40萬t智能礦砂船用錨絞機(jī)泵組冷卻水箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)

許扣喜， 陳 江， 劉 迎, 秦國文， 丁永強(qiáng)， 韓 斌， 顧天飛

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200120)

0 引 言

第二代40萬t超大型智能礦砂船已建造完工并順利交付，該船總長(zhǎng)361.9 m、型寬65 m、型深30.4 m，是國內(nèi)先進(jìn)、世界領(lǐng)先的船舶產(chǎn)品。相對(duì)于第一代超大型礦砂船，綜合性能得到了大幅提高，節(jié)能效率達(dá)30%，具有經(jīng)濟(jì)、綠色、環(huán)保、節(jié)能、安全等特點(diǎn)，其主甲板相當(dāng)于3個(gè)足球場(chǎng)的面積，建造要求高，對(duì)錨絞機(jī)的安裝使用[1]提出更嚴(yán)格的要求。

文獻(xiàn)[2]主要說明了各類船用錨絞機(jī)的使用工況，對(duì)于礦砂船錨絞機(jī)的設(shè)計(jì)使用有一定的參考意義；文獻(xiàn)[3]對(duì)錨絞機(jī)的齒輪減速器的箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，并在保證安全可靠的條件下，以減輕質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)減速器箱體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可作為錨絞機(jī)減速器選型的參考依據(jù)；文獻(xiàn)[4]對(duì)液壓錨絞機(jī)的墻架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，對(duì)墻架的板厚進(jìn)行優(yōu)化，使得錨絞機(jī)的墻架結(jié)構(gòu)更加合理可靠；文獻(xiàn)[5]對(duì)錨絞機(jī)基座與甲板上的反頂加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，隨后對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，可用于指導(dǎo)錨絞機(jī)基座的設(shè)計(jì)和甲板上起支撐作用的反頂加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[6]采用兩種加載方式對(duì)某浮吊錨絞機(jī)基座及相關(guān)船體結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算,并對(duì)比分析這兩種方法所得的應(yīng)力結(jié)果。

1 錨絞機(jī)泵組臨時(shí)冷卻水箱制作的必要性

錨絞機(jī)是必不可少的船舶機(jī)械，安裝在船舶的甲板上，主要完成起錨、系泊和帶纜等作業(yè)。對(duì)于船廠來說，錨絞機(jī)一般是根據(jù)船型的需要在錨絞機(jī)廠家訂制的，船廠負(fù)責(zé)錨絞機(jī)的定位安裝、安裝后主軸的精度調(diào)整以及錨絞機(jī)使用前的投油工藝等[7]。工作內(nèi)容包括錨絞機(jī)基座的定位焊接、止推塊的加工拂磨、錨絞機(jī)的定位吊裝、水平對(duì)中調(diào)整、環(huán)氧澆注、液壓管校制、錨絞機(jī)液壓管的投油、電控箱的安裝和帶纜拉力試驗(yàn)等步驟[8-9]。錨絞機(jī)通常在船塢內(nèi)分段搭載后安裝，在施工周期較短的情況下，由于船塢周期的限制會(huì)將錨絞機(jī)的安裝定位工作提前至分段搭載前的平臺(tái)總組階段進(jìn)行，錨絞機(jī)安裝工序提前有利于縮短船舶在船塢內(nèi)的建造周期。

船舶在出塢期間及碼頭系泊的初期階段，在船塢內(nèi)需要使用錨絞機(jī)進(jìn)行的主要工作有：船塢內(nèi)錨鏈總根的掛接及錨鏈的全部收起；出塢下水前的帶纜、錨鏈摯鏈器的定位安裝工作；船舶在碼頭系泊期間需要根據(jù)江水潮汐的變化情況不斷調(diào)整船只狀態(tài)[10]。上述施工過程需要錨絞機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作，而此時(shí)錨絞機(jī)泵組冷卻水供給受2個(gè)工況的限制：一是分段上管系的安裝不完整，通水管路不能完全打通而處于正常工作的狀態(tài)；二是船舶機(jī)艙設(shè)備在調(diào)試過程中也不能完全達(dá)到系統(tǒng)正常使用的完整狀態(tài)。

由于上述條件的限制，錨絞機(jī)在使用時(shí)其泵組無法得到正常的冷卻水供給，在實(shí)船建造過程中錨絞機(jī)泵組在沒有冷卻措施的條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)易出現(xiàn)3種問題：(1)在無冷卻措施的條件下持續(xù)工作導(dǎo)致泵組內(nèi)油溫升高，在一定情況下極易產(chǎn)生大量的冷凝水，加大了液壓油乳化的發(fā)生概率。(2)液壓油長(zhǎng)時(shí)間高溫會(huì)直接導(dǎo)致油的黏度稀釋。(3)當(dāng)液壓油的溫度達(dá)到或接近75 ℃時(shí)，會(huì)觸發(fā)錨絞機(jī)泵組的報(bào)警系統(tǒng)引起報(bào)警停泵。上述問題影響了錨絞機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使得船塢內(nèi)的部分施工工作無法正常開展。

此時(shí)須對(duì)錨絞機(jī)泵組增加冷卻措施，制作1套臨時(shí)供水系統(tǒng)：錨絞機(jī)外置臨時(shí)冷卻循環(huán)水箱，可對(duì)錨絞機(jī)泵組內(nèi)的液壓油進(jìn)行冷卻，從而保證錨絞機(jī)泵組的正常工作，解決錨絞機(jī)泵組在無冷卻條件下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)的問題。

2 錨絞機(jī)泵組臨時(shí)冷卻水箱的結(jié)構(gòu)

錨絞機(jī)泵組冷卻水箱的原理如圖1所示， 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的實(shí)物圖如圖2所示。

圖1 錨絞機(jī)泵組冷卻水箱原理圖

在錨絞機(jī)泵組冷卻水箱結(jié)構(gòu)組成方面，水箱的箱體由10 mm的鋼板焊接而成，內(nèi)置1塊犧牲陽極用于減緩鋼制水箱箱體的腐蝕，一般采用鋅塊作為犧牲陽極。水箱外部安裝220 V、2.2 kW的可逆式電機(jī)水泵1臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)安裝圖如圖3所示。電機(jī)主要用來為冷卻水箱的冷卻水提供循環(huán)動(dòng)力，電機(jī)水泵安裝固定在用角鐵焊接成的電機(jī)基座上，電機(jī)水泵上安裝相應(yīng)的吸水管路與出水管路，吸水管路用于吸收水箱中的冷卻水，在使用過程中需控制冷卻水箱內(nèi)的水位，使得吸水管的下端始終低于水箱內(nèi)的水位，避免電機(jī)空轉(zhuǎn)造成損壞。出水管路與錨絞機(jī)泵組相連，循環(huán)冷卻液壓油，另外在水箱的下部開1個(gè)泄放孔并安裝泄放塞，用來控制水箱內(nèi)的水位以及后續(xù)水箱內(nèi)壁清洗排水。冷卻水箱上安裝1個(gè)控制箱，控制箱是電動(dòng)抽水電機(jī)的接電箱。

圖3 可逆式電機(jī)水泵安裝圖

臨時(shí)冷卻水箱的工作原理：冷卻水箱內(nèi)的水通過水泵吸至錨絞機(jī)泵組內(nèi)，由于冷卻水與液壓油的溫差，液壓油放熱降溫冷卻水吸熱升溫，冷卻水循環(huán)至冷卻水箱中與原有水融合冷卻，而后再被抽出供給泵組進(jìn)行循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵組的持續(xù)冷卻工作。冷卻水箱的制作和使用使得錨絞機(jī)泵組在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中有一個(gè)充分降溫的過程，從而達(dá)到泵組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)溫度的要求。

由于錨絞機(jī)泵組臨時(shí)冷卻水箱是在實(shí)船建造的船塢、碼頭初期階段運(yùn)用的，通常將錨絞機(jī)泵組的臨時(shí)冷卻水箱整體吊裝至甲板上進(jìn)行使用，因此在冷卻水箱上安裝4個(gè)用于吊裝的吊環(huán)。水箱另一側(cè)安裝腳手踏步梯，腳手踏步梯焊接在冷卻水箱的箱體上，工作人員可以爬上腳手架觀察水箱內(nèi)的水位，也方便后續(xù)冷卻水箱的清洗排水。

冷卻水箱在使用過程中在很大程度上緩解了液壓油的乳化，連接法蘭的泄漏問題也得到明顯改善。但是，在一定的工作環(huán)境下易出現(xiàn)一些問題，在夏天天氣炎熱的工況下，冷卻水箱的箱體在暴曬下溫度可達(dá)45 ℃，冷卻水在錨絞機(jī)泵組內(nèi)循環(huán)冷卻過程中溫度也在逐漸升高，當(dāng)冷卻水的溫度達(dá)到或接近75 ℃時(shí)，其溫度接近錨絞機(jī)泵組內(nèi)液壓油的溫度，此時(shí)冷卻水循環(huán)起不到對(duì)錨絞機(jī)泵組內(nèi)液壓油的冷卻作用，冷卻效果消失，并伴有報(bào)警停泵現(xiàn)象而達(dá)不到冷卻功效，同時(shí)在高溫下，液壓油的乳化現(xiàn)象與法蘭處的O型圈爆裂損毀問題加重。

針對(duì)錨絞機(jī)泵組液壓油冷卻水箱存在的問題，對(duì)原有冷卻水箱的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)的目的是解決高溫下錨絞機(jī)泵組液壓油冷卻效果不佳的問題。改進(jìn)的方法是增加1套散熱裝置散發(fā)循環(huán)水的熱量，使得循環(huán)冷卻水與錨絞機(jī)泵組內(nèi)的液壓油達(dá)到一定溫差，能夠在外界溫度較高的情況下，達(dá)到對(duì)液壓油的冷卻效果。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析現(xiàn)有的工作條件和施工工況，以及現(xiàn)場(chǎng)可提供的資源，提出解決該問題的具體改進(jìn)方向，主要采用如下兩項(xiàng)措施：一是通過增加冷卻水內(nèi)的循環(huán)路徑來加大散熱面積，促使冷卻水散熱；二是向冷卻水箱內(nèi)間斷性地通入壓縮空氣或者壓縮氮?dú)?，通過氣體的吹散來吹出冷卻水的熱量，降低冷卻水的溫度。

3 錨絞機(jī)泵組冷卻水箱的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

綜合上文內(nèi)容提出錨絞機(jī)泵組冷卻水箱的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，改進(jìn)后的冷卻水箱結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。在錨絞機(jī)泵組冷卻水箱的箱體內(nèi)增加3道擋板，3道擋板的高度依次降低：當(dāng)冷卻水在錨絞機(jī)泵組內(nèi)循環(huán)1周后通過注水管注入冷卻水箱內(nèi)，水箱的第1道水密擋板內(nèi)的水位上升，當(dāng)水位高于第1道擋板后流入第2道水密擋板限定的空間，此時(shí)第1道擋板內(nèi)的水位變化減緩，第2道擋板內(nèi)的水位上升；當(dāng)超過第2道擋板后冷卻水注入第3道擋板，第2道擋板內(nèi)的水位變化減緩，第3道擋板限定的空間區(qū)域內(nèi)布置可逆式電機(jī)水泵的吸水管路；第3道擋板內(nèi)的冷卻水被電機(jī)吸出后，通過循環(huán)流動(dòng)來冷卻錨絞機(jī)泵組內(nèi)的液壓油，水循環(huán)1周后再次注入冷卻水箱的吸水口，開始與上述過程相同的新一輪循環(huán)。

圖4 錨絞機(jī)泵組冷卻水箱改進(jìn)原理圖

同時(shí)，在3道擋板分成的隔艙區(qū)域內(nèi)通入壓縮空氣或壓縮氮?dú)?，通過壓縮空氣的流動(dòng)帶走熱量來降低冷卻水的溫度，當(dāng)?shù)?道與第2道擋板的隔艙水位變化減緩時(shí)，水箱內(nèi)的冷卻水主要通過通入的壓縮空氣來散熱。

循環(huán)1周的高溫冷卻水在參與下一次循環(huán)前會(huì)經(jīng)過3道隔艙，有效延長(zhǎng)冷卻水的流動(dòng)路徑和時(shí)間，增加散熱面積，延長(zhǎng)散熱時(shí)間，散發(fā)了錨絞機(jī)泵組液壓油冷卻過程中帶出的熱量。通過通入壓縮空氣或氮?dú)馐瓜潴w內(nèi)的水得到充分的翻滾，可增加冷熱水的融合和熱氣的流動(dòng)速度，加速熱量的散發(fā)。

水箱內(nèi)部3道隔艙可為壓縮空氣或壓縮氮?dú)獾臍怏w管路的安裝固定提供支撐。壓縮空氣管路采用鍍鋅無縫鋼管，通過管支架固定在3道隔艙上，同時(shí)在氣體管路上交叉開設(shè)排氣孔，冷卻水循環(huán)工作過程中，壓縮氣體可以直接注入水中，增強(qiáng)壓縮氣體的冷卻效果。在冷卻水箱的外側(cè)焊接1個(gè)半圓形支架，支架上裝有標(biāo)配氮?dú)?瓶同時(shí)配有氮?dú)獾倪B接附件1套，連接附件主要用于空氣管路相接，在沒有壓縮空氣供給的情況下可作為工作用氣來冷卻水箱內(nèi)的冷卻水。在確定3道擋板的安裝位置時(shí)，為了提供足夠的水量保證電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，第3道水密隔艙與冷卻水箱艙壁的距離較遠(yuǎn)。

4 結(jié) 論

在使用效果上，上述錨絞機(jī)泵組冷卻水箱的改進(jìn)結(jié)構(gòu)得到了船舶所有人、船檢認(rèn)可，錨絞機(jī)液壓管的工作壓力約20 MPa，一旦發(fā)生液壓管爆裂將存在較大的安全隱患。同時(shí)，液壓油的泄漏將導(dǎo)致錨絞機(jī)無法正常工作。在船用冷卻系統(tǒng)無法正常使用的情況下，冷卻水箱臨時(shí)替代錨絞機(jī)液壓管冷卻系統(tǒng)，從而保證錨絞機(jī)的正常使用。2018年上半年船只出塢或碼頭移泊過程中發(fā)生過8次液壓管爆裂現(xiàn)象，尤其是在高溫季節(jié)問題尤為突出,錨絞機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不到15 min油溫已達(dá)60 ℃以上，一旦油溫超過80 ℃，容易造成液壓管過熱，即導(dǎo)致密封圈軟化或液壓油乳化等問題。2018年上半年造成直接經(jīng)濟(jì)損失20萬元以上，間接損失100萬元以上。2018年下半年冷卻水箱投入使用后，錨絞機(jī)液壓管整體溫度得到控制，高溫季節(jié)基本保持在50 ℃以下，秋季和冬季基本控制在35 ℃以下。

經(jīng)濟(jì)效益：液壓油損失方面，每次爆裂將會(huì)產(chǎn)生至少一桶油(200 L)的損失，合計(jì)人民幣約4 000元；人工損失方面，首先需要將管路內(nèi)的液壓油抽出，再將爆裂管段進(jìn)行拆除更換密封圈或液壓管，整個(gè)過程將耗費(fèi)大量工時(shí)；影響計(jì)劃方面，如在出塢時(shí)發(fā)生爆裂至少須延期出塢1 d，影響整個(gè)生產(chǎn)過程的計(jì)劃實(shí)施，損失金額達(dá)百萬元以上。

在后續(xù)工作中采用有限元分析軟件對(duì)錨絞機(jī)泵組冷卻水箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析來優(yōu)化水箱的結(jié)構(gòu)，協(xié)助設(shè)計(jì)人員采用合理的鋼板厚度，使得錨絞機(jī)冷卻水箱的板厚既滿足強(qiáng)度要求又能合理地減輕水箱自身的質(zhì)量，通過吊裝應(yīng)力分析合理控制水箱吊裝過程中的變形量。由于錨絞機(jī)冷卻水箱在船塢階段進(jìn)行應(yīng)用，建議在平臺(tái)上將其安裝完畢并調(diào)試完成后使用吊車將其吊入在建船只的甲板上，水箱的質(zhì)量與變形量也需控制在一定的范圍內(nèi)。