船用應(yīng)急消防泵的布置

張 航，劉冠華

（滬東中華造船 (集團(tuán))有限公司，上海200129）

船用應(yīng)急消防泵的布置

張 航，劉冠華

（滬東中華造船 (集團(tuán))有限公司，上海200129）

船舶應(yīng)急消防泵是重要的船舶安全系統(tǒng)部件，其汽蝕問題嚴(yán)重威脅著船用泵的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。作為船舶設(shè)計(jì)或施工人員，應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)，使船舶上的消防系統(tǒng)安全穩(wěn)固運(yùn)行。因此，通過分析水泵汽蝕的產(chǎn)生原理及列舉汽蝕余量的計(jì)算方法，結(jié)合船用泵使用時所面臨的復(fù)雜海況，通過已知條件去確定合理的應(yīng)急消防泵的布置。

應(yīng)急消防泵；汽蝕余量；安裝布置

Abstract:Marine emergency fire pump is an important part of marine security system.The safe operation of marine pumps is seriously threatened by cavitation problems.As a ship design or construction personnel,we should make full use of existing conditions,optimize the design,so that the fire system on the ship can operate safely and stably.Therefore,by analyzing the generation principle of water pump cavitation,listing the calculation method of the cavitation margin,and combining with the complex sea conditions faced by the use of marine pumps,the reasonable arrangement of the emergency fire pump should be determined through the known conditions.

Key words:emergency fire pump;cavitation margin;arrangement

在確定管系設(shè)計(jì)中某一個泵的布置時，往往會看到泵的圖紙材料中的SUCTION PRESSURE，NPSHr等相關(guān)參數(shù)。那這些參數(shù)的意義，如何將其利用到設(shè)計(jì)過程中；船用泵使用情況復(fù)雜，海平面波濤洶涌，船舶航行顛簸沉浮，是否會對泵的使用產(chǎn)生影響；選用的泵該放置在什么樣的高度位置，才能保證泵的吸水狀態(tài)，且又不發(fā)生汽蝕。針對上述問題，本文將做一些探討。

1 汽蝕現(xiàn)象與船用泵面臨的狀況

液體在泵內(nèi)流動時，壓力是不斷發(fā)生變化的。在泵的某些局部區(qū)域，壓力可能降低到或低于液體溫度相應(yīng)的汽化壓力，部分液體則發(fā)生汽化。溶解在液體中的氣體也可能逸出，形成氣泡。如果氣泡破裂在流道附近，就會在流道表面形成高強(qiáng)度的沖蝕，沖蝕形成的水擊壓力可高達(dá)107Pa甚至108Pa以上，頻率可達(dá)每秒幾萬次。尤其當(dāng)其發(fā)生在葉輪表面時，眾多的液體質(zhì)點(diǎn)如細(xì)小的高頻水錘撞擊著葉片，在這種壓力的沖擊作用下，產(chǎn)生疲勞、點(diǎn)蝕，甚至形成嚴(yán)重的蜂窩狀空洞。此外，液體中的活潑氣體借助于氣泡凝結(jié)時放出的熱量，對金屬產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。這種氣泡的形成、發(fā)展和破裂，以及材料受到破壞的全過程稱為汽蝕現(xiàn)象。汽蝕不但使材料受到破壞，而且使泵的震動和噪音加劇，泵的流量、壓頭和效率明顯下降，甚至發(fā)生斷流的現(xiàn)象。在船舶管系中，尤其在消防系統(tǒng)中，泵的汽蝕對于整船安全運(yùn)行是一個很大的不利因素，要絕對杜絕此情況的發(fā)生。

圖1 泵內(nèi)介質(zhì)流動壓力變化

圖1為泵內(nèi)介質(zhì)流動壓力變化情況，當(dāng)泵中介質(zhì)流動到泵內(nèi)部的C點(diǎn)時，其壓力值最小，如果此時壓力小到飽和蒸汽壓力即會發(fā)生汽蝕現(xiàn)象。本文旨在探討在船用泵安裝時，利用現(xiàn)有條件，綜合規(guī)范要求，用合理的設(shè)計(jì)安裝來給泵足夠的余量，從而避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生，并對船廠設(shè)計(jì)及施工提供指導(dǎo)意義。

2 利用允許吸上真空高度來避免汽蝕

大部分泵的出廠資料會給出允許吸上高度或允許吸上真空度 (Hs')，即SUCTION PRESSURE。Hs'與泵的結(jié)構(gòu)、流量、被輸送液體的物理性質(zhì)及當(dāng)?shù)卮髿鈮旱纫蛩赜嘘P(guān)。通常由泵的制造工廠試驗(yàn)測定，實(shí)驗(yàn)在大氣壓為10mH2O下，以20℃清水為介質(zhì)進(jìn)行的。其定義為泵在額定工況下保證不發(fā)生汽蝕時泵進(jìn)口處能達(dá)到的最大吸入真空度，其公式為Hs'=Pa-P1/ρg。其中Hs'值越大，表示該泵在一定操作條件下抗汽蝕性能越好。以此為基礎(chǔ)，來確定泵所能安裝的位置情況，即允許安裝高度。允許安裝高度指泵的吸入口與儲液槽液面間可允許達(dá)到的最大垂直距離，以Hg來表示。圖2為水泵安裝簡要示意圖。

圖2 水泵安裝簡要示意圖

水槽面0-0與泵入口處1-1截面間可通過伯努利方程得出如下公式：

Hg=(P0-P1)/ρg-u12/2g-Σhw

一般來講，水槽與大氣是相通的，所以P0=Pa（Pa為大氣壓強(qiáng)）可得到下式：

Hg=(Pa-P1)/ρg-u12/2g-Σhw

將允許吸上真空度Hs'帶入上式，可得允許吸上高度：

Hg=Hs'-u12/2g-Σhw

式中：Hg——幾何安裝高度；

P0——水槽液面壓力；

P1——泵吸口處壓力；

u1——泵吸口處流速；

Σhw——吸入管流動損失。

上述公式可以判斷船用離心泵安裝時的具體高度（泵距離水線的高度Hg）是否合理，來確保不產(chǎn)生汽蝕。但是，泵的允許吸上真空高度是隨著泵使用地點(diǎn)的大氣壓、吸入管中的阻力以及輸送液體的性質(zhì)和溫度的不同而變化的。其在使用中不太方便，在船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)建造作為輔助方法，一般并不做針對計(jì)算。所以，在泵的使用中，便引入了一個參數(shù)，稱為汽蝕余量，英文縮寫NPSH。汽蝕余量分為有效汽蝕余量HPSHa和必需汽蝕余量NPSHr。相關(guān)船級社等部門也以NPSH為基礎(chǔ)出具并改善各種規(guī)范要求，來考據(jù)船舶設(shè)計(jì)的可靠性。

3 利用汽蝕余量（NPSH）計(jì)算法避免汽蝕

3.1 NPSHa和NPSHr

各船級社重點(diǎn)對應(yīng)急消防泵汽蝕余量的設(shè)置提出了要求，具體如表1所示。

表1 各船級社汽蝕余量要求比照表

離心泵是否發(fā)生汽蝕受到泵本身和吸入裝置2個方面的影響，具體表現(xiàn)就是NPSHa（吸入裝置） 和NPSHr（泵本身） 的關(guān)系。其中NPSHr數(shù)值由離心泵廠家提供在設(shè)備資料上，其表示泵若不想發(fā)生汽蝕，要求在泵進(jìn)口處的液體具有超過汽化壓力水頭的富裕能量，即保證圖1中的C點(diǎn)附近的壓力高于液體溫度對應(yīng)的汽化壓力。因此，液體在C點(diǎn)之前的泵的入口處需要保留一定的能量余量，用來抵消泵內(nèi)部運(yùn)行對液體壓力的進(jìn)一步降低，即必需汽蝕余量NPSHr，此為每臺泵自身的特點(diǎn)。對于同一臺泵來說，NPSHr越小則需要給予富裕能量值就越小，其本身抗汽蝕性能也就越好。由于NPSHr的數(shù)值由離心泵廠商經(jīng)過試驗(yàn)測試等方式得出，標(biāo)于樣本材料中，故對于船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，此參數(shù)為船用泵的固有參數(shù)，并無條件去改變。

而NPSHa表示泵進(jìn)口處液體具有的全部水頭減去汽化壓力水頭凈剩的值，其對于管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，更有意義。具體公式如下：

NPSHa=P0/γ-Hg-Pv/γ-Σhw

式中：P0——吸水液面的壓力；

Pv——與液體溫度相對應(yīng)的飽和蒸汽壓力；

γ——輸送液體重度；

Hg——液面到泵葉輪中心的高度；

Σhw——吸入管路流動損失。

從上式可知，NPSHa與吸水液面壓力P0、液體飽和蒸汽壓力Pv、吸入管路流動損失和幾何安裝高度Hg有關(guān)，與泵本身并無關(guān)系。

綜上可知，泵進(jìn)口處的富裕能量NPSHa只要大于或者等于泵的預(yù)留余量NPSHr，就不會產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。因此，可以通過控制泵的安裝高度（Hg）及管路流動損失（Σhw），來達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

另外，因?yàn)橄辣玫脑O(shè)置關(guān)系到全船的安全，尤其應(yīng)急消防泵經(jīng)常布置在船艏或者船艉這些遠(yuǎn)離雙層底的位置，相對較高的位置使得幾何安裝高度Hg增大進(jìn)而導(dǎo)致HPSHa減小，增大了汽蝕發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，在此需要設(shè)計(jì)人員特別注意。

3.2 吃水線的確定

上述計(jì)算中Hg很重要，但要想確定其數(shù)值，就必須先行確定船舶的吃水線。但因?yàn)榇暗倪\(yùn)行環(huán)境很不穩(wěn)定，存在各種搖擺及傾斜狀態(tài)，因此吸水水位就不能像陸基泵那樣，選定簡單的某一水平面。因此，針對水線的確定，MSC也已經(jīng)給出了相關(guān)準(zhǔn)則，即MSC.1/Circular.1388通函的有關(guān)規(guī)定。并據(jù)此制作具體船型的縱搖及升沉實(shí)船對應(yīng)圖，同時進(jìn)一步列出其要求的幾種吃水線和船舶狀態(tài)，作為模擬船舶航行的各種狀態(tài)，并以之為基礎(chǔ)進(jìn)行核算。

狀態(tài)一：考慮縱搖并海面升沉，船舶縱搖及海面升沉狀態(tài)參數(shù)如表2所示。

表2 船舶縱搖及海面升沉參數(shù)表

圖3為縱搖結(jié)合升沉的實(shí)船吃水線示意圖，其與消防泵吸入管的交點(diǎn)A點(diǎn)即是此種情況下的吃水線高度。

圖3 縱搖及升沉實(shí)船對應(yīng)圖

狀態(tài)二：考慮橫搖并升沉的狀態(tài)（有龍骨船舶φ角度11°），如圖4所示。

狀態(tài)三：船平浮水線螺旋槳浸沒2/3狀態(tài)，如圖4所示。

狀態(tài)四：船輕載到港（無貨物，但有10%燃油和其他消耗品以及保持船舶的最小壓載要求時的狀態(tài)），如圖4所示。

圖4 各種工況狀態(tài)下的吃水線軸向視圖

可見，在圖4中的A點(diǎn)也即圖3中的A點(diǎn)。在4種模擬狀態(tài)中，狀態(tài)二（考慮橫搖并升沉，有11°） 最為嚴(yán)峻，水線最低。因此取此C點(diǎn)位置作為計(jì)算的水線點(diǎn)，通過模擬泵的安裝高度和管路走向，計(jì)算出液面距葉輪高度Hg和管路沿程損失。

至此，利用上文所介紹的2種避免氣蝕的計(jì)算法開始校核泵及管系的布置情況。以NPSH法為例，通過計(jì)算公式得到NPSHa的值，有了這個數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，就可以來核算當(dāng)前最嚴(yán)苛吃水狀態(tài)下的NPSHa與NPSHr是否足夠滿足要求。如果核算結(jié)果使得NPSHa＞（NPSHr+1 m）（即ABS，GL等船級社的要求） 成立，則說明設(shè)計(jì)的應(yīng)急消防泵布置位置及管路設(shè)計(jì)情況已經(jīng)滿足要求，不會產(chǎn)生葉輪汽蝕現(xiàn)象，滿足了船級社的規(guī)范要求；如果不能滿足條件，則說明泵的布置安裝高度過高，或者管路設(shè)計(jì)阻力太大，就必須做出調(diào)整直至滿足條件。

船舶消防泵是很重要的船舶安全系統(tǒng)部件，汽蝕問題又嚴(yán)重威脅著船用泵的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。作為船舶設(shè)計(jì)或施工人員，應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)，使船舶上的消防系統(tǒng)安全穩(wěn)固運(yùn)行。

[1]張靖.改善離心泵汽蝕性能措施及進(jìn)展[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2007(35):109.

[2]李艷.離心泵的氣蝕、氣縛現(xiàn)象與振動[J].青海石油,2011(2):103-105.

[3]李一存.柴油機(jī)水泵穴蝕的原因及改進(jìn)措施[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2011(3):10-12+31.

[4]馬瑛.屏蔽電泵故障分析與改進(jìn)[J].石油和化工設(shè)備,2006(5):36-38+47.

［責(zé)任編輯：劉 月］

Arrangement of Marine Emergency Fire Pump

ZHANG Hang，LIU Guanhua
(Hudong-Zhonghua Shipbuilding(Group)Co.,Ltd,Shanghai 200129,China)

U664.88

A

2095-5928（2017）04-21-04

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2017.04.006

2017-05-10

張航（1985-），男，遼寧朝陽人，工程師，學(xué)士，研究方向：輪機(jī)工程與船舶動力裝置。

劉冠華（1984-），男，山西陽泉人，工程師，學(xué)士，研究方向：船舶工程技術(shù)與船舶輔機(jī)。