國外船用泵應用現(xiàn)狀及特點分析

汪曉菲，李佳佳，王鵬靜

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

船用泵是指安裝于船舶上的輸送流體或使流體增壓的機械，被用來輸送海水、淡水、污水、滑油和燃油等各種液體。船用泵在現(xiàn)代船舶上有著十分廣泛的應用，據(jù)不完全統(tǒng)計，在各種船舶輔助機械設備中，各種類型和不同用途的船用泵總數(shù)占船舶機械設備總量的20%～30%[1]。國外船用泵以提高效率和運行可靠性為目的，不斷改進老產(chǎn)品、開發(fā)新產(chǎn)品、重視泵的水力學、腐蝕磨損及機械設計，特別是轉(zhuǎn)子動力學設計[2]。

1 國外船用泵應用現(xiàn)狀分析

1.1 軍船應用

在軍船領(lǐng)域，由于性能要求（低噪聲、抗沖擊）較高，相關(guān)制造廠商均需按照各類軍標及行業(yè)標準進行生產(chǎn)，獲得一級、二級及三級供應商資格已成為基本門檻。根據(jù)美國Huntington Ingalls工業(yè)公司（造船廠）的一級供應商名單[3]（見表1），美國海軍艦用泵I 級供應商主要包括美國的Barber-Nichols公司和Curtiss-Wright Flow Control Company-EPD公司等，其中，Barber-Nichols公司曾為日本川崎的Jetfoil和美國海軍的Pegasus級水翼艇生產(chǎn)了冷卻/消防泵MK-92火控系統(tǒng)中的Barber-Nichols 817000型船用泵，見圖1。

圖1 美國Barber-Nichols 公司船用泵

表1 美國海軍艦用泵一級供應商

除上述供應商之外，由于泵行業(yè)相對成熟，世界其它知名泵供應商業(yè)務范圍在國防領(lǐng)域也積極開拓業(yè)務，相關(guān)應用情況見表2，其中，美國Colfax公司已為世界各國海軍提供各類品牌（如：Allweiler、Imo、Tushaco和Warren）的泵產(chǎn)品集成。泵產(chǎn)品流量范圍為1 m3/h～7 000 m3/h，壓力高達20 MPa，最高功率375 kW（500 hp），符合各類美軍標及各船級社標準規(guī)范的要求。

表2 國外知名泵公司產(chǎn)品艦船應用情況

續(xù)表2：

1.2 民船應用

近年來，國外民船領(lǐng)域的泵不斷更新迭代，以提高自身技術(shù)水平，世界知名工業(yè)泵企業(yè)不僅在軍船領(lǐng)域積極拓展市場，在民用領(lǐng)域的應用也逐步向?qū)Ｓ迷O備或系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，個別領(lǐng)先企業(yè)已開始研發(fā)智能泵控制技術(shù)。

德國KSB公司是國際上泵、閥門和相關(guān)系統(tǒng)的領(lǐng)先供應商，提供種類齊全的船用泵，如：離心泵和齒輪活塞泵等，可應用于冷卻水、鹽水、艙底水和壓載水、火災防護、空調(diào)、鍋爐給水、熱水和淡水、化學、腐蝕性或高度易揮發(fā)的液體、潤滑油和燃料等各類船用領(lǐng)域。其AU系列船用泵是自吸式聯(lián)軸設計的離心泵，帶有開式或半開式葉輪，配備機械密封，內(nèi)部由電動機或內(nèi)燃機氣動。該型泵應用范圍廣，包括泵送清潔、污染和腐蝕性液體及固體，在淡水和海水中，作為消防泵及艙底泵使用，同時也應用于排水和廢水處理系統(tǒng)。

丹麥Grundfos公司在船用泵領(lǐng)域應用范圍包括供水、冷卻制冷、發(fā)動機艙、消防、水處理和鍋爐等，提供離心泵、計量泵、增壓泵、冷卻泵和離岸泵等。其在節(jié)能船用泵方面首屈一指，提出了Grundfos ISOLUTION智能泵系統(tǒng)，超越了單獨的組件系統(tǒng)，降低了50%的能耗[4]。該系統(tǒng)主要基于3個模塊：智能泵、云平臺及數(shù)字化服務。使用該系統(tǒng)后，泵可以與各種通信組件（如：控制器、驅(qū)動器和傳感器等）智能組合，優(yōu)化特定的系統(tǒng)以滿足各類需求，準確高效地運用監(jiān)測數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)的可靠性、可操作性及可預測性。

美國Colfax公司是一家專為海軍服務的泵業(yè)公司，近年來逐漸將服務領(lǐng)域擴展至商業(yè)船舶領(lǐng)域，其產(chǎn)品廣泛應用于各類船用領(lǐng)域，包括抽送液體系統(tǒng)和壓載系統(tǒng)等。2016年，該公司聚焦于大型船舶，推出6種規(guī)格的船用泵，專供60 000 t～200 000 t的大型船舶和海上應用使用的Allmarine MI-D離心泵系統(tǒng)。Allmarine MI-D離心泵系統(tǒng)是質(zhì)量最輕、體積最小的水泵，具有高達3 900 m3/h的流量和50 m的輸送揚程，可用于抽送冷卻和壓載水系統(tǒng)的海水和淡水；其采用雙吸，對稱式設計，僅需使用1個軸封，無內(nèi)部軸承，效率比普通軸承提高80%，具有流量大和壽命長等特點。

1.3 特殊環(huán)境應用

1.3.1 極地環(huán)境應用除了基本產(chǎn)品外，各供應商正將目光轉(zhuǎn)向特種用途泵中，如油輪裝卸、挖泥船、深水打撈船、大型船舶等，特別是極地及深海等惡劣環(huán)境的應用。目前專為極地海洋領(lǐng)域還發(fā)船用泵的供應商有挪威Arctic Pump Solution AS公司、丹麥Desmi公司等。

其中，挪威Arctic Pump Solution AS公司設計了單級立式離心泵和雙級立式離心泵來應對極端條件，材料形式包括鎳鋁、青銅和不銹鋼等，容量為10 m3/h～1 500 m3/h，采用機械密封，見圖2。

圖2 Arctic Pump Solution AS 極地單級立式離心泵

丹麥Desmi公司研發(fā)的DOP 200復式泵是應用于北極熊（polar-bear）收油機上的螺桿泵，見圖3，主要用于回收海面浮油、卸載小冰塊、切割雜物。在液壓驅(qū)動下，其不銹鋼螺桿在內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，使得排放壓力高達1 MPa。該型泵采用輕巧的鋁制外殼，配有切割刀，以防止任何碎屑殘留在泵中，這些切刀與壓力潤滑的螺桿軸承結(jié)合使用，可大大提高泵的可靠性。

圖3 丹麥Desmi 公司DOP 200 復式泵外觀圖

1.3.2 深潛環(huán)境應用

挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）于2009年發(fā)布的水下技術(shù)相關(guān)標準規(guī)范Rules for Classification and Construction Ship Technology-Underwater Technology里明確對無人潛航器用泵提出了有關(guān)要求：一旦泵完成制造，泵制造商需開展承受最大允許工作壓力下的壓力測試、密封性測試和性能測試。此外，針對載人深潛器用泵提出了：承受壓力的泵應進行液壓試驗，泵的試驗壓力應為壓縮機最大允許工作壓力的1.5倍[5]。在嚴格要求下，美國Moog公司推出了最新一代的深海徑向柱塞泵（見圖4），具有耐用性高、噪音低，低流量和壓力脈動等特點，且該系列所特有的智能控制機制可保證用戶在液壓系統(tǒng)中施行有效控制。該系列產(chǎn)品有8種規(guī)格，最大轉(zhuǎn)速范圍為1 800 r/min～2 900 r/min。標準設計允許連續(xù)壓力達28 MPa，峰值極限為35 MPa，高壓版本允許連續(xù)壓力高達35 MPa，峰值極限為42 MPa。

圖4 美國Moog 公司徑向柱塞泵

2 國外船用泵應用特點分析

1）加強復合材料等新材料在船用泵上的應用

隨著材料技術(shù)的發(fā)展，以高分子復合材料、高阻尼合金材料和陶瓷材料為代表的新材料技術(shù)為船用泵的安全性、可靠性、防腐防漏、輕盈結(jié)構(gòu)和減振降噪等設計提供了良好的基礎(chǔ)。2018年，澳大利亞斯威本科技大學的研究人員與多個機構(gòu)專家合作研制出碳化物基防污涂層，并利用超音速火焰噴涂技術(shù)將其涂覆在基體表面制成試樣。測試結(jié)果表明：采用這種新型防污涂層后海洋生物的附著量減少了約50%。目前，這種防污涂層正被用于澳大利亞皇家海軍“堪培拉”號兩棲攻擊艦的液壓裝置（包括液壓泵）上以進一步驗證其上艦使用的可行性[6]。

2）重視船用泵性能提升及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計等技術(shù)問題的研究

要提高泵的性能水平，必須解決關(guān)鍵技術(shù)問題，這包括了自吸泵簡化結(jié)構(gòu)研究、屏蔽泵/磁力泵可靠性提升研究和部分流泵效率提高研究等。船用泵領(lǐng)域極為重視復合結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究，縱觀泵技術(shù)的發(fā)展，多采用復合結(jié)構(gòu)技術(shù)的結(jié)果，如：結(jié)合離心葉輪和旋渦葉輪，成為離心旋渦自吸泵；結(jié)合射流噴頭和離心泵，成為離心射流自吸泵等。

3）注重靜音泵、特種用途泵等船用新用途泵的研制

泵在船舶領(lǐng)域的應用非常廣泛，船用新用途泵不斷出現(xiàn)。在軍船領(lǐng)域，各國海軍均加強對靜音泵的研制，提升整體作戰(zhàn)水平。如：摩爾達維亞的水利工程科學技術(shù)中心研制了新型靜音泵，并應用于俄羅斯最先進的“北風之神”-A（955項目）和“亞森”-M（885項目）級潛艇[7]。該靜音泵可使俄羅斯核潛艇不被敵人水聲站探測到，且可使反應堆內(nèi)的液體保持循環(huán)狀態(tài)，每次發(fā)射魚雷前，將魚雷發(fā)射管裝滿水，并可在潛艇潛入水底和潛出水面時發(fā)揮作用。

在民船領(lǐng)域，各供應商加強對特種用途泵的研制，包括特種密封泵、無密封泵和特殊船舶專用泵等。如：油輪用于裝卸的貨油泵、挖泥船用以抽吸泥漿的泥漿泵、深水打撈船上的打撈泵和噴水推進船上的噴水推進泵等，特別是應用于極地及深海等惡劣環(huán)境下使用的泵，美國Moog公司及英國Hayward Tyler公司等均對其展開了研發(fā)工作。

3 結(jié)論

基于對國外船用泵領(lǐng)域的主要供應商、典型產(chǎn)品及主要應用場景的市場調(diào)研，從新材料、關(guān)鍵技術(shù)問題及船用新用途泵3個方面，總結(jié)當前船用泵的應用特點后發(fā)現(xiàn)國外對船用泵的研究已經(jīng)有了一定規(guī)模，在各型標準的規(guī)定下，已完成各類場景的應用，尤其是特殊用途泵的研發(fā)已實現(xiàn)了技術(shù)突破。在新材料新技術(shù)的加持下，船用泵的安全性、可靠性、防腐防漏性、輕盈性及減振降噪性能得到不斷提升。立足于此，我國必須重視船用泵的發(fā)展，在打好我國配套產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的同時，關(guān)注專利風險的規(guī)避，形成有效的發(fā)展戰(zhàn)略，進而提升我國船用泵配套企業(yè)的競爭力。