船用機械液壓管系投油研究

黃亦飛，楊 燕，湯立德

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

散貨輪、油輪甲板機械、FPSO單點及艉輸油軟管絞車、自升式鉆井平臺、半潛式鉆井平臺的機械設(shè)備使用的液壓系統(tǒng)具有大功率、高壓力和大流量的特點，且相互關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)多，精度高，使用環(huán)境條件惡劣。液壓系統(tǒng)失效的原因復雜多樣，其中因液壓工作介質(zhì)污染造成的損失占到70%～80%，而固體顆粒污染又占了絕大多數(shù)。因此，正確設(shè)計液壓管系投油清洗系統(tǒng)，對液壓管系進行嚴格的投油清洗，有利于縮短造船周期，是液壓系統(tǒng)正常試驗前的一個重要工藝環(huán)節(jié)。

1 投油前準備

1.1 管系的酸洗鈍化

液壓管系熱投油清洗之前，為了提高酸洗鈍化質(zhì)量，對不銹鋼管內(nèi)壁必須進行除油脫脂處理。脫脂后用高壓水槍沖洗管系內(nèi)壁至廢液 PH值為中性。對碳鋼管，酸洗好后，堿水中和，然后用水徹底沖洗，并進行干燥，管內(nèi)壁立即噴涂工作介質(zhì)。

對于不銹鋼管，通過酸洗使不銹鋼表面平均有10μm厚一層表面腐蝕掉，酸液的化學活性使得缺陷部位的溶解率比表面上其他部位高，因此酸洗可使整個表面趨于均勻平衡，一些原來容易造成腐蝕的隱患被清除掉了。但更重要的是，通過酸洗鈍化，使鐵與鐵的氧化物比鉻與鉻的氧化物優(yōu)先溶解，去掉了貧鉻層，造成鉻在不銹鋼表面富集，這種富鉻鈍化膜的電位可達+1.0V，接近貴金屬的電位，提高了抗腐蝕的穩(wěn)定性。不銹鋼管的抗腐蝕性能主要是由于表面覆蓋著一層極薄的（約1μm）致密的鈍化膜，與腐蝕介質(zhì)隔離，是不銹鋼表面防護的基本屏障。

1.2 氮氣吹掃

對于管徑＜38mm（1.5英寸）的液壓管，在投油前要用干凈的氮氣吹掃，用潔凈的白布放在管的出氣口，一直吹到用肉眼看不到有固體顆粒為止。該方法對干燥的管子效果很好。

2 投油設(shè)備的設(shè)計選型

2.1 以工作介質(zhì)分類（熱投油清洗時必須使用系統(tǒng)要求的工作介質(zhì)）

1)石油鉆井平臺與散貨船和油輪的區(qū)別在于工作環(huán)境復雜，在月池區(qū)域的隔水管張緊系統(tǒng)（DAT）因要承受高溫高壓的考驗，必須選用抗燃液壓介質(zhì)。Houghton-Safe 273CTF是抗燃、防爆的水乙二醇介質(zhì)，專門用于壓力條件下、靠近明火或高溫場合，能提供最大限度的安全性。它與添加劑一體化可起防銹保護及抗細菌污染作用，確保系統(tǒng)使用壽命長。由于水乙二醇介質(zhì)的特殊性，它與已有投油泵組及過濾器中密封材料鎘、鋅、鉛、鎂元素不相容，因而普通投油泵組無法滿足要求，必須設(shè)計新的投油泵組。

2)STACK MAGIC 200N是生物降解型BOP防噴器專用介質(zhì)，應用于井口或多路器（multiplexer）控制系統(tǒng)。STACK MAGIC 200N推薦濃度2%，加上98%的去離子水，即必須加純水或蒸餾水，工作介質(zhì)的設(shè)計是可以直接排放到海里，同時能最大限度地提高對環(huán)境的保護。BOP控制液與水乙二醇一樣，與鎘、鋅、鉛、鎂元素不相容，因而也要設(shè)計專用的投油泵組。

3)其他液壓設(shè)備均使用以石油基為主的液壓油。只要合理選用投油機組就能得到良好的效果。

2.2 以油路連接形式分類

投油回路的設(shè)計一般分為串聯(lián)回路和并聯(lián)回路2種。串聯(lián)回路總的沿程壓力損失是各分段沿程管路壓力損失之和，其特點是壓力高、流量小。并聯(lián)回路總管上的流量是各支路流量之和。由于各支路的壓力損失相等，因而不同的管徑其流量是各不相同的，其特點是壓力低，流量大。無論串聯(lián)還是并聯(lián)均要滿足被投管系的雷諾數(shù)Re＞2300管壁內(nèi)徑，才能達到紊流狀態(tài)。但雷諾數(shù)不能太小，根據(jù)經(jīng)驗，一般Re≥3000（有的設(shè)備商要求4000以上），其實只要油溫在 40℃，可達到 3000，那么油溫50℃，Re一般都會在4000以上。外商一般要求在50～60℃的范圍檢測油液的清潔度，在此溫度范圍內(nèi)，管系內(nèi)壁容易達到所需的清潔度要求。但油溫不得超過70℃，否則管系密封件容易老化。

3 投油回路設(shè)計

3.1 雷諾數(shù)Re

Re是反映管子流動特性的一個無量綱數(shù)字，它的表達式為：

式中：V——管道平均流速，m/s；

d——管道內(nèi)徑，m；

ν——油液的運動黏度，m2/s；

式中：Q——管道流量，l/min；

ν——油液的運動黏度，mm2/s；

d——管道內(nèi)徑，mm。

ν在油液牌號中表示ISO規(guī)定了40℃時運動黏度值mm2/s，如ISO VG46即表示在40℃時運動黏度值為46mm2/s，不同的牌號表示不同的運動黏度值。從上式（1）、（2）中可以看出雷諾數(shù)與管道中的流量、流速成正比，與油液運動黏度成反比。例如從殼牌液壓油Shell Tellus oils黏溫特性（圖1）中可以看到：T15、T22、T32、T37、T46、T68、T100分別表示在40℃時運動黏度值為：15、22、32、37、46、68、100mm2/s，即同一油品在不同的溫度下有不同的運動黏度值。如圖1 中T46號液壓油在油溫40、50、60、70℃時運動黏度值分別為46、35、22、18mm2/s；例如液壓管內(nèi)徑為12mm，雷諾數(shù)為4000，在油溫40、50、60、70℃時經(jīng)計算所需投油的液壓油流量分別為104、79、50、41l/min 。可見隨著溫度的升高其運動黏度值越小、流動性越好。即在同樣的雷諾數(shù)下，管路投油所用的液壓油就越少，這就是管系熱投油的關(guān)鍵所在。即使在同樣的流量下管路中的雷諾數(shù)隨著溫度的升高也越大；雷諾數(shù)越大，管路沖冼時間就越短。

目前國際上比較流行的設(shè)計方法是：先設(shè)定被投管系的雷諾數(shù)、投油溫度、油品牌號、管徑，然后根據(jù)公式（1）計算出流速，再按公式（3）計算出投油泵組的流量。

式中：V——管道平均流速，m/s；

F——管道截面積，mm2；

Q——管道流量，l/min。

3.2 串聯(lián)回路：見圖2。沿程壓力損失計算公式（達西公式Darcy）：

式中：λ——為沿程阻力系數(shù)，對于光滑管道，雷諾數(shù)范圍 3000 ＜Re＜ 105。

λ計算公式（勃拉修斯公式[1]）：

ρ——流體密度，890kg/m3（石油基液壓油T46）；

V——管道平均流速，m/s；

d——管道內(nèi)徑，9×10-3m；

Re——雷諾系數(shù),4000；

L——管道長度,111m。

根據(jù)公式（1），查圖1 T46液壓油，在60℃運動黏度值22 mm2/s。

根據(jù)公式（1）：V=4000×22×10-6/ 9×10-3= 9.78（m/s）；

圖1 殼牌液壓油Shell Tellus oils黏溫特性

圖2 串聯(lián)回路投油原理

根據(jù)公式（4）：Δ1P=0.03978×111/9×10-3×890×9.782/2 = 20895336.34 Pa=20.895 MPa；

?為局部阻力系數(shù)，由于局部阻力系數(shù)很復雜，在一般設(shè)計工況下取經(jīng)驗值，通常取沿程壓力損失的2%～3%ΔP1，即計算時取 ΔP2= 2 .5%ΔP1，則總的壓力損失 ΔP= ΔP1+ΔP2= 20.895 + 2 .5% × 20.895==21.42 MPa 。

管系串聯(lián)投油系統(tǒng)壓力高、流量小，沿程壓力損失與速度的平方成正比。這時特別要注意投油壓力不要超過管系的設(shè)計壓力。若超過了要重新設(shè)計計算，在滿足雷諾系數(shù)的前提下，適當降低速度，可以收到比較好的效果。另外特別要注意，此時壓力已很高，不能采用脈沖震蕩清冼。否則會損壞投油泵組及被投管系。

3.3 并聯(lián)回路

圖3 并聯(lián)回路投油原理

從圖3可以看出：許多設(shè)備都連接在從投油泵組（HPU）出來的壓力油管（P）、回油管（R）、泄漏油管（D）3根總管上。在投油時，投油泵組的流量按照P、R、D 3根管子的內(nèi)徑計算所需的雷諾數(shù)來確定。并聯(lián)投油是提高投油速度、縮短造船周期的重要工藝環(huán)節(jié)。從圖3左圖中可以看出很多設(shè)備已被分組成5組，但在實際運用中分組是嚴格按各設(shè)備支路的管徑來區(qū)分的，即按各支路所需流量而定，由每組內(nèi)的比較接近或相等管徑來組成。從右圖上可以看到：原來的4個設(shè)備如今已換成用軟管的4個集管器（Manifold oil sampling），在各設(shè)備上的P、R、D 3根管子上均安裝有流量計及取樣閥。從集管器出發(fā)用軟管連接到下一個總的集管器，再用總的軟管連接到投油泵組，構(gòu)成循環(huán)。由此系統(tǒng)所需軟管、法蘭、接頭比較多，投油準備工作量較大，時間較長。

3.4 投油泵組功率的確定

式中：N——液壓功率，kW；

Q——流量，l/min；

P——壓力，MPa；

η——功率因素。

投油機組為了有較廣泛的適用性，一般情況下有幾個泵組組成，每個油泵出口均設(shè)有單向閥，既可以單獨使用，又可以并聯(lián)使用。壓力P的選擇一般根據(jù)全船液壓系統(tǒng)被投管系總的壓力損失來考慮，流量Q是根據(jù)被投管系的雷諾數(shù)來決定，然后根據(jù)上式確定功率。

4 液壓油管清冼過程

液壓系統(tǒng)壓力越高，選用液壓元件也越精密，對投油清潔度要求也越高。以往一般甲板機械投油清潔度均在Nas8-9級，但是在海洋工程中經(jīng)常要求Nas6-7級。

通常接通液壓管投油前，投油泵組本身一邊加熱一邊自循環(huán)，待液壓油升溫到40℃以上，液壓油清潔度達到要求后再接通外投管系。這樣可在投油一段時間后，若樣油化驗不合格，馬上可以判斷是管路的問題，而不是液壓油清潔度的問題。

4.1 合理利用“水錘現(xiàn)象”（高壓時禁用）

在正常的液壓系統(tǒng)中“水錘現(xiàn)象”應該避免，因為液壓沖擊會損壞管路、設(shè)備、密封件。但是在低壓投油液壓系統(tǒng)中加以合理利用可以大大提高投油效率，設(shè)計投油機組時，在系統(tǒng)中已考慮了這個功能。當系統(tǒng)投油清冼時，系統(tǒng)大概有每分鐘 7～8次壓力峰值頻率向管壁發(fā)起沖擊，使臟物容易脫落，從而大大縮短投油時間。

4.2 應用過濾器

投油機組上已設(shè)置了粗濾器（50μm）和精濾器（10μm），可通過閥門的轉(zhuǎn)換達到不同的要求。初試時回油經(jīng)粗濾器回油箱，約 1h后，回油經(jīng)精濾器回油箱。

4.3 取樣

用采樣瓶取樣化驗，既花費時間，又由于取得的樣品有差異，往往清潔度級別比在線測量要低一級。而投油機組均設(shè)置了在線固體顆粒計數(shù)儀接口，建議使用。

4.4 液壓油換油指標

當一個設(shè)備投油完成后，一般情況下船東要求將管中液壓油從被投管系中用氮氣把它吹出來。但是如要繼續(xù)將該液壓油留在管中使用，則要做油品化驗，一是要檢測油液清潔度是否符合圖紙要求，二是要檢查油液的含水率是否小于 500ppm，三是要檢查油品在 40℃時運動黏度值變化率是否小于±10%，符合以上3條則可繼續(xù)使用。

4.5 加油

剛購買來的液壓油在加到油箱之前必須取樣檢測，只有達到清潔度要求才能加入。否則必須放到投油泵組循環(huán)清冼合格后方能加入油箱。

5 結(jié) 語

隨著海洋工程裝備上的液壓系統(tǒng)越來越多，各廠家也對船用機械液壓管系投油研究越來越重視。本文是多年研究投油系統(tǒng)的實踐總結(jié)，提出了如何設(shè)計選用雷諾系數(shù)、串并聯(lián)投油回路的設(shè)計特點、清冼取樣過程，對縮短造船周期提高效率有一定幫助。

[1]徐 灝. 機械設(shè)計手冊第5300卷[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2000.6.

[2]TSK. Procedure for Flushing of Hydraulic Systems[S].MHSTD-Z-ZZ50-KA23-0001. NORWAY∶ MH, 2006.3.