船用應急消防泵的布置

張 航，劉冠華

（滬東中華造船 (集團)有限公司，上海200129）

船用應急消防泵的布置

張 航，劉冠華

（滬東中華造船 (集團)有限公司，上海200129）

船舶應急消防泵是重要的船舶安全系統部件，其汽蝕問題嚴重威脅著船用泵的安全運轉。作為船舶設計或施工人員，應盡可能利用現有條件，優化設計，使船舶上的消防系統安全穩固運行。因此，通過分析水泵汽蝕的產生原理及列舉汽蝕余量的計算方法，結合船用泵使用時所面臨的復雜海況，通過已知條件去確定合理的應急消防泵的布置。

應急消防泵；汽蝕余量；安裝布置

Abstract:Marine emergency fire pump is an important part of marine security system.The safe operation of marine pumps is seriously threatened by cavitation problems.As a ship design or construction personnel,we should make full use of existing conditions,optimize the design,so that the fire system on the ship can operate safely and stably.Therefore,by analyzing the generation principle of water pump cavitation,listing the calculation method of the cavitation margin,and combining with the complex sea conditions faced by the use of marine pumps,the reasonable arrangement of the emergency fire pump should be determined through the known conditions.

Key words:emergency fire pump;cavitation margin;arrangement

在確定管系設計中某一個泵的布置時，往往會看到泵的圖紙材料中的SUCTION PRESSURE，NPSHr等相關參數。那這些參數的意義，如何將其利用到設計過程中；船用泵使用情況復雜，海平面波濤洶涌，船舶航行顛簸沉浮，是否會對泵的使用產生影響；選用的泵該放置在什么樣的高度位置，才能保證泵的吸水狀態，且又不發生汽蝕。針對上述問題，本文將做一些探討。

1 汽蝕現象與船用泵面臨的狀況

液體在泵內流動時，壓力是不斷發生變化的。在泵的某些局部區域，壓力可能降低到或低于液體溫度相應的汽化壓力，部分液體則發生汽化。溶解在液體中的氣體也可能逸出，形成氣泡。如果氣泡破裂在流道附近，就會在流道表面形成高強度的沖蝕，沖蝕形成的水擊壓力可高達107Pa甚至108Pa以上，頻率可達每秒幾萬次。尤其當其發生在葉輪表面時，眾多的液體質點如細小的高頻水錘撞擊著葉片，在這種壓力的沖擊作用下，產生疲勞、點蝕，甚至形成嚴重的蜂窩狀空洞。此外，液體中的活潑氣體借助于氣泡凝結時放出的熱量，對金屬產生化學腐蝕。這種氣泡的形成、發展和破裂，以及材料受到破壞的全過程稱為汽蝕現象。汽蝕不但使材料受到破壞，而且使泵的震動和噪音加劇，泵的流量、壓頭和效率明顯下降，甚至發生斷流的現象。在船舶管系中，尤其在消防系統中，泵的汽蝕對于整船安全運行是一個很大的不利因素，要絕對杜絕此情況的發生。

圖1 泵內介質流動壓力變化

圖1為泵內介質流動壓力變化情況，當泵中介質流動到泵內部的C點時，其壓力值最小，如果此時壓力小到飽和蒸汽壓力即會發生汽蝕現象。本文旨在探討在船用泵安裝時，利用現有條件，綜合規范要求，用合理的設計安裝來給泵足夠的余量，從而避免汽蝕現象的發生，并對船廠設計及施工提供指導意義。

2 利用允許吸上真空高度來避免汽蝕

大部分泵的出廠資料會給出允許吸上高度或允許吸上真空度 (Hs')，即SUCTION PRESSURE。Hs'與泵的結構、流量、被輸送液體的物理性質及當地大氣壓等因素有關。通常由泵的制造工廠試驗測定，實驗在大氣壓為10mH2O下，以20℃清水為介質進行的。其定義為泵在額定工況下保證不發生汽蝕時泵進口處能達到的最大吸入真空度，其公式為Hs'=Pa-P1/ρg。其中Hs'值越大，表示該泵在一定操作條件下抗汽蝕性能越好。以此為基礎，來確定泵所能安裝的位置情況，即允許安裝高度。允許安裝高度指泵的吸入口與儲液槽液面間可允許達到的最大垂直距離，以Hg來表示。圖2為水泵安裝簡要示意圖。

圖2 水泵安裝簡要示意圖

水槽面0-0與泵入口處1-1截面間可通過伯努利方程得出如下公式：

Hg=(P0-P1)/ρg-u12/2g-Σhw

一般來講，水槽與大氣是相通的，所以P0=Pa（Pa為大氣壓強）可得到下式：

Hg=(Pa-P1)/ρg-u12/2g-Σhw

將允許吸上真空度Hs'帶入上式，可得允許吸上高度：

Hg=Hs'-u12/2g-Σhw

式中：Hg——幾何安裝高度；

P0——水槽液面壓力；

P1——泵吸口處壓力；

u1——泵吸口處流速；

Σhw——吸入管流動損失。

上述公式可以判斷船用離心泵安裝時的具體高度（泵距離水線的高度Hg）是否合理，來確保不產生汽蝕。但是，泵的允許吸上真空高度是隨著泵使用地點的大氣壓、吸入管中的阻力以及輸送液體的性質和溫度的不同而變化的。其在使用中不太方便，在船舶系統設計建造作為輔助方法，一般并不做針對計算。所以，在泵的使用中，便引入了一個參數，稱為汽蝕余量，英文縮寫NPSH。汽蝕余量分為有效汽蝕余量HPSHa和必需汽蝕余量NPSHr。相關船級社等部門也以NPSH為基礎出具并改善各種規范要求，來考據船舶設計的可靠性。

3 利用汽蝕余量（NPSH）計算法避免汽蝕

3.1 NPSHa和NPSHr

各船級社重點對應急消防泵汽蝕余量的設置提出了要求，具體如表1所示。

表1 各船級社汽蝕余量要求比照表

離心泵是否發生汽蝕受到泵本身和吸入裝置2個方面的影響，具體表現就是NPSHa（吸入裝置） 和NPSHr（泵本身） 的關系。其中NPSHr數值由離心泵廠家提供在設備資料上，其表示泵若不想發生汽蝕，要求在泵進口處的液體具有超過汽化壓力水頭的富裕能量，即保證圖1中的C點附近的壓力高于液體溫度對應的汽化壓力。因此，液體在C點之前的泵的入口處需要保留一定的能量余量，用來抵消泵內部運行對液體壓力的進一步降低，即必需汽蝕余量NPSHr，此為每臺泵自身的特點。對于同一臺泵來說，NPSHr越小則需要給予富裕能量值就越小，其本身抗汽蝕性能也就越好。由于NPSHr的數值由離心泵廠商經過試驗測試等方式得出，標于樣本材料中，故對于船舶系統設計者來說，此參數為船用泵的固有參數，并無條件去改變。

而NPSHa表示泵進口處液體具有的全部水頭減去汽化壓力水頭凈剩的值，其對于管路系統設計者來說，更有意義。具體公式如下：

NPSHa=P0/γ-Hg-Pv/γ-Σhw

式中：P0——吸水液面的壓力；

Pv——與液體溫度相對應的飽和蒸汽壓力；

γ——輸送液體重度；

Hg——液面到泵葉輪中心的高度；

Σhw——吸入管路流動損失。

從上式可知，NPSHa與吸水液面壓力P0、液體飽和蒸汽壓力Pv、吸入管路流動損失和幾何安裝高度Hg有關，與泵本身并無關系。

綜上可知，泵進口處的富裕能量NPSHa只要大于或者等于泵的預留余量NPSHr，就不會產生汽蝕現象。因此，可以通過控制泵的安裝高度（Hg）及管路流動損失（Σhw），來達到設計預期。

另外，因為消防泵的設置關系到全船的安全，尤其應急消防泵經常布置在船艏或者船艉這些遠離雙層底的位置，相對較高的位置使得幾何安裝高度Hg增大進而導致HPSHa減小，增大了汽蝕發生的風險，在此需要設計人員特別注意。

3.2 吃水線的確定

上述計算中Hg很重要，但要想確定其數值，就必須先行確定船舶的吃水線。但因為船舶的運行環境很不穩定，存在各種搖擺及傾斜狀態，因此吸水水位就不能像陸基泵那樣，選定簡單的某一水平面。因此，針對水線的確定，MSC也已經給出了相關準則，即MSC.1/Circular.1388通函的有關規定。并據此制作具體船型的縱搖及升沉實船對應圖，同時進一步列出其要求的幾種吃水線和船舶狀態，作為模擬船舶航行的各種狀態，并以之為基礎進行核算。

狀態一：考慮縱搖并海面升沉，船舶縱搖及海面升沉狀態參數如表2所示。

表2 船舶縱搖及海面升沉參數表

圖3為縱搖結合升沉的實船吃水線示意圖，其與消防泵吸入管的交點A點即是此種情況下的吃水線高度。

圖3 縱搖及升沉實船對應圖

狀態二：考慮橫搖并升沉的狀態（有龍骨船舶φ角度11°），如圖4所示。

狀態三：船平浮水線螺旋槳浸沒2/3狀態，如圖4所示。

狀態四：船輕載到港（無貨物，但有10%燃油和其他消耗品以及保持船舶的最小壓載要求時的狀態），如圖4所示。

圖4 各種工況狀態下的吃水線軸向視圖

可見，在圖4中的A點也即圖3中的A點。在4種模擬狀態中，狀態二（考慮橫搖并升沉，有11°） 最為嚴峻，水線最低。因此取此C點位置作為計算的水線點，通過模擬泵的安裝高度和管路走向，計算出液面距葉輪高度Hg和管路沿程損失。

至此，利用上文所介紹的2種避免氣蝕的計算法開始校核泵及管系的布置情況。以NPSH法為例，通過計算公式得到NPSHa的值，有了這個數據為基礎，就可以來核算當前最嚴苛吃水狀態下的NPSHa與NPSHr是否足夠滿足要求。如果核算結果使得NPSHa＞（NPSHr+1 m）（即ABS，GL等船級社的要求） 成立，則說明設計的應急消防泵布置位置及管路設計情況已經滿足要求，不會產生葉輪汽蝕現象，滿足了船級社的規范要求；如果不能滿足條件，則說明泵的布置安裝高度過高，或者管路設計阻力太大，就必須做出調整直至滿足條件。

船舶消防泵是很重要的船舶安全系統部件，汽蝕問題又嚴重威脅著船用泵的安全運轉。作為船舶設計或施工人員，應盡可能利用現有條件，優化設計，使船舶上的消防系統安全穩固運行。

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[3]李一存.柴油機水泵穴蝕的原因及改進措施[J].柴油機設計與制造,2011(3):10-12+31.

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［責任編輯：劉 月］

Arrangement of Marine Emergency Fire Pump

ZHANG Hang，LIU Guanhua
(Hudong-Zhonghua Shipbuilding(Group)Co.,Ltd,Shanghai 200129,China)

U664.88

A

2095-5928（2017）04-21-04

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2017.04.006

2017-05-10

張航（1985-），男，遼寧朝陽人，工程師，學士，研究方向：輪機工程與船舶動力裝置。

劉冠華（1984-），男，山西陽泉人，工程師，學士，研究方向：船舶工程技術與船舶輔機。