無透氣管結(jié)構(gòu)箱柜閉式排水系統(tǒng)可行性研究

趙 駿，巫科韌，于富強(qiáng)，崔愛新，姜樹衛(wèi)

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

液貨艙透氣系統(tǒng)是一種與油船、化學(xué)品船防火安全休戚相關(guān)的重要系統(tǒng)[1-2]。船舶箱柜的透氣管的作用是在灌注和抽吸箱柜內(nèi)液體時(shí)避免箱柜內(nèi)形成超壓或負(fù)壓損壞箱柜[3]。在不設(shè)置透氣管的情況下，抽吸箱柜內(nèi)液體時(shí)，箱柜最多要承受1個(gè)大氣壓的負(fù)壓。在船級社規(guī)范中規(guī)定，儲藏水、燃油和滑油的箱柜以及隔離空艙和管遂均應(yīng)裝設(shè)空氣管，對于有動力注入的所有箱柜，其空氣管截面積不小于注入管截面積的1.25倍[4-5]。然而，隨著海洋工程技術(shù)發(fā)展的需要，存在一些應(yīng)用場景，無法滿足以上常規(guī)透氣管設(shè)置。比如，某項(xiàng)目需要設(shè)置一個(gè)位于較深水下的結(jié)構(gòu)箱柜，同時(shí)該箱柜需要具有壓載和排載功能，但根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，對該箱柜設(shè)置透氣管技術(shù)上很難實(shí)現(xiàn)。因此，本文取消透氣管結(jié)構(gòu)，將壓排載系統(tǒng)做成一種水下閉式系統(tǒng)。這可能會帶來以下3個(gè)問題：1）采用常規(guī)離心泵是否可以實(shí)現(xiàn)閉式排水系統(tǒng)；2）閉式排水的方式是否危及箱柜的結(jié)構(gòu)安全；3）規(guī)范要求解釋如何滿足？本文對以上3個(gè)問題，逐一進(jìn)行論證或試驗(yàn)驗(yàn)證，以探討閉式排水系統(tǒng)的可行性。

1 試驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證以上問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)小型試驗(yàn)裝置，原理是利用小型潛水泵在無透氣管的密閉鋼制箱體內(nèi)進(jìn)行排水試驗(yàn)，監(jiān)測泵和箱體在排水時(shí)的數(shù)據(jù)變化，檢測泵在不同真空度下的排水能力以及箱體的形變情況。抽吸試驗(yàn)系統(tǒng)裝置見圖 1。箱體設(shè)置了多個(gè)觀察視鏡，可現(xiàn)場觀測箱內(nèi)液位變化。泵出口帶壓力表和流量計(jì)，可以監(jiān)測泵在負(fù)壓條件下的流量和壓力。箱體配真空表及傳感器，監(jiān)測箱體的真空度。啟泵后記錄水泵的流量、泵出口壓力以及箱體內(nèi)的真空度。用自動控制系統(tǒng)記錄并自動生成在整個(gè)試驗(yàn)過程中的箱體真空度、泵出口壓力和流量等數(shù)據(jù)。同時(shí)，觀察記錄電機(jī)的電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)以及箱體結(jié)構(gòu)變形的情況。系統(tǒng)裝置的主要部件參數(shù)與功能見表1。

表1 主要部件參數(shù)與功能

圖1 抽吸試驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖

試驗(yàn)裝置的各組成部件情況如下：

1）密閉水箱。尺寸為2 500 mm ×2 500 mm×1 500 mm，鋼板焊接，板材厚度為10 mm；實(shí)驗(yàn)前完成0.6 MPa水壓試驗(yàn)，滿足保壓1 h不漏水、不降壓。

2）潛水泵。流量為25 m3/h，揚(yáng)程為60 m，電機(jī)功率為7.5 kW。

3）自動控制和監(jiān)測系統(tǒng)。PLC控制器通過485串口線纜與賽普變頻器組成本地控制網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)PC通過以太網(wǎng)線與下位機(jī)PLC控制器組成集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。其中，變頻器控制水泵的起動、停止及變頻；PLC控制器負(fù)責(zé)本地網(wǎng)絡(luò)的通訊及數(shù)據(jù)采集；上位機(jī)PC程序?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互、集中監(jiān)控以及數(shù)據(jù)歸檔。

2 試驗(yàn)方法及步驟

為驗(yàn)證密閉箱柜使用不同水位泵的排水能力以及箱柜結(jié)構(gòu)的安全性能，設(shè)計(jì)以下半箱水排水試驗(yàn)和滿箱水排水試驗(yàn)。

2.1 半箱水排水試驗(yàn)

1）注水。通過預(yù)留孔向箱體內(nèi)注水至1/2水位后將注水口孔閥門關(guān)閉密封，使箱體內(nèi)為一半水、一半空氣。

2）啟動。通過自動控制系統(tǒng)啟動潛水泵將密封箱內(nèi)的水抽出。

3）記錄數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)過程中連續(xù)記錄水泵的流量、泵出口壓力以及箱體內(nèi)的真空度。同時(shí)，觀察記錄電機(jī)的電流、電壓和功率等數(shù)據(jù)。并用自動控制系統(tǒng)記錄并自動生成在整個(gè)試驗(yàn)過程中的箱體真空度、泵出口壓力、流量、電流、電壓和功率等數(shù)據(jù)（見圖2）。

圖2 試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集

4）停機(jī)。在泵運(yùn)行到達(dá)最低水位時(shí)，利用自動控制系統(tǒng)關(guān)閉潛水泵，并關(guān)閉閥門保壓10 min。若箱體真空壓力不損失，則說明箱體真空密封性良好。

2.2 滿箱水排水試驗(yàn)：

1）注水。通過預(yù)留孔向箱體內(nèi)注水至滿水位后將注水口閥門關(guān)閉密封，使箱體內(nèi)全部為水，沒有空氣。

2）啟動。通過自動控制系統(tǒng)啟動潛水泵將密封箱內(nèi)的水抽出。

3）記錄數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)過程中連續(xù)記錄水泵的流量、泵出口壓力、箱體內(nèi)的真空度。同時(shí)，觀察記錄電機(jī)的電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)。并用自動控制系統(tǒng)記錄并自動生成在整個(gè)試驗(yàn)過程中的箱體真空度、泵出口壓力、流量、電流、電壓和功率等數(shù)據(jù)。

4）停機(jī)。在泵運(yùn)行到達(dá)最低水位時(shí)，利用自動控制系統(tǒng)關(guān)閉潛水泵，并關(guān)閉閥門保壓20 min。若箱體真空壓力不損失，則說明箱體真空密封性良好。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 半箱水排水試驗(yàn)

在半箱水排水試驗(yàn)中，水箱內(nèi)初始壓力為0.1 MPa，隨著泵將內(nèi)部水逐漸排出，內(nèi)部真空度逐漸加大，絕對壓力持續(xù)下降。在抽到泵的極限液位停泵前，內(nèi)部真空度達(dá)到0.046 MPa，泵的排出壓力在0.593 MPa左右（見圖3）。在試驗(yàn)過程中，泵的流量穩(wěn)定在26 m3/h左右（見圖4）。

圖3 半箱水排水試驗(yàn)真空度、管道壓力變化曲線

圖4 半箱水排水試驗(yàn)管道流量變化曲線

3.2 滿箱水排水試驗(yàn)

滿箱水排水試驗(yàn)在抽到泵的極限液位停泵前，真空度保持在0.081 MP a，排出壓力在0.556 MP a左右（見圖5），泵流量在26 m3/h左右穩(wěn)定（見圖6）。通過自動控制系統(tǒng)自動記錄的數(shù)據(jù)來看，整個(gè)試驗(yàn)過程系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，泵的流量、電壓和電流等都無明顯變化。真空度會隨著密封箱體內(nèi)的水量的減少逐步上升，管路的壓力因?yàn)檎婵斩鹊淖兇笾饾u減小，兩者的數(shù)值總和基本保持不變。

圖5 滿箱水排水試驗(yàn)真空度和管道壓力變化曲線

圖6 滿箱水排水試驗(yàn)管道流量變化曲線

3.3 箱體結(jié)構(gòu)變形情況評估

在試驗(yàn)過程中，密封箱體隨著真空度的提高會有明顯的變形。箱體在真空度增加時(shí)會有明顯內(nèi)癟現(xiàn)象，尤其是上下兩面變形比較大（見圖7）。通過對箱體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算分析，受外壓20 N的結(jié)構(gòu)變形最大達(dá)到98.316 mm（見圖8），和現(xiàn)場測量變形數(shù)據(jù)基本吻合。

圖7 排水后箱體形變

圖8 有限元計(jì)算（外壓為20 N）

4 結(jié)論

通過試驗(yàn)分析，可以得到如下結(jié)論：可以得出在較深海域作業(yè)時(shí)，對于同時(shí)具有用于離心泵壓載和排載功能的結(jié)構(gòu)箱柜，取消透氣管理論上是可以實(shí)現(xiàn)的。

1）采用常規(guī)離心泵可實(shí)現(xiàn)閉式排水。在較深海域作業(yè)時(shí)，對于同時(shí)具有用于離心泵壓載和排載功能的結(jié)構(gòu)箱柜，取消透氣管理論上是可以實(shí)現(xiàn)的。

2）在不使用透氣管的情況下泵的排水量、電流和電壓不受真空度影響，能有效地將水排至潛水泵工作的最低水位。箱體內(nèi)的真空度會隨著密封箱體內(nèi)水量的減少逐步上升，管路的壓力會因?yàn)檎婵斩鹊淖兇笾饾u減小，在泵正常工作時(shí)兩者的數(shù)值總和基本保持不變。

3）相比于常規(guī)設(shè)有透氣管的箱柜，采用閉式排水的箱柜在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其受到負(fù)壓的影響。排水時(shí)，箱體內(nèi)的真空度會隨著密封箱體內(nèi)的水量的減少逐步上升，此時(shí)箱體會因受到外部大氣壓的擠壓而變形，其變形量會因真空度的增加而變大。因此，在對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)受外壓力時(shí)的強(qiáng)度。

關(guān)于船級社規(guī)范對結(jié)構(gòu)艙柜設(shè)置透氣管的強(qiáng)制性要求，筆者認(rèn)為，在艙柜設(shè)計(jì)能夠確保其在承受相應(yīng)真空度時(shí)的安全性的情況下，應(yīng)結(jié)合其設(shè)計(jì)功能和應(yīng)用場景，與船級社密切溝通和探討，尋求在法規(guī)上允許其合理應(yīng)用的突破。