張建平，陳曉宇，唐杰，陸華中

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

某深水鋪管船項目，鋪管設(shè)備采用多傳動變頻系統(tǒng)，布置在左、右舷電氣設(shè)備間，系統(tǒng)的公共直流母排穿過A60 & 水密艙壁相連，母排設(shè)置直流隔離開關(guān)。正常運(yùn)行時，兩側(cè)的母排獨立運(yùn)行，驅(qū)動各自母排上的設(shè)備；應(yīng)急情況時，可將艙壁兩側(cè)的直流隔離開關(guān)合閘，利用單側(cè)的驅(qū)動變壓器和ISU(IGBT supply unit，IGBT整流單元)實現(xiàn)所有設(shè)備的降容運(yùn)行。驅(qū)動電力系統(tǒng)見圖1。

圖1 驅(qū)動電力系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)、直流母排和母線槽由鋪管設(shè)備商供貨，母排為普通鍍錫裸母排，母線槽為玻璃鋼材質(zhì)、扣板形式。設(shè)計團(tuán)隊負(fù)責(zé)母排穿艙方案的具體設(shè)計、穿艙件選型等工作。母排穿艙成為實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計意圖的關(guān)鍵。

電纜、管件在海工船舶上的穿艙屬于常規(guī)做法，有眾多知名廠家和成熟產(chǎn)品，可以選擇模塊式電纜貫艙件(multi-cable transit，MCT)、防火套管、堵料澆注等穿艙方案。但電力母排穿艙屬于特殊應(yīng)用。為此，考慮根據(jù)實際情況，分析母排穿艙及母線槽的規(guī)范和認(rèn)證要求，調(diào)研市場產(chǎn)品和以往項目的應(yīng)用情況，從產(chǎn)品認(rèn)證、設(shè)備改造、穩(wěn)性計算、作業(yè)工況、失效模式分析等多方面，分析比較方案的可行性，確定最佳處理方案。

1 規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

IMO的《國際海上人命安全公約》(international convention for safety of life at sea，SOLAS)綜合文本2009版對于穿艙問題有明確的要求[1]：如管子、排水管和電纜等通過水密艙壁時，應(yīng)設(shè)有保證該艙壁水密完整性的設(shè)施；如貫穿“A”級分隔，該貫穿件應(yīng)在符合本條4.1.1.5規(guī)定的前提下，根據(jù)《耐火試驗程序規(guī)則》(fire protection procedure，F(xiàn)TP)進(jìn)行試驗。

《歐盟的船用設(shè)計指令》(marine equipment directive，MED)Directive 2014/90/EU要求：電纜穿艙件必須符合SOLAS要求，并具備MED module B+D 或 B+E 或 B+F證書。

英國勞氏船級社的《船舶入級規(guī)范》(2017年7月版)，第6部分/第2章/第11節(jié)/11.17[2]對于母線槽系統(tǒng)有專門的描述。相關(guān)內(nèi)容如下。

1)母線及其連接應(yīng)有防腐蝕/氧化措施，避免接觸不良而導(dǎo)致過熱。母線及其支座的設(shè)計應(yīng)能承受短路時可能產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。需要時應(yīng)提交測試報告或計算結(jié)果以驗證母線系統(tǒng)的短路耐受強(qiáng)度。

2)如果裸導(dǎo)體采取了措施防止表面氧化，則額定正常電流下的溫升極限不得超過60 ℃，否則允許溫升極限不超過45 ℃。如果母線溫升高于45 ℃，應(yīng)確保對與母線相鄰和/或連接的設(shè)備沒有不利影響，并且不超過與母線接觸的任何材料的溫升極限。需要時，應(yīng)提交測試報告或計算結(jié)果以驗證分配給母線系統(tǒng)的額定電流。

3)母線槽系統(tǒng)應(yīng)具有最低進(jìn)入防護(hù)(ingress protection，IP)等級IP54(根據(jù)IEC60529)。

4)母線槽或其系統(tǒng)的內(nèi)外布置應(yīng)確保不損害其通過的任何結(jié)構(gòu)的防火和/或水密完整性。

經(jīng)與現(xiàn)場驗船師和船級社審圖中心溝通后明確，母排穿艙后的艙壁防火和水密性必須完全符合本項目的《防火區(qū)域圖》和SOLAS要求；穿艙件的耐火和水密試驗證書必須滿足FTP、SOLAS、MED要求和船旗國規(guī)定。

2 方案分析

針對公約、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，結(jié)合項目實際，設(shè)計團(tuán)隊提出了4種處理方案。

2.1 電纜替代母排

首先考慮采用電纜替換母排，從而規(guī)避母排穿艙。原項目執(zhí)行時，船東和驅(qū)動系統(tǒng)供應(yīng)商曾討論過采用電纜代替母排以便連接左、右舷電氣設(shè)備間的兩部分驅(qū)動柜，設(shè)備商也確認(rèn)技術(shù)上可行，但需要加裝額外的電控柜以容納直流保險絲、電纜連接件，以及其他輔件，整體成本約增加45萬元。增加直流保險絲是由于母排上的直流開關(guān)均為隔離開關(guān)，開關(guān)操作是在電源斷開、電容儲能釋放后進(jìn)行，無線路保護(hù)功能；如果母排改為電纜，必須設(shè)置直流保險絲以保護(hù)電纜。

將該方案細(xì)化為3種具體方式，顯然各有局限性。

1)將母排整體改為電纜。前述的整體增加成本基于多傳動驅(qū)動器尚在設(shè)計階段、未生產(chǎn)的情況下，實際上設(shè)備到貨后，現(xiàn)場改造費用會更高；考慮改造風(fēng)險和責(zé)任，國內(nèi)是否有設(shè)備商可以承接改造工作也不可知；而且電氣設(shè)備間空間有限，多傳動驅(qū)動柜已經(jīng)無法增加柜體。

2)將穿艙的一段母排改為電纜，左、右電氣設(shè)備間設(shè)置對接箱，用于連接該電纜和驅(qū)動柜一側(cè)的母排。這樣多傳動驅(qū)動柜無需作電纜連接件的改造，但按照電纜保護(hù)的要求，直流保險絲仍需增加，隨之而來的問題是多傳動驅(qū)動柜需要升級改造。

3)采用防短路電纜。防短路電纜即硅橡膠絕緣電纜，這類電纜由于絕緣材質(zhì)的特性，長期工作所允許的最高溫度、短路時允許的最高溫度都高于普通電纜。小電流或者交流系統(tǒng)采用硅絕緣電纜有現(xiàn)實意義，當(dāng)前系統(tǒng)的額定電流4 000 A以上，短路電流計算值更高，且直流系統(tǒng)的電纜絕緣要求本來就高。適用性需要進(jìn)行電纜熱效應(yīng)和動效應(yīng)校驗，還要解決電纜的規(guī)格選型和船級社證書問題；而且，不設(shè)保險絲或開關(guān)以保護(hù)電纜，本身就和船級社規(guī)范的要求相悖。

2.2 更改母排品牌和型號

對各大船廠以往項目的類似應(yīng)用和相關(guān)的母線槽產(chǎn)品展開調(diào)研。

招商局重工(江蘇)有限公司曾在CMHI182項目上采用配電母排穿過A0艙壁，連接2個艙室的2組配電板，避免了27根3×120 mm2電纜的敷設(shè)和MCT穿艙，降低了成本、工藝難度以及工作量。穿艙系統(tǒng)持有DNV GL防火證書(證書號TAF00001BB)。項目采用施耐德母線Type I-LINE/Canalis Series B Busway 800 A to 5 000 A，及火克HK-MG母線槽穿艙系統(tǒng)，申請了實用新型專利(專利授權(quán)公告號：CN 210898425 U)。

核查該項目應(yīng)用情況及防火證書，證書載明須配套使用施耐德特定型號母排槽，可用于A60艙壁穿艙。但有以下局限性。

1)DNV GL防火證書上明確載明“不適用于水密艙壁穿艙”，無法用于鋪管船項目。

2)該母線槽型號的電壓等級從產(chǎn)品資料看為690 V AC，而直流母排額定電壓為973 V DC。

3)存在施耐德母線槽與多傳動驅(qū)動柜內(nèi)母排的連接問題。

4)施耐德母線槽的防護(hù)等級最多能達(dá)到IP66。如果考慮母線槽內(nèi)封堵以達(dá)到水密，則演化為母排的直接封堵和穿艙，就沒有必要采用施耐德產(chǎn)品。

鑒于多傳動驅(qū)動柜原理圖和尺寸圖中標(biāo)注母排為“ABB MDY BUSDUCT”。設(shè)計團(tuán)隊查閱ABB官網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)“MDY BUSDUCT”除了母排，還包括母排支撐件、母排護(hù)套等。資料截圖見圖2。

圖2 ABB MDY BUSDUCT[3]

資料中對于母排絕緣層和IP等級有專門的說明，產(chǎn)品由無鹵絕緣材料擠塑包覆在母排表面，母排可彎曲以方便現(xiàn)場施工，載流能力出色，完全密封時防護(hù)等級為IP54，也可提供IP65。對比鋪管設(shè)備商供貨的普通裸母排，ABB MDY BUSDUCT的IP等級滿足規(guī)范要求，配有完整的支撐件，母排絕緣采用普通電纜相同的擠塑絕緣工藝，更加符合項目所需的母排穿艙應(yīng)用，但仍然無法避開防火、防水認(rèn)證和試驗。

查閱ABB母線槽手冊時，注意到ABB有樹脂澆注式的母排產(chǎn)品，MV Busduct系列Type MV-MB，以及LV Busduct系列Type SC-R，可以達(dá)到防火、防爆、IP68防護(hù)等級，額定電壓從1 kV一直到17.5 kV，額定電流最高可到6 000 A，可見還是有類似應(yīng)用。

2.3 母排穿艙型式認(rèn)證

母排穿艙的前提是保持艙壁的防火、防水性能，穿艙型式的防火、防水試驗和認(rèn)證必須解決。

本著最大程度利用現(xiàn)有設(shè)備和材料，減少已到貨的進(jìn)口多傳動驅(qū)動柜改造工作量，基于“套管式電纜/管道貫穿密封裝置”提出安裝型式，見圖3。

圖3 母排穿艙型式示意

該裝置是成熟產(chǎn)品，各家穿艙件廠家均有A60證書和水密測試報告，但均針對電纜或者管道。設(shè)計團(tuán)隊按照驗船師要求提交了穿艙件的防火證書、水密證書，并計劃就此母排穿艙型式進(jìn)行后續(xù)取證工作。

現(xiàn)場驗船師對此方案提出3點要求。

1)母排以及穿艙密封裝置中所使用的絕緣材料均要有型式證書和特性試驗數(shù)據(jù)，不小于同一電壓等級電纜的絕緣性能。

2)母線槽要符合LR規(guī)范中相關(guān)規(guī)定(如IP等級、支撐強(qiáng)度、載流量計算書等)。

3)需要提供穿艙形式認(rèn)可證書。

這一方案的關(guān)鍵是A60防火試驗以及母排絕緣護(hù)套、穿艙密封裝置中的防火套管等電絕緣性能的驗證認(rèn)證。取證周期較長，相關(guān)費用約20萬元。

2.4 更改艙壁屬性

普通艙壁的母排穿艙不需封堵，左、右舷電氣設(shè)備間的相鄰艙壁是否可以定義為非水密、非防火，這是處理過程中各方都提出的方案和問題。

多傳動驅(qū)動柜所在的左、右舷電氣設(shè)備間在當(dāng)前設(shè)計中歸類為動力定位(dynamic positioning，DP)分區(qū)，同時也是安全返港(safe return to port，SRtP)分區(qū)，DP系統(tǒng)、SRtP都以這道中間艙壁為A60及水密分割壁開展設(shè)計，進(jìn)行電纜管路的路徑規(guī)劃及設(shè)備布置，見圖4。

圖4 左右舷電氣設(shè)備間布置示意

一旦艙壁屬性變化，這兩個房間在DP和SRtP分析時必須按照一個房間對待，分屬不同DP系統(tǒng)的設(shè)備、電纜、管路就不能同處一室，會對正在施工的項目造成修改。

經(jīng)聯(lián)合各專業(yè)、技術(shù)顧問團(tuán)隊、失效模式與影響分析(failure mode and effects analysis，F(xiàn)MEA)第三方，就取消艙壁的A60和水密屬性進(jìn)行溝通，梳理具體影響。

1)總體專業(yè)認(rèn)為，鋪管船破艙穩(wěn)性適用于概率破艙，最大破損范圍是從舷邊穿透船寬(breadth，B)/2，垂向破損范圍最大為距基線約23.3 m，左、右舷電氣設(shè)備間處于破損范圍內(nèi)。若中間艙壁考慮為非水密，對原穩(wěn)性計算結(jié)果產(chǎn)生影響，初步核算仍滿足要求，穩(wěn)性報告需重新送審。

2)內(nèi)裝專業(yè)的防火分割圖需取消艙壁的防火分割，但現(xiàn)場已完工的絕緣可保留，不作返工。

3)通風(fēng)專業(yè)無需修改。

4)輪機(jī)管系專業(yè)，移出燃油儲存艙1根透氣溢流管，或用鋼板圍蔽并做A60絕緣，形成A60通道。

5)電氣專業(yè)的電纜路徑無需修改。

6)原兩個設(shè)備間各布置有DP系統(tǒng)的1個網(wǎng)絡(luò)分配單元(network distribution unit，NDU)，2個NDU不能同時丟失，其中1個需移出，并修改相關(guān)電纜。

7)6臺中壓變壓器分2組連至2段發(fā)電機(jī)主母排，雖未供電給DP設(shè)備，但該區(qū)域發(fā)生火災(zāi)或水淹時，可能使主母排多次連續(xù)短路，疊加壓降時間超過系統(tǒng)設(shè)計的壓降穿越能力，造成全船失電。

8)2個690 V和440 V配電板雖未供電給DP設(shè)備，也應(yīng)考慮火災(zāi)或水淹時的連續(xù)短路情況。

2.5 船級社審圖中心核查意見

1)更新并重新提交關(guān)聯(lián)圖紙和計算分析報告，比如穩(wěn)性計算、選擇性保護(hù)分析、設(shè)備布置圖等。

2)中壓變壓器開關(guān)保護(hù)設(shè)定值由0.40 s調(diào)整為0.15 s，這樣即使火災(zāi)或水淹時3個變壓器無間隔連續(xù)短路(3×0.15=0.45 s)，也不會引起發(fā)電機(jī)(設(shè)定值0.80 s)和主母排母聯(lián)開關(guān)(設(shè)定值0.6 s)的跳閘，可避免發(fā)生開關(guān)誤動作或主母排全部失電。

3)更新FMEA報告描述，并確定驗證步驟，海試時模擬火災(zāi)/水淹狀況進(jìn)行演示。

方案從實施可行性上，得到各專業(yè)、船級社審圖中心、驗船師以及船東方的認(rèn)可?，F(xiàn)場工作除了需處理1根透氣溢流管、1個NDU需移位，其余均為計算書、圖紙、分析報告等工作；母排穿艙可以不考慮艙壁的A60和水密性，無需考慮封堵，到貨母排和母線槽得到利用；船級社提出的模擬試驗本就屬于FMEA試驗項，并非額外工作；艙室失火或浸水時設(shè)備可能連續(xù)短路引起的問題，可調(diào)整相應(yīng)保護(hù)開關(guān)設(shè)定值予以避免，經(jīng)核實，對下級低壓負(fù)載的選擇性保護(hù)也無影響。因此，更改艙壁屬性對項目進(jìn)度和成本影響有限。

2.6 方案比較和選擇

把不同方案對應(yīng)的影響情況見表1。

表1 母排穿艙解決方案對比表

3 結(jié)論

綜合考慮項目各方意見，最為務(wù)實的做法是采用第4種方案：更改艙壁屬性。其他方案均存在成本、可行性、進(jìn)度不可控等風(fēng)險，而且均會出現(xiàn)即使付出代價，仍可能無法達(dá)到預(yù)期的情況。