声地板，吸声层层，隔声，隔声层层，阻尼，阻尼层层，辅辅料。料。6通通风风机噪声机噪声处处理理隔声量隔声量20dB(A)隔声罩，消声器，隔声罩，消声器，舱舱室隔声室隔声处处理。理。q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：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：202024/4/21 周日4 海洋工程船舶综合减振降噪技术应用案例 q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平（如试验室舱室噪声达到46-56dB(A)，集控室噪声为，集控室噪声为64 dB(A)，轮机长房，轮机长房间为间为50 dB(A)），与国际先进水平接轨，达到了），与国际先进水平接轨，达到了DNV三级以上舒适度的要求。三级以上舒适度的要求。序号序号舱舱室室舱舱室噪声室噪声测试值测试值测测点点1 1测测点点2 21 1No.2No.2试验试验室室56.156.152.152.12 2No.3No.3试验试验室室46.246.246.346.33 3No.4No.4试验试验室室52.152.153.453.44 4集控室集控室63.763.763.163.15 5二管房二管房间间56.856.8-6 6三管房三管房间间56.456.4-7 7三副房三副房间间53.953.9-8 8轮轮机机长长房房间间48.648.649.549.5212024/4/21 周日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特点，提出的全船综合减振降噪技术是一项通用技术，适用于低噪声海洋工程装备的设计、制造和试验验收。2）提出的海洋工程船舶的低噪声设计方法，包括船舶振动噪声预估、指标分配、控制方案、评估、实施和测试等一整套船舶综合减振降噪方法，重点研究了振动噪声评估、动力装置振动噪声控制、典型舱室噪声治理等关键技术，并在某勘探型海洋工程等船舶上进行了应用研究，通过了试验验证，取得了一些研究成果，为后续的深入研究奠定了基础。3）为了提高我国海洋工程装备的国际竞争力，我国海洋工程装备的振动噪声指标应与国外接轨，并尽快制定相应的标准规范，以满足我国海洋工程装备的发展需要。2024/4/21 周日22谢 谢！