水力噴射泵在自升式鉆井船中的應(yīng)用

冷濤田張憲陣 曾文陽 張曉

（海洋石油工程股份有限公司）（青島德固特機(jī)械制造有限公司)

水力噴射泵在自升式鉆井船中的應(yīng)用

冷濤田*張憲陣 曾文陽 張曉

（海洋石油工程股份有限公司）（青島德固特機(jī)械制造有限公司)

闡述了噴射泵在自升式鉆井船中的應(yīng)用及實(shí)踐，對水力噴射泵的特點(diǎn)、效率以及氣蝕等應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了較為詳細(xì)的探討。

噴射泵氣蝕鉆井船應(yīng)用

0 前言

噴射泵是一種特殊的流體機(jī)械。由于噴射泵具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價(jià)格低廉、無運(yùn)動(dòng)部件、工作可靠、使用壽命長、自吸能力強(qiáng)和可運(yùn)送包含固體小顆粒雜質(zhì)在內(nèi)的任何污濁液體等特點(diǎn)，在石油、化工、船舶、環(huán)保、電力等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。61 m自升式鉆井船（海洋石油921/922/923/924）系列船舶建造總包項(xiàng)目是海洋石油工程公司首次涉足的浮體制造領(lǐng)域。經(jīng)過建造交驗(yàn)以及交付后的生產(chǎn)實(shí)踐證明，水力噴射泵以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在艙底水系統(tǒng)、樁靴排放系統(tǒng)中起著不可替代的作用。

1 噴射泵工作原理

常用的普通噴射泵主要由噴嘴、泵室、喉管、擴(kuò)散管、吸入管等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

噴射泵是完成能量轉(zhuǎn)換的一種裝置，具有一定壓力和流速的工作流體，經(jīng)過噴嘴噴出，形成高速射流。由于射流與空氣之間產(chǎn)生的卷吸作用和紊動(dòng)擴(kuò)散作用，把泵室內(nèi)的空氣帶走，使該處產(chǎn)生負(fù)壓，形成真空。在外界大氣壓力及液體的靜壓力作用下，將被吸流體吸入泵室，隨同高速工作液流帶入喉管內(nèi)，并在喉管內(nèi)進(jìn)行能量交換及混合。在喉管內(nèi)，工作流體將一部分動(dòng)能傳遞給被抽流體，工作流體的流速減小，被抽液體流速加快，到達(dá)喉管末端區(qū)域兩股液流的速度逐漸趨于一致，混合過程基本完成。然后混合流體進(jìn)入擴(kuò)散管，在擴(kuò)散管內(nèi)，流速逐漸降低，壓力上升，最后通過排出口排出。

圖1 噴射泵結(jié)構(gòu)

2 應(yīng)用及效果

水力噴射泵在鉆井船中的應(yīng)用主要是在以下兩個(gè)系統(tǒng)中：艙底水系統(tǒng)，樁靴排水系統(tǒng)。

艙底水系統(tǒng)的主要作用是用泵將壓載艙、污水井等位置的水掃至舷外或者艙底水艙（如圖2所示）。艙底水泵（帶自吸裝置離心泵，1臺(tái)）與噴射泵（2臺(tái)）是掃艙的主要設(shè)備。其中，2臺(tái)噴射泵分別位于左舷散料間、右舷儲(chǔ)存間，1臺(tái)連續(xù)運(yùn)行，1臺(tái)備用。噴射泵的工作水主要由位于樁腿底部的潛水泵提供。被抽水主要來自艙底水系統(tǒng)中的掃艙管匯，掃艙位置較多，共計(jì)14個(gè)壓載艙，2個(gè)空艙，12個(gè)污水井。對于噴射泵排出的混合流體，符合排放標(biāo)準(zhǔn)的可直接排舷外，如用于壓載調(diào)平的壓載水、污水井中只包括來自空壓機(jī)系統(tǒng)的冷凝水、帶自吸裝置離心泵啟動(dòng)時(shí)排空水、鍋爐系統(tǒng)中的溢出水等清潔水；不符合排放標(biāo)準(zhǔn)的，必須進(jìn)艙底水艙繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的水質(zhì)處理，如含油污的水等。

圖2 艙底水系統(tǒng)掃艙流程

樁靴排水系統(tǒng)共計(jì)3個(gè)樁靴，每個(gè)樁靴有1套噴射泵，噴射泵位于樁靴底部，另有連接在噴射泵兩端的進(jìn)、排管線來實(shí)現(xiàn)排放功能。進(jìn)水管線通過軟管連接到?jīng)_樁管匯的任一接頭上，水經(jīng)樁靴內(nèi)底部的噴射泵排至排出管線，排出管線的出口端設(shè)置并固定在樁腿適當(dāng)高度的樁腿拉筋上。

2.1 噴射泵在艙底水系統(tǒng)中掃艙的優(yōu)點(diǎn)

實(shí)踐表明，對于剩余水量較少或距離泵體入口管程損失較大的艙室，或抽吸污水井等情況，應(yīng)該選用噴射泵，而離心泵并不適合。其原因如下：

（1）艙底水泵本身的工作原理限制了其在上述條件下使用。艙底水泵的排量為140 m3/h，遠(yuǎn)大于噴射泵的排量40 m3/h。由于單艙掃艙管徑為100 mm，艙底水泵入口管徑為150 mm，通過計(jì)算可知，對于直徑100 mm的管路，最大流量不超過66.2 m3/h，與艙底水泵的正常工作點(diǎn)140 m3/h相去甚遠(yuǎn)。而當(dāng)剩余水量較少或者抽吸污水井時(shí)，管程損失會(huì)更大，對于管線復(fù)雜的艙室和污水井，艙底水泵排量要遠(yuǎn)小于66.2 m3/h，因此不適宜采用離心泵。

需要特別說明的有兩點(diǎn)。一是艙室剩余水量較少時(shí)，吸口區(qū)域以外的補(bǔ)充水需通過船體外板縱骨流水孔來補(bǔ)充，但流水孔較小，水流速度較慢，因此吸口區(qū)域水量得不到連續(xù)補(bǔ)充。二是污水井容積一般為1～2 m3，單獨(dú)啟動(dòng)艙底水泵抽吸，極容易造成泵未啟動(dòng)前，泵入口前管路排空的水就已經(jīng)將污水井的水耗盡，或者正常啟動(dòng)，一打開艙底水泵的出口閥，因需排水較少，自吸裝置隨即啟動(dòng)，污水井中的水存于管路中未排盡。這兩種情況都超出了離心泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，不能正常排水，管路中處于氣液混合狀態(tài)，附加的自吸裝置也會(huì)頻繁長時(shí)間啟動(dòng)，這對運(yùn)行著的離心泵必然會(huì)產(chǎn)生氣蝕，影響其使用壽命，同時(shí)影響排水效率。

（2）艙室底部以及污水井必然含有雜質(zhì)顆粒等，盡管有入口濾器，但是粒度較小的顆粒雜質(zhì)難免混入其中，而噴射泵是輸送含有固體雜質(zhì)污水的最佳選擇。

（3）噴射泵可在應(yīng)急情況下快速啟動(dòng)。一方面潛水泵為噴射泵提供工作水，另一方面也需要噴射泵為其分壓，因此，在鉆井船的常規(guī)運(yùn)行中，噴射泵可作為長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備而并不單獨(dú)耗損其他能量。無工作任務(wù)的情況下，只需開啟工作流體閥門和排出管閥門，在污水井突然滿水等特殊情況下，直接打開吸入口閥門即可。而啟動(dòng)艙底泵的步驟較為繁雜，需要首先啟動(dòng)空壓機(jī)準(zhǔn)備充足氣源，其次啟動(dòng)自吸裝置排空，然后才能啟動(dòng)艙底泵。

（4）建造交驗(yàn)后期，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)踐，對位于左舷散料間和右舷袋裝儲(chǔ)存間的噴射泵，在其吸入口前分別增加了1個(gè)軟管接頭（如圖2所示），大大增加了操作靈活性，操作人員可隨時(shí)移動(dòng)軟管，處置突發(fā)情況。

2.2 噴射泵掃艙效率分析

噴射泵是依靠射流使流體質(zhì)點(diǎn)間產(chǎn)生相互撞擊來傳遞能量的，在混合過程中產(chǎn)生大量漩渦，在喉管內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦損失以及在擴(kuò)散管中產(chǎn)生的擴(kuò)散損失都會(huì)引起大量的水力損失，從而使大部分能量在傳遞過程中損失掉[1]。由于噴射泵自身結(jié)構(gòu)的影響，即使在理想條件下，其工作效率也只有40%左右。

盡管如此，在某些場合，采用其他方法排水效果并不顯著，如潛水泵、帶自吸裝置離心泵，雖可排水，但不適合水量較少時(shí)使用。帶自吸裝置離心泵不適合在樁靴內(nèi)的淹沒條件下工作。這種無法近距離操作或維修的特殊場合，采用噴射泵更能顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。如果將效率和維護(hù)成本綜合考慮，選用適當(dāng)?shù)膰娚浔?，相對而言，其綜合效率較高。

2.3 噴射泵氣蝕現(xiàn)象分析

在噴射泵掃艙使用過程中，如果操作不當(dāng)或者達(dá)不到使用要求，噴射泵會(huì)有劇烈振動(dòng)和噪聲的現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的氣蝕現(xiàn)象。

氣蝕性能在噴射泵性能中占據(jù)較重要的位置，關(guān)系到噴射泵能否正常工作，能否保持在較高效率下運(yùn)行。氣蝕的發(fā)生將直接導(dǎo)致泵本體遭受破壞。噴射泵的氣蝕現(xiàn)象可以歸結(jié)如下[2]：由于流體在噴射泵內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)是非穩(wěn)定的，當(dāng)某個(gè)部位的液體質(zhì)點(diǎn)在某瞬間受拉時(shí)，該處的壓力迅速降低，體積膨脹；當(dāng)液體的壓力下降到該溫度下的汽化壓力以下時(shí)，蒸汽和溶解在液體中的氣體就會(huì)從液體中大量逸出，形成許多蒸汽與氣體混合的小氣泡。在某一瞬間該質(zhì)點(diǎn)受壓，氣泡破裂，液體質(zhì)點(diǎn)將以極高的速度連續(xù)不斷地撞擊泵體內(nèi)的金屬表面，金屬因疲勞而破壞，產(chǎn)生剝蝕。其中，流體中的一些氧等活潑氣體，借助氣泡凝結(jié)時(shí)放出的熱量，對噴射泵內(nèi)流道表面起化學(xué)腐蝕作用。

對于同一臺(tái)噴射泵，在其他條件均不變的情況下，噴射泵進(jìn)口工作壓力越高，噴嘴出口流速越大，氣蝕現(xiàn)象在性能曲線上就發(fā)生得越早，氣蝕流量比就越小。也就是說，進(jìn)口工作壓力越大，噴射泵抗氣蝕能力越差[3]。

此外，孫殿雨等的研究表明[4]，在其他條件不變的情況下，可通過調(diào)節(jié)混合液排出壓力，即調(diào)節(jié)噴射泵出口閥門開度，來消除氣蝕現(xiàn)象。當(dāng)逐漸減小混合液出口閥門開度時(shí)，混合液通過管線的阻力增大，從而使流量減小，工作水在噴嘴噴出時(shí)的速度下降，喉管內(nèi)的壓力增大，泵內(nèi)液體的汽化減輕。但排出壓力不能調(diào)整得過大，否則在噴射泵吸入口處可能產(chǎn)生混合液倒流。

因此，避免噴射泵氣蝕現(xiàn)象的措施如下：首先，噴射泵工作流體的壓力應(yīng)調(diào)節(jié)在合適范圍內(nèi)；其次，注意調(diào)節(jié)噴射泵出口閥門開度。

3 結(jié)語

綜上所述，本文探討了水力噴射泵在61 m自升式鉆井船上的應(yīng)用及效果，水力噴射泵獨(dú)特的優(yōu)勢成為自升式鉆井船的重要選泵來源。希望本文對鉆井船建造交驗(yàn)和常規(guī)運(yùn)行以及對海洋石油平臺(tái)推廣應(yīng)用噴射泵有一定的借鑒作用。

[1] 趙淑蘭，孟坤六，張正泉，等．影響噴射泵工作性能的單因素分析[J]．西南石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，18（2）：87-94．

[2] 胡湘韓，闞瑞清．噴射泵技術(shù)及其應(yīng)用[M]．哈爾濱：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1990．

[3] 李福天．液態(tài)噴射泵吸上高度對其性能的影響[J]．機(jī)電設(shè)備，1997,19（1）：60-63．

[4] 孫殿雨，顏廷俊，陳如恒，等．噴射泵氣蝕現(xiàn)象試驗(yàn)分析[J]．石油機(jī)械，1997，25（8）：20-22．

Application of Hydraulic Jet Pump in Self-elevating Drilling Unit

Leng Taotian Zhang Xianzhen Zeng Wenyang Zhang Xiao

The application and practice of hydraulic jet pump in self-elevating drilling unit was discussed in this paper.The characteristic,efficiency and cavitation of hydraulic jet pump were analyzed in detail.

Jet pump;Cavitation;Drilling unit;Application

TQ 051.21

*冷濤田，男，1983年生，碩士，助理工程師。天津市，300452。

2011-09-20）