大型船舶主動(dòng)力系統(tǒng)蒸汽冷凝器原位在線清洗

孟昭勇 張愛(ài)東 祝成煒 尚悅龍

1.浙江凱靈船廠 浙江舟山 316000；2.煙臺(tái)市人和清洗有限公司 山東煙臺(tái) 264000

1 船舶主冷凝器工作原理與清洗方法

1.1 主冷凝器的作用與工作原理

在蒸汽動(dòng)力船舶上，主冷凝器是汽輪機(jī)裝置的重要組成部分之一。它的作用在于保持汽輪機(jī)排汽口所要求的真空度，以提高汽輪機(jī)工作的經(jīng)濟(jì)性并保證其安全可靠地工作。船舶主冷凝器以海水作為冷卻介質(zhì)對(duì)主汽輪機(jī)和輔汽輪機(jī)做功后的蒸汽進(jìn)行冷凝，使做功后的蒸汽由汽態(tài)經(jīng)間壁式換熱方式冷凝為液態(tài)，凝結(jié)水再通過(guò)給水泵回送到鍋爐作為循環(huán)補(bǔ)充用水。

1.2 水垢對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備的影響與危害

船舶經(jīng)過(guò)一段時(shí)間航行后，主冷凝器海水側(cè)、蒸汽側(cè)均會(huì)結(jié)垢，即海生物垢、海鹽垢和水垢。當(dāng)水垢厚度超過(guò)0.5mm 時(shí)，即可使主冷凝器真空度由90%以上降到85%以下。水垢的結(jié)生除嚴(yán)重地影響換熱效率外，還會(huì)對(duì)主冷凝器管束造成點(diǎn)蝕和脫鎳腐蝕。清潔的主冷凝器正常使用壽命在15 年以上，脫鎳或發(fā)生點(diǎn)蝕的主冷凝器可在3年內(nèi)發(fā)生穿孔。如不及時(shí)清洗除垢，主冷凝器的端差增大、運(yùn)行真空度下降、運(yùn)行工況變差的同時(shí)使能耗增加，排汽壓力和排汽溫度升高、汽輪機(jī)低壓缸脹差發(fā)生異常變化，甚至導(dǎo)致低壓缸變形、機(jī)組震動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)可造成故障停機(jī)。

1.3 船舶主冷凝器在航期的清洗方法研究

對(duì)某在航期的船舶主冷凝器垢樣為灰黑色固體，夾雜部分海藻及貝殼類(lèi)海洋贅生物。對(duì)其吉行成分分析，結(jié)果如表1 所示。

表1 某在航期的船舶主冷凝器垢樣質(zhì)量組成%

對(duì)于此類(lèi)混合垢，可以采用酸洗法。除硫酸鹽、硅酸鹽及泥沙外，其他大部分組分可被溶解。剩余的結(jié)垢可結(jié)合合適的施工工藝予以去除。

1.3.2 溶垢及腐蝕試驗(yàn)

以碳酸鹽為主的結(jié)垢，可以采用RH- 6 凝汽器專(zhuān)用清洗劑（復(fù)合酸、緩蝕劑為主）進(jìn)行清洗。垢樣中含有海藻及貝殼類(lèi)海生物，可加入殺生劑。為防止鍍銅現(xiàn)象，清洗液中加入硫脲。溶垢及腐蝕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 溶垢及腐蝕性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 清洗工藝與清洗方法

通過(guò)垢樣成分分析,以及溶垢與腐蝕試驗(yàn)，本次主冷凝器原位在線清洗工藝采用常溫化學(xué)清洗工藝。清洗工藝確定，采用5 層膠夾2 層布的閉水膠囊封堵主冷凝器海水進(jìn)出口，隔離主冷凝器脫離系統(tǒng)，使其為獨(dú)立清洗單元。為確保清洗工藝可行，首先對(duì)封閉膠囊進(jìn)行材料相容、強(qiáng)度和耐蝕試驗(yàn)。

2.1 閉水膠囊的選取

2.1.1 密封材料的相容性

裁取閉水膠囊及墊片若干片，尺寸為50mm×25mm。分別浸泡于RH- 6 凝汽器專(zhuān)用清洗劑、去離子水中，在室溫下做全浸泡實(shí)驗(yàn)，以考察膠囊和墊片與清洗劑的相容性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是浸泡在清洗液中0～48h，還是在空白對(duì)比的去離子水中，膠囊、墊片試片都無(wú)變化，無(wú)起泡、發(fā)粘、溶脹現(xiàn)象，說(shuō)明試片與清洗液具有良好的不相容性。

2.1.2 封堵氣囊的壓力測(cè)試

根據(jù)主冷凝器進(jìn)出口管道的直徑，選擇Φ700mm、5層膠2 層布的復(fù)合閉水堵，以及Φ690mm 的3 層膠1 層布的復(fù)合閉水堵進(jìn)行封堵壓力測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，5 層膠2 層布的復(fù)合閉水堵耐壓強(qiáng)度明顯高于3 層膠1 層布。當(dāng)內(nèi)部充氣壓力達(dá)到0.25MPa 時(shí)，3 層膠1 層布的閉水堵已經(jīng)破裂。因此，選擇5 層膠2 層布的閉水堵作為封堵材料。

2.2 清洗工藝過(guò)程

（1）封堵主冷凝器冷卻海水腔進(jìn)出口海水管，向主冷凝器管程注入殺生劑，殺滅海藻及貝殼類(lèi)海生物贅生物，使其失去粘附力；

（2）使用RH- 6 凝汽器專(zhuān)用清洗劑清洗管束內(nèi)的碳酸鹽垢和銅鐵垢；

（3）向管程中加入滲透劑、銅離子隱蔽劑，在碳酸鹽垢被溶解的同時(shí)，硫酸鹽、硅酸鹽垢被松動(dòng)；

（4）通過(guò)鼓泡法、超聲波等物理方法將松動(dòng)的鹽垢去除。

2.3 化學(xué)清洗過(guò)程與工藝調(diào)整

主冷凝器管徑為Φ16mm×1mm，長(zhǎng)度3222mm，材質(zhì)為B30，管數(shù)約6000 根，4 腔/ 2 臺(tái)。

2.3.1 浸泡清洗法

清洗1 號(hào)主冷凝器第一個(gè)海水腔時(shí)，其進(jìn)出口處各加裝了一個(gè)復(fù)合閉水堵。然后按照清洗工藝流程，進(jìn)行殺菌滅藻、酸洗。清洗過(guò)程中發(fā)現(xiàn)閉水堵有滑移情況，影響了循環(huán)清洗系統(tǒng)的正常工作。因此采用浸泡法清洗。40h 浸泡后，間隔2h 復(fù)測(cè)清洗液濃度，當(dāng)其濃度差值小于0.2%時(shí)，即判定為清洗結(jié)束。

清洗結(jié)束后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，除主冷凝器管板外，管束內(nèi)部仍存在大量水垢。清洗前后圖片見(jiàn)圖1。

圖1 浸泡清洗法清洗前（a）后（b）對(duì)比照片

2.3.2 循環(huán)清洗法

清洗1 號(hào)主冷凝器第二個(gè)海水腔時(shí)，其前后各加裝了兩個(gè)復(fù)合閉水堵，滑移情況消失。按照清洗工藝進(jìn)行清洗，約42h 后清洗結(jié)束。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，采用循環(huán)清洗法清洗后，除垢率可達(dá)80%左右，基本滿足了設(shè)備的使用要求。但管束內(nèi)仍存有少量結(jié)垢，仍未達(dá)到《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》。

究其原因，是受到現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制，循環(huán)泵的流量不足，管內(nèi)流速較低，約為0.046m/ s。結(jié)垢中不參與化學(xué)反應(yīng)的硫酸鹽、硅酸鹽、泥沙等雜質(zhì)，無(wú)法通過(guò)沖刷效應(yīng)去除。清洗前后圖片見(jiàn)圖2。

圖2 循環(huán)清洗法清洗前（a）后（b）對(duì)比照片

2.3.3 氣脈沖循環(huán)清洗法

為提高管束內(nèi)清洗液流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在循環(huán)清洗的同時(shí)，往清洗液里通入脈沖空氣（氣脈沖頻率為1 次/ s，氣壓0.2MPa。），以增大流體的雷諾數(shù)，使管束內(nèi)流體達(dá)到紊流狀態(tài)。按此方法對(duì)2 號(hào)主冷凝器第一個(gè)海水腔清洗，約36h 后清洗結(jié)束。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)管束內(nèi)表面已經(jīng)清洗干凈，少數(shù)管束內(nèi)壁有結(jié)垢的殘留，除垢率達(dá)到90%以上，滿足設(shè)備使用要求。清洗前后圖片見(jiàn)圖3。

圖3 氣脈沖循環(huán)清洗前（a）后（b）對(duì)比照片

2.3.4 氣脈沖循環(huán)清洗結(jié)合超聲波清洗法

在現(xiàn)有條件下，為達(dá)到95%以上的除垢率，必須采取新的清洗工藝。為此，在氣脈沖循環(huán)清洗工藝的基礎(chǔ)上，增加兩臺(tái)超聲波發(fā)生器，振動(dòng)頻率為28kHz，放置于主冷凝器海水管進(jìn)出口兩端。

對(duì)2 號(hào)主冷凝器第二個(gè)海水腔進(jìn)行氣脈沖循環(huán)清洗30h 后，停止循環(huán)，關(guān)閉氣脈沖；同時(shí)打開(kāi)超聲波發(fā)生器，進(jìn)行超聲波清洗，6h 后停止清洗。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，所有主冷凝器管板、管束都潔凈如新，除垢率高達(dá)95%以上，達(dá)到設(shè)備出廠的使用要求。同時(shí)，也滿足了《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的除垢率要求。清洗前后圖片見(jiàn)圖4。

圖4 氣脈沖循環(huán)清洗結(jié)合超聲波清洗前（a）后（b）對(duì)比照片

上述兩臺(tái)主冷凝器（4 個(gè)海水腔）均采用常溫清洗。

3 結(jié)果與討論

3.1 化學(xué)除垢清洗

從垢樣分析看，垢的主要成分為碳酸鹽、銅鐵銹，而這些組分是可以通過(guò)酸洗的方法去除的，具體反應(yīng)如下：

通過(guò)上述一系列化學(xué)反應(yīng)，可去除與酸反應(yīng)的結(jié)垢。而不與酸反應(yīng)的硫酸鹽、硅酸鹽和泥沙等結(jié)垢，可通過(guò)氣脈沖與超聲波清洗從主冷凝器管束內(nèi)表面受熱面剝離。1號(hào)主冷凝器第一、第二個(gè)海水腔主要依靠化學(xué)反應(yīng)除垢，但由于清洗液循環(huán)流速過(guò)低，導(dǎo)致對(duì)未反應(yīng)的余垢沖刷效果不理想，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 流體狀態(tài)與管內(nèi)附加切應(yīng)力

清洗液流體在管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生由液體粘性引起的微團(tuán)間的內(nèi)摩擦力（τ），符合牛頓內(nèi)摩擦定律，見(jiàn)式（1）。

式中：μ——流體粘度；

Du——兩不同平面但平行的流體間的速度差；

Dy——兩不同平面但平行的流體間的距離[2]。

流體微團(tuán)之間相互混雜或具有脈動(dòng)速度而引起的附加切應(yīng)力（τ＇）計(jì)算見(jiàn)式（2）。

式中：L——潤(rùn)濕周邊長(zhǎng)；

ρ——流體密度。

從式（1）和式（2）可以看出，附加切應(yīng)力要比單純由粘性引起的內(nèi)摩擦力大數(shù)百倍。只有流體處于紊流狀態(tài)時(shí)，微團(tuán)間才會(huì)產(chǎn)生附加切應(yīng)力，而層流狀態(tài)只有內(nèi)摩擦力。清洗液流體的流動(dòng)狀態(tài)是層流還是紊流取決于流體的雷諾數(shù)（Re），見(jiàn)式（3）。

式中：u——流體速度；

d——管道直徑。

當(dāng)Re＜2320 時(shí)，為層流；當(dāng)Re≥4000 時(shí)，為紊流。

根據(jù)式（3）計(jì)算，1 號(hào)主冷凝器第二個(gè)海水腔清洗時(shí)，清洗液在管中的雷諾數(shù)只有100 左右，顯然處于層流狀態(tài)，而僅靠?jī)?nèi)摩擦力是難于將管壁上附著的結(jié)垢清除的。2 號(hào)主冷凝器第一個(gè)海水腔清洗時(shí)加入了脈沖氣體，使得清洗液處于擾動(dòng)狀態(tài)，接近于紊流狀態(tài)，流體會(huì)產(chǎn)生附加切應(yīng)力，比內(nèi)摩擦力大數(shù)百倍的附加切應(yīng)力相對(duì)容易將管內(nèi)的殘留結(jié)垢剝離。

3.3 超聲波清洗的作用

超聲波在本質(zhì)上是物體的機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中傳播所形成的疏密的震動(dòng)波，介質(zhì)中的壓力交替變化。在聲波密集狀態(tài)區(qū)，液體承受正壓力；而在稀疏狀態(tài)區(qū)則承受拉力，在拉力集中的地方會(huì)形成空穴。

隨著空穴不斷地產(chǎn)生和閉合、消失，在空穴的周?chē)霈F(xiàn)高達(dá)數(shù)百個(gè)大氣壓的巨大壓力，伴隨著強(qiáng)大的沖擊波，對(duì)工件表面產(chǎn)生清洗作用，使污物從工件表面上被剝離[3]。依靠超聲波的空化作用（圖5），使得殘留的未溶解的余垢從主冷凝器內(nèi)壁上被剝離，進(jìn)一步提升了清洗除垢率。

圖5 空化效應(yīng)模型示意圖

2 號(hào)主冷凝器第2 個(gè)海水腔以超聲波作為輔助清洗手段。利用超聲波的空化作用，將主冷凝器海水腔受熱面上未被酸洗溶解的殘垢剝離，隨著清洗液的流動(dòng)被帶出。

4 主冷凝器常規(guī)清洗與原位在線化學(xué)清洗效果對(duì)比

4.1 主冷凝器常規(guī)清洗方法

主冷凝器常規(guī)清洗必須在船舶停航進(jìn)塢時(shí)才能進(jìn)行；主冷凝器管程清洗、清潔必須拆除主冷凝器兩端大型端蓋，采用高壓水、打膠球、人工清捅、洗管機(jī)等物理、機(jī)械、人工等方法清洗和清潔。上述方法洗凈除垢率低、工期長(zhǎng)、拆裝量大、安全性差，且只能對(duì)管程進(jìn)行清洗和清潔。主冷凝器殼程（管間）清洗近年已有堿煮等化學(xué)清洗方法應(yīng)用，但效果不理想，除垢率為80%～85%，蒸汽源提供難度大且容易出現(xiàn)堿腐蝕。

4.2 主冷凝器常規(guī)清洗與原位在線化學(xué)清洗效果對(duì)比

主冷凝器原位在線化學(xué)清洗是在大型船舶在航期不能拆解主冷凝器端蓋及進(jìn)出水管，無(wú)法進(jìn)行塢上機(jī)械或物理清洗的特定情況下，在確保主冷凝器設(shè)備安全，除垢率達(dá)95%以上質(zhì)量指標(biāo)的前提下，通過(guò)對(duì)不同原位在線清洗方法進(jìn)行試驗(yàn)篩選出氣動(dòng)脈沖與超聲波清洗法結(jié)合的一種新型清洗工藝和清洗方法。詳見(jiàn)表5。

表5 原位在線化學(xué)清洗與常規(guī)清洗綜合效果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)常溫原位在線化學(xué)清洗與常規(guī)清洗束段清洗法綜合對(duì)比，充分說(shuō)明常溫原位在線化學(xué)清洗無(wú)論從工期、工程造價(jià)、除垢率、適用范圍、工程難度和拆裝工作量等諸方面都具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，為提高設(shè)備完好率、利用率、保障裝備可靠性，以及船舶在航率、降低修船費(fèi)用、縮短修船工期探索出了一條科學(xué)可行的高效清洗工藝和方法，有效解決了大型船舶不停航主冷凝器無(wú)法清洗除垢的技術(shù)難題。為船舶在航期的設(shè)備清洗養(yǎng)護(hù)提供了一個(gè)全新可靠的保障手段，對(duì)船舶主冷凝器在航清洗具有指導(dǎo)意義。