塢門壓載水艙排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計分析

張永偉

（海洋石油工程（青島）有限公司， 山東 青島 266520）

浮箱式塢門是造船塢的擋水口門，是造船塢的大型配套設(shè)施，其作用是擋住船塢外的水，在造船塢內(nèi)進(jìn)行造修船舶等作業(yè)。本文以海洋石油工程（青島）有限公司浮箱式塢門為例，對其壓載水艙排水系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析。浮箱式塢門兩端各設(shè)置一個壓載水艙，每個壓載水艙擁有兩個壓載水艙排水系統(tǒng)，在壓載水艙排水系統(tǒng)中，有電動閥、入口管路減振器、排水泵、單向閥、出口管路減振器、啟?？刂坪械仍O(shè)備及元器件。塢門壓載水艙排水系統(tǒng)在投入運行后不久，出現(xiàn)了排水泵及管路震動過大、單向閥及泵體密封處泄漏等問題。

1 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀及分析

1.1 排水泵出口未設(shè)計壓力表

在設(shè)計時，排水系統(tǒng)中排水泵出口未考慮壓力表。為清楚了解出口壓力表對排水泵運行中的作用，對其運行工況進(jìn)行核算分析。

海水在管路內(nèi)作穩(wěn)定流動時，會引起流動過程中三種機(jī)械能，分別為位能、動能、靜壓能的相應(yīng)改變及相互轉(zhuǎn)換，對于理想流體，在系統(tǒng)內(nèi)任一截面處，雖然三種能量不一定相等，但是能量之和是守恒的。而對于實際流體，由于存在內(nèi)摩擦，流體在流動中總有一部分機(jī)械能隨摩擦和碰撞轉(zhuǎn)換為熱能而損耗，設(shè)：壓載水艙液面為輸入面A，排水泵出口為輸出面B，列機(jī)械能核算。

gzA+uA2/2+PA/ρ+ωe=gzB+uB2/2+PB/ρ+∑h?（∑h?=(λ·l/d+ξ)·u2/2=∑ξ·u2/2）；

通過整理可得，PB=P0+ρ[g·(zA-zB)+ωe]-[8ρ∑ξ·/(π2d4)]·Q2

其中，zA、zB分別為壓載水艙液面和排水口高度，d為管路內(nèi)徑，PA=P0為大氣壓，PB為泵出口壓力，ρ為介質(zhì)密度，ωe為泵對單位質(zhì)量流體做的功，∑ξ為總阻力系數(shù)，λ為摩擦系數(shù)，Q為介質(zhì)流量。

P0，ρ[g·(zA-zB)+ωe]，8∑ξ·ρ/(π2d4)均可通過查表并計算得出，因此，排水泵的出口壓力PB與管路中流量的平方Q2具有線性關(guān)系。

圖1 離心泵特性曲線

如圖1離心泵特性曲線可知，泵的工作效率η與管路的流量Q有關(guān)，因此可知，排水泵出口壓力與其工作效率具有一定關(guān)系，排水泵出口壓力表可反映泵的工作狀況，可對泵的運行狀況起到一定的監(jiān)控作用。

泵抽空，是由于泵在啟動前沒有灌泵、進(jìn)如空氣、液體不滿或介質(zhì)大量汽化造成的，表現(xiàn)在性能上是出口壓力很小或趨于零[1]。

汽蝕，是當(dāng)泵入口處壓力低于輸送介質(zhì)的飽和蒸汽壓時，被輸送的介質(zhì)會出現(xiàn)沸騰，生成的蒸汽泡在隨介質(zhì)入口向外圍流動中，又因壓力迅速加大而急劇冷凝，使介質(zhì)以很高的速度從周圍沖向氣泡中心，產(chǎn)生頻率很高、瞬時壓力很大的沖擊。產(chǎn)生汽蝕時，離心泵運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生激烈的水力沖擊，同時液體中微量溶解的氧對金屬產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，一段時間后，可使其表面出現(xiàn)斑痕或裂縫，甚至逐步脫落；表現(xiàn)在性能上是出口壓力有較大幅度的波動。

因此，排水泵出口壓力表的缺失，導(dǎo)致在現(xiàn)場無法對運行工況進(jìn)行實時監(jiān)控，不利于排水系統(tǒng)長期、高效、安全運行，同時壓力表的缺失將影響對泵抽空、汽蝕等異常工況的判斷。

1.2 減振器位置設(shè)計不合理

目前，壓載水艙排水系統(tǒng)中減振器的安裝位置如圖2所示，減震器在泵排水管路垂直位置上。

圖2 減震器與單向閥位置圖

減振器的主要作用是減緩泵在運行期間振動對排水系統(tǒng)的影響，產(chǎn)生振動的原因有很多，如泵軸與電動機(jī)軸承不對中產(chǎn)生振動；水泵正常工作時可能會伴隨渦流、氣蝕等產(chǎn)生振動。其中一些振動的產(chǎn)生幾乎是不可避免的，采取一些減振的措施，降低泵的振動，從而減少由于振動對泵及附屬件的影響，延長泵及附屬件的使用壽命。

減震器的安裝位置存在隱患。排水泵產(chǎn)生的振動將直接作用于單向閥，隨著使用時間的延長，可能會對單向閥造成損壞，甚至產(chǎn)生漏水現(xiàn)象，給系統(tǒng)的正常運行帶來隱患，也增加了后期維護(hù)工作量和修理費用；同時，垂直管路的一部分重量將作用于減振器上，可能造成減振器的壓縮變形，并導(dǎo)致管路下沉，影響排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.3 排水泵密封方式存在缺陷

排水泵采用普通的機(jī)械密封，動、靜環(huán)采用石墨對碳化硅的配對方式，輔助密封采用氟橡膠。機(jī)械密封[2]中的動環(huán)、靜環(huán)的端面組成一對摩擦副，動環(huán)靠密封室中介質(zhì)的壓力使其端面緊壓在靜環(huán)端面上，并在兩環(huán)的端面上產(chǎn)生一定的比壓，從而形成一層很薄的液體膜，產(chǎn)生較大的阻力，以阻止液體的泄漏[3]。

由于排水系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)為海水，含雜質(zhì)量較大，同時，塢門內(nèi)的排水泵停用周期很長，長時間放置使泵內(nèi)部容易出現(xiàn)銹跡等雜質(zhì)，當(dāng)泵運行時，這些雜質(zhì)易進(jìn)入動靜環(huán)之間，石墨對碳化硅的配對方式耐磨性較差，輸送有雜質(zhì)的介質(zhì)極易被破壞，出現(xiàn)泄漏情況。

2 優(yōu)化措施

2.1 在排水泵出口安裝壓力表

針對排水泵出口未安裝壓力表的情況，提出以下兩種改進(jìn)措施：

改進(jìn)措施A：在泵出口安裝帶報警功能的壓力表，設(shè)定正常壓力范圍，當(dāng)出口壓力偏離設(shè)定范圍時，發(fā)出警報。

改進(jìn)措施B：出口安裝壓力傳感器，并傳至中控室監(jiān)控。

改進(jìn)后可以對泵抽空、汽蝕等異常工況做出初步判斷，有助于及時采取必要的措施，減少對泵的損壞，同時，也可檢查單向閥是否損壞，如果泵在停止運行后，出口壓力表壓力仍然較高，可能是由于單向閥損壞，上游管路中的水回流引起的。

2.2 調(diào)整減震器的位置

針對減振器位置安裝不合理的情況，提出互換排水泵出口管路上單向閥和減振器安裝位置的改進(jìn)措施，互換位置后的優(yōu)點有：排水泵在運行時產(chǎn)生的振動將直接作用于減振器，有助于減緩振動；對單向閥形成了保護(hù)，減少振動對單向閥的影響；將單向閥設(shè)計在垂直管路上，避免管路下沉，而且泵停用時，單向閥在重力作用下即成關(guān)閉狀態(tài)，避免管路中存留的少量水回流。

2.3 更換排水泵的密封方式

針對排水泵泄漏問題，提出兩種改進(jìn)措施。

改進(jìn)措施A：將動、靜環(huán)改為硬質(zhì)合金對碳化硅的配對方式，將普通機(jī)械密封改為新型的集裝式密封。

原有的石墨對硬質(zhì)合金的配對方式不耐磨、易磨損，若改為硬質(zhì)合金對硬質(zhì)合金的配對方式，在泵停用時間很長時，則會出現(xiàn)相互親和絞死的現(xiàn)象[4]，而壓載水艙排水泵的停用周期又很長，因此，將動、靜環(huán)改為硬質(zhì)合金對碳化硅的配對方式，由于硬質(zhì)合金與石墨相比，耐磨性更強(qiáng)，強(qiáng)度更高，具有一定的抗腐蝕性；碳化硅具有硬度高、耐磨性好、摩擦因數(shù)低的特點[5]，同時，這種配對方式更適合輸送含有一定量雜質(zhì)的海水工況。

集裝式密封是把動環(huán)、靜環(huán)、彈簧、輔助密封圈、軸套、壓蓋、靜密封墊圈等七個主要零件組合成一起的一個集合體，具有以下優(yōu)點：

(1)采用了彈簧保護(hù)措施，避免彈簧與海水接觸，避免了彈簧因海水中的雜質(zhì)淤積堵塞失去補償能力。

(2)集裝式機(jī)械密封由于在生產(chǎn)廠家清潔的環(huán)境下組裝、熟練和正確的組合可保證組裝品質(zhì)以及密封的可靠性，加之出廠前進(jìn)行整體的氣密性試驗，更保證了密封的質(zhì)量。

(3)整套密封組件在安裝前已經(jīng)按要求調(diào)整好各種精度，在裝配時只需整體裝入即可，避免了因機(jī)械密封安裝造成的密封元件損壞，提高了機(jī)械密封的使用壽命。

改進(jìn)措施B：繼續(xù)使用目前的機(jī)械密封，在條件允許的情況下，設(shè)計輔助沖洗系統(tǒng)。

將工藝介質(zhì)從泵的出口引出，由密封壓蓋正上方的開孔引入密封腔進(jìn)行沖洗、冷卻，如圖3所示，沖洗壓力一般要求高于密封腔壓力。

輔助沖洗系統(tǒng)可提供較潔凈的密封環(huán)境，降低海水中的雜質(zhì)對彈簧和密封端面產(chǎn)生的影響，同時起到冷卻、潤滑的作用，保護(hù)密封面，延長密封裝置的使用壽命。

另外，在泵啟動前，應(yīng)該按照泵軸旋轉(zhuǎn)的方向進(jìn)行盤車，檢查其旋轉(zhuǎn)是否輕快，并應(yīng)檢查機(jī)械密封處是否存在泄漏，如果出現(xiàn)泄漏，應(yīng)及時查找原因并進(jìn)行排除。

圖3 沖洗液體引入位置

3 優(yōu)化設(shè)計可行性分析

對浮箱式塢門排水系統(tǒng)優(yōu)化所需工作量進(jìn)行了估算，所需的工作量較小，在浮箱式塢門停用期間，可以對其進(jìn)行施工改造，而且，排水口高于海水液面，在更換單向閥時，不會出現(xiàn)海水倒灌，排水系統(tǒng)中泵入口之前的管路有電磁閥，在施工時，關(guān)閉電磁閥，避免壓載水艙中的水外流，最大限度地減小施工帶來的影響。

4 總結(jié)

浮箱式塢門排水系統(tǒng)改進(jìn)后，可以對排水泵的運行工況進(jìn)行監(jiān)控，對泵抽空、汽蝕等異常工況做出初步判斷，可方便檢查單向閥是否損壞，便于設(shè)備及元器件的維修；可以增加排水系統(tǒng)穩(wěn)定性，延長排水泵、機(jī)械密封、單向閥等設(shè)備元件的使用壽命；減少排水泵泄漏的可能性，降低元件損壞等產(chǎn)生的維修費用，有助于塢門壓載水艙排水系統(tǒng)長期平穩(wěn)運行。