某船低溫淡水冷卻系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定原因分析

劉清江，劉永歆，孫鵬然，王家支

(大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連 116005)

1 故障現(xiàn)象

某船在低溫淡水膨脹水箱重新被注入淡水，啟動(dòng)淡水泵運(yùn)行一段時(shí)間后，水泵的吸口壓力保持在正常范圍之內(nèi)但出現(xiàn)壓力波動(dòng)現(xiàn)象，出口壓力出現(xiàn)較大的波動(dòng)并持續(xù)偏低，從而導(dǎo)致系統(tǒng)到其他設(shè)備的進(jìn)口壓力明顯偏低，冷卻效果不好。低溫淡水系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，受其冷卻的設(shè)備和系統(tǒng)溫度異常，出現(xiàn)溫度高報(bào)警，并且整體系統(tǒng)壓力波動(dòng)極其不穩(wěn)定，事件經(jīng)過(guò)如下。

該船因低溫淡水系統(tǒng)涉及管路修改，必須把系統(tǒng)中的淡水全部放掉，當(dāng)管路修改結(jié)束后重新往系統(tǒng)中的低溫淡水膨脹水箱加注淡水，加注完畢后啟動(dòng)1臺(tái)低溫淡水泵并運(yùn)行一段時(shí)間，低溫淡水泵的出口壓力基本維持在0.4 MPa左右，壓力值可以視為正常。然而在運(yùn)行發(fā)電機(jī)等一些相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)后，低溫淡水管線的壓力開(kāi)始逐漸下降至0.32 MPa，甚至最低至0.27 MPa，一段時(shí)間后又可能回到0.38 MPa，同時(shí)該運(yùn)行的泵出現(xiàn)輕微的噪聲和振動(dòng)，相關(guān)需要冷卻的設(shè)備和系統(tǒng)出現(xiàn)高溫報(bào)警現(xiàn)象。工作人員認(rèn)為是泵啟動(dòng)的數(shù)量不足以滿足冷卻的需求，于是啟動(dòng)了2臺(tái)低溫淡水泵，泵的出口壓力有所回升，上升至0.35 MPa左右，仍然沒(méi)有達(dá)到低溫淡水泵出口壓力要求。同時(shí)發(fā)現(xiàn)2臺(tái)低溫淡水泵在運(yùn)行時(shí)都有輕微的噪聲和振動(dòng)，相關(guān)需要冷卻的設(shè)備和系統(tǒng)出現(xiàn)高溫報(bào)警。通過(guò)采取各種常規(guī)的處理措施之后，分析現(xiàn)場(chǎng)的異?，F(xiàn)象，并結(jié)合低溫淡水系統(tǒng)的自動(dòng)溫度控制設(shè)計(jì)原理判斷，基本上可以斷定是離心泵本身故障導(dǎo)致或在泵的吸口管線里有“氣阻”出現(xiàn)。

2 低溫淡水冷卻系統(tǒng)介紹

該船的低溫淡水冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。設(shè)有3臺(tái)發(fā)電機(jī)和3臺(tái)低溫淡水泵，根據(jù)船舶低溫系統(tǒng)熱平衡計(jì)算低溫淡水泵能夠保證該型船的全部輔機(jī)設(shè)備能得到充分的冷卻［1］;其中3臺(tái)低溫淡水泵中，2臺(tái)完全可以滿足機(jī)艙全負(fù)荷營(yíng)運(yùn)時(shí)淡水需求，剩余1臺(tái)作為備用。正常工作時(shí)，高于低溫淡水泵吸口約20 m高度的低溫淡水膨脹水箱注滿水以滿足日常的冷卻淡水的需求，同時(shí)膨脹水箱還具有添加淡水處理藥劑和日常淡水的補(bǔ)水作用。三通溫控閥的閥芯角度變化和低溫淡水中央冷卻器的熱交換功能確保了系統(tǒng)淡水在一定溫度范圍內(nèi)的恒溫。低溫淡水泵從三通閥的出口吸入，淡水經(jīng)過(guò)中央冷卻器處理后用于其他用戶的低溫淡水冷卻，而發(fā)電機(jī)則是由自帶的淡水泵從三通閥的出口吸入經(jīng)過(guò)中央冷卻器處理后淡水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，冷卻后的回水重新回到主管中形成一個(gè)閉式循環(huán)。

圖1 低溫淡水冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

該船低溫淡水系統(tǒng)設(shè)備主要參數(shù)為:低溫淡水膨脹水箱，2.5 m3，距離低溫淡水泵的入口20 m;低溫淡水泵，525 m3/h×0.25 MPa，3臺(tái)，離心泵;低溫淡水泵電機(jī)，額定輸出功率55 kW，額定電流88 A;三通溫控閥，設(shè)定溫度為36℃。

3 壓力不穩(wěn)定原因分析

結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)和離心泵的常見(jiàn)故障［2－3］，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間觀察泵出口的壓力以及溫度變化，并拆檢了部分低溫淡水管路，出現(xiàn)泵出口壓力不穩(wěn)定現(xiàn)象可能由以下4個(gè)原因造成:①泵的自身問(wèn)題。主要包括裝配不當(dāng)，外殼磨損環(huán)磨損，葉輪磨損，葉輪障礙等;②泵的轉(zhuǎn)速太低;③泵的外部條件變化。包括吸口管線堵塞，進(jìn)出口壓力表指針不準(zhǔn)確等;④泵的吸入管線存在“氣阻”。

3.1 泵的自身問(wèn)題

根據(jù)對(duì)出現(xiàn)噪聲和振動(dòng)的淡水泵進(jìn)行拆檢和對(duì)船體結(jié)構(gòu)細(xì)致的測(cè)量，分析可得該泵的裝配是沒(méi)有問(wèn)題的，泵所在區(qū)域船體結(jié)構(gòu)振動(dòng)情況較好，同時(shí)也未發(fā)現(xiàn)泵外殼磨損環(huán)磨損，葉輪磨損，葉輪障礙的現(xiàn)象，故泵的自身問(wèn)題可以排除。

3.2 泵的轉(zhuǎn)速太低

在泵的運(yùn)行過(guò)程中，我們觀察到運(yùn)行電流在60 A左右波動(dòng)，遠(yuǎn)低于額定電流88 A，泵的轉(zhuǎn)速有所降低。通過(guò)測(cè)量電機(jī)的輸入電壓發(fā)現(xiàn)電壓值并沒(méi)有改變，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速nf理應(yīng)不會(huì)降低。然而根據(jù)泵軸功率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比Pe∝n3f分析可得電流的降低是由于泵的輸出功率降低了，從而導(dǎo)致了電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低。故電機(jī)的轉(zhuǎn)速太低的原因也可以排除［4］。

3.3 泵的外部條件變化

泵的外部條件影響主要是指進(jìn)出口壓力表的指針不準(zhǔn)確以及吸口管線的堵塞。壓力表被拆下后送實(shí)驗(yàn)室校核后證實(shí)這幾塊壓力表都是沒(méi)有問(wèn)題的。通過(guò)拆檢大部分的吸口管線也沒(méi)發(fā)現(xiàn)有任何異物存在于管線之中，并且在泵的啟動(dòng)初期，吸口的管線壓力還是正常的，由此判斷管線吸口堵塞也是不可能的。

3.4 泵的吸入管線存在“氣阻”

1)系統(tǒng)中空氣的產(chǎn)生。該船發(fā)電機(jī)認(rèn)可資料圖紙中提到“管系檢修后，離心泵軸封可能泄漏，系統(tǒng)中比如發(fā)電機(jī)和水冷式壓縮機(jī)中的高溫水和低溫水的循環(huán)都有可能在系統(tǒng)中產(chǎn)生氣體”。

2)系統(tǒng)中“氣阻”的形成。在該系統(tǒng)管系修改重新注水時(shí)，施工人員也注意到了系統(tǒng)中可能存在空氣的現(xiàn)象。給低溫膨脹水箱注水的同時(shí)，反復(fù)開(kāi)啟低溫淡水泵，在系統(tǒng)的最高處進(jìn)行了排氣的操作。采取逐段管線拆檢的方式進(jìn)行查驗(yàn)和放氣(同時(shí)也查驗(yàn)管系的堵塞)，最終在拆檢到機(jī)艙二平臺(tái)下一處直行直徑114管轉(zhuǎn)下行至泵吸口的直角彎管處，發(fā)現(xiàn)噴出大量的氣體。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果船舶處于水平狀態(tài)，淡水在圖2所示直角拐彎處是很難積聚起來(lái)形成“氣阻”的，但是，恰恰該船在重新往低溫淡水膨脹水箱加注淡水的時(shí)期，船舶的壓載吃水處于前高后墜的艉傾狀態(tài)，當(dāng)管系維修后，泵以及發(fā)動(dòng)機(jī)等輔助設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣體就會(huì)在這個(gè)直角彎處聚集而無(wú)法隨水流全部排出，又鑒于直角彎處本身的形狀以及船舶在漂浮狀態(tài)不穩(wěn)定搖動(dòng)，“氣阻”也就不會(huì)無(wú)限擴(kuò)大導(dǎo)致管系斷流，“氣阻”僅僅維持在一定大小范圍之內(nèi)。這樣也就導(dǎo)致了泵的吸口管線的水量忽大忽小，也就不難理解系統(tǒng)壓力的不穩(wěn)定了?！皻庾琛毙纬稍硪?jiàn)示意圖2。

圖2 “氣阻”形成示意圖

4 解決措施及預(yù)防

根據(jù)上述原因分析，本船的低溫淡水壓力不穩(wěn)定主要是由兩方面造成的。一方面為船舶低溫淡水系統(tǒng)的管線修改以及系統(tǒng)中的輔助設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)自身會(huì)產(chǎn)生空氣，另一方面是船舶艉傾壓載狀態(tài)時(shí)泵吸口管系直角彎處形成的“氣阻”。為避免類似情況的發(fā)生，可以采取以下預(yù)防措施。

1)低溫淡水系統(tǒng)管線修改后，重新注加淡水的同時(shí)啟動(dòng)淡水泵，利用系統(tǒng)中各設(shè)備放氣閥逐漸排氣。

2)鑒于系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中有空氣產(chǎn)生，在圖1的云線標(biāo)記處設(shè)計(jì)1個(gè)除氣箱。

3)系統(tǒng)高處管路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量避免垂直直角彎，而是采用大角度彎或斜直設(shè)計(jì)。若管線有垂直直角彎，可以在直角彎處設(shè)計(jì)1個(gè)放氣閥，該船的處理措施正是采用了增加放氣閥的方法。

［1］中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司等.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè):輪機(jī)分冊(cè)［M］.3版.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

［2］任福安，王名涌.輪機(jī)工程基礎(chǔ) (上冊(cè))［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，2008.

［3］童大鵬，田野，任榮社.船用離心泵典型故障及排除［J］.中國(guó)修船，2013，26(5):48－50.

［4］關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵技術(shù)手冊(cè) ［M］.北京:宇航出版社，1995.