20 000 TEU首制船艙底水輸送泵問(wèn)題分析

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)重的則會(huì)影響系統(tǒng)的功能，所以在管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候要綜合平衡各方面因素的影響，包括泵、艙室布置、管路。以及附件，等。本文從實(shí)例出發(fā)，著重分析艙底水駁運(yùn)泵調(diào)試過(guò)程中碰到的問(wèn)題及解決方法。

在建項(xiàng)目20 000 TEU項(xiàng)目首制船艙底水系統(tǒng)調(diào)試駁運(yùn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，艙底水輸送泵(單螺桿泵)有時(shí)候無(wú)法正常啟動(dòng)，查閱設(shè)備資料中該泵控制圖紙發(fā)現(xiàn)，廠家在螺桿泵本體出口裝有一個(gè)壓力保護(hù)開(kāi)關(guān)(壓力設(shè)定值在1～10 bar范圍之內(nèi)，廠家出廠的時(shí)候默認(rèn)設(shè)定置是1.5 bar)防止單螺桿泵發(fā)生干轉(zhuǎn)燒壞。在泵啟動(dòng)的時(shí)候，如果泵出口壓力在設(shè)定時(shí)間(延時(shí)繼電器T2，設(shè)定時(shí)間范圍5～30 s)內(nèi)達(dá)不到壓力設(shè)定值，出于安全考慮，壓力開(kāi)關(guān)會(huì)觸發(fā)停泵信號(hào)，自動(dòng)停泵。

調(diào)試過(guò)程中，調(diào)試人員發(fā)現(xiàn)這一問(wèn)題后，先是檢查了管路，確定管路是否連接正確，是否有泄露。經(jīng)過(guò)檢查確認(rèn)不存在機(jī)械完工方面的問(wèn)題后，遂和船東溝通，船東認(rèn)為該壓力開(kāi)關(guān)屬于過(guò)度保護(hù)裝置，想直接取消該壓力開(kāi)關(guān)，但是生產(chǎn)廠家認(rèn)為壓力開(kāi)關(guān)是保護(hù)泵的，如果出口管路壓頭建立不起來(lái)，可能會(huì)引起單螺桿泵干轉(zhuǎn)，損壞泵，在咨詢船級(jí)社后船級(jí)社也不建議取消。

隨后查閱和分析艙底水輸送管系原理圖發(fā)現(xiàn)，艙底水輸送泵出口有3路管路。

管路I：將艙底水艙水駁運(yùn)至甲板通岸接頭處；

管路II：將艙底水艙水駁運(yùn)至艙底水預(yù)置柜；

管路III：艙底水艙通過(guò)泵循環(huán)。

3路管線差異非常大，包括管路長(zhǎng)度、走向和終端布置等。由于泵出口壓力和管路具體走向及終端有關(guān)，所以對(duì)三路管線進(jìn)行流體力學(xué)分析。

1 計(jì)算及分析

分析的目的是確定艙底水輸送泵的實(shí)際工況點(diǎn)。管子阻力計(jì)算已經(jīng)極為成熟，計(jì)算方法很多，但是差異不大，本文僅介紹一種計(jì)算方法及有關(guān)參數(shù)的選取。

管路總阻力指管路直管段摩擦阻力與所有附件局部阻力之和。

1.1 直管段摩擦阻力

直管段摩擦阻力p1按式(1)計(jì)算[1]。

(1)

式中：λ為管子摩擦阻力系數(shù)；l為管路長(zhǎng)度，m；di為管子內(nèi)徑，mm;υ為管內(nèi)流體流速，m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；ρ為密度。

1.2 附件局部阻力

附件局部阻力按式(2)[1]計(jì)算。

(2)

式中：ξ為局部阻力系數(shù)。

1.3 摩擦阻力系數(shù)

摩擦阻力系數(shù)λ多由經(jīng)驗(yàn)公式或由實(shí)管試驗(yàn)圖表查取，其中摩擦阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)流體的區(qū)段及管子的粗糙等級(jí)有不同的計(jì)算方法，根據(jù)本文流體工況及管子粗糙等級(jí)(光滑管)采用如下公式[2]計(jì)算。

λ=0.032+0.221Re-0.237

(3)

式中：Re為雷諾數(shù)，

(4)

其中：D為管路內(nèi)徑，mm，μ為流體黏性系數(shù)，Pa·s。

1.4 局部阻力系數(shù)

在不可壓縮流體的一元流動(dòng)中，當(dāng)流體流經(jīng)某種局部障礙時(shí)，流線將發(fā)生明顯的彎曲，并出現(xiàn)漩渦，引起機(jī)械能的損失。該損失稱為局部能量損失，或局部阻力損失。局部阻力計(jì)算的關(guān)鍵是進(jìn)行局部阻力系數(shù)的選擇，局部阻力系數(shù)主要與附件內(nèi)部流體流通通路的幾何形狀有關(guān)，而且均通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)求得。本文的局部阻力系數(shù)均由經(jīng)驗(yàn)數(shù)值查取。

1.5 泵進(jìn)口管路分析

泵進(jìn)口管路直管段大概14 m，管路吸口和泵進(jìn)口之間垂直高度大約4.3 m,管路局部附件見(jiàn)表1。

表1 泵進(jìn)口管路附件

把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)和(2)，分別計(jì)算出直管段和附件局部阻力，繪制泵和管路特性曲線[3]見(jiàn)圖1。圖中泵特性曲線數(shù)據(jù)由廠家提供，泵的額定工況點(diǎn)是20 m3/h,4 bar。

圖1 泵和管路特性曲線

1.6 泵出口管路分析

管路I。將艙底水艙水駁運(yùn)至甲板通岸接頭處。管路直管段長(zhǎng)度大概120 m，泵出口和通岸接頭之間的垂直高度有27.4m，管路局部附件情況見(jiàn)表2。

把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)和(2)，分別計(jì)算出直管段和附件局部阻力，繪制泵和管路特性曲線，見(jiàn)圖1中管路I曲線。艙底水輸送泵實(shí)際工作點(diǎn)從圖1可以看出是管路I和泵的交叉點(diǎn)，泵的實(shí)際工作壓力是3.067 bar,減掉進(jìn)口阻力0.555 bar(可從圖1中吸入管路曲線查找)等于2.512 bar，大于艙底水輸送泵出口壓力開(kāi)關(guān)設(shè)定值，泵可以正常工作。

表2 管路I附件

管路II。將艙底水艙水駁運(yùn)至艙底水預(yù)置柜。管路直管段長(zhǎng)度大概32 m，泵出口和艙底水預(yù)置柜之間的垂直高度約8.075 m，管路局部附件情況見(jiàn)表3。

表3 管路II附件[1]

把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)和(2)，分別計(jì)算出直管段和附件局部阻力，繪制泵和管路特性曲線，見(jiàn)圖1中管路II曲線。艙底水輸送泵實(shí)際工作點(diǎn)從圖1可以看出是管路II和泵的交叉點(diǎn)，工作壓力是1.521 bar,減掉進(jìn)口阻力0.591 bar等于0.93 bar，小于艙底水輸送泵壓力開(kāi)關(guān)設(shè)定值(1.5 bar)，也小于艙底水輸送泵能夠設(shè)定的最小壓力值(1 bar)，艙底水輸送泵無(wú)法正常啟動(dòng)。

管路III。艙底水艙通過(guò)泵循環(huán)。管路直管段長(zhǎng)度約10 m，泵出口和艙底水艙之間高度-1.38 m，艙底水艙比泵出口位置要低，管路局部附件情況見(jiàn)表4。

表4 管路III附件[1]

把相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(1)和(2)，分別計(jì)算出直管段和附件局部阻力，繪制泵和管路特性曲線，見(jiàn)圖1中管路III曲線。從圖1中可以看出管路III和泵沒(méi)有交點(diǎn)，已經(jīng)超出泵的工作范圍，泵無(wú)法正常工作。

根據(jù)以上計(jì)算分析，艙底水輸送泵只有在駁運(yùn)至甲板通岸接頭處才可以正常啟動(dòng)工作，其他兩種情況艙底水輸送泵都無(wú)法正常啟動(dòng)工作。

2 解決措施

為了解決管路背壓低的原因?qū)е聣毫﹂_(kāi)關(guān)停泵，對(duì)癥下藥，從解決管路背壓低著手，在和船東溝通后，認(rèn)為目前情況下在管路上增加節(jié)流孔板是最簡(jiǎn)單方便的，征得船東同意后，分別在管路II和管路III上增加固定節(jié)流孔板[4]，以增加管路背壓。為了使工作點(diǎn)盡量靠近泵的額定工況，通過(guò)選型計(jì)算分別在管路II和管路III上增加直徑為26 mm和直徑為22 mm的固定節(jié)流孔板。

結(jié)合固定節(jié)流孔板規(guī)格，計(jì)算后對(duì)管路特性曲線進(jìn)行優(yōu)化，具體見(jiàn)圖2。

圖2 優(yōu)化后艙底水輸送泵和管路特性曲線

由圖2可見(jiàn)，管路II和管路III實(shí)際工作點(diǎn)距離艙底水輸送泵額定工況點(diǎn)很接近。

管路II。管路出口壓力在減掉管路進(jìn)口阻力后壓頭是26.77 m，大于艙底水輸送泵壓力開(kāi)關(guān)設(shè)定值，泵可以正常啟動(dòng)運(yùn)行。

管路III。管路出口壓力在減掉管路進(jìn)口阻力后壓頭是28.78 m，大于艙底水輸送泵壓力開(kāi)關(guān)設(shè)定值，泵可以正常啟動(dòng)運(yùn)行。

3 結(jié)論

仔細(xì)分析此類設(shè)計(jì)問(wèn)題出現(xiàn)的原因：初始設(shè)計(jì)的時(shí)候設(shè)計(jì)人員主要是考慮管路系統(tǒng)功能的原理性和經(jīng)濟(jì)性，如此考慮設(shè)計(jì)可能就會(huì)使得原本簡(jiǎn)單的系統(tǒng)變的比較復(fù)雜，但是由于只是原理性的設(shè)計(jì)，所以對(duì)后續(xù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段管路具體走向欠缺考慮；到了后續(xù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的時(shí)候，生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員由于缺乏詳細(xì)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，在布置管路走向時(shí)對(duì)原理性的知識(shí)欠缺考慮，只會(huì)按照已有的原理圖來(lái)布置管路，沒(méi)有結(jié)合實(shí)際管路布置來(lái)考慮系統(tǒng)功能。為避免此類問(wèn)題重復(fù)出現(xiàn)，可以從以下幾個(gè)方面著手：①在各個(gè)設(shè)計(jì)階段保證設(shè)計(jì)人員的連續(xù)性，保證主要設(shè)計(jì)人員貫穿整個(gè)項(xiàng)目，但是這種方法對(duì)設(shè)計(jì)人員掌握的知識(shí)量要求比較大，面也比較廣；②可以對(duì)不同設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行相關(guān)知識(shí)的培訓(xùn)，不要求能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)，但是至少要做到掌握前后道知識(shí)，然后再輔以不同設(shè)計(jì)階段交叉檢查，做到查漏補(bǔ)缺；不同體系的設(shè)計(jì)部門可以根據(jù)自身的情況去選擇適合自己的方法，但是不管選用第①種還是第②種，最后必須要做好校對(duì)工作，校對(duì)工作絕對(duì)不能少，不能把校對(duì)工作僅流于表面，而是要切切實(shí)實(shí)的付諸實(shí)施。