某船低溫淡水冷卻系統壓力不穩定原因分析

劉清江，劉永歆，孫鵬然，王家支

(大連船舶重工集團設計研究院有限公司，遼寧大連 116005)

1 故障現象

某船在低溫淡水膨脹水箱重新被注入淡水，啟動淡水泵運行一段時間后，水泵的吸口壓力保持在正常范圍之內但出現壓力波動現象，出口壓力出現較大的波動并持續偏低，從而導致系統到其他設備的進口壓力明顯偏低，冷卻效果不好。低溫淡水系統運行一段時間后，受其冷卻的設備和系統溫度異常，出現溫度高報警，并且整體系統壓力波動極其不穩定，事件經過如下。

該船因低溫淡水系統涉及管路修改，必須把系統中的淡水全部放掉，當管路修改結束后重新往系統中的低溫淡水膨脹水箱加注淡水，加注完畢后啟動1臺低溫淡水泵并運行一段時間，低溫淡水泵的出口壓力基本維持在0.4 MPa左右，壓力值可以視為正常。然而在運行發電機等一些相關設備系統后，低溫淡水管線的壓力開始逐漸下降至0.32 MPa，甚至最低至0.27 MPa，一段時間后又可能回到0.38 MPa，同時該運行的泵出現輕微的噪聲和振動，相關需要冷卻的設備和系統出現高溫報警現象。工作人員認為是泵啟動的數量不足以滿足冷卻的需求，于是啟動了2臺低溫淡水泵，泵的出口壓力有所回升，上升至0.35 MPa左右，仍然沒有達到低溫淡水泵出口壓力要求。同時發現2臺低溫淡水泵在運行時都有輕微的噪聲和振動，相關需要冷卻的設備和系統出現高溫報警。通過采取各種常規的處理措施之后，分析現場的異常現象，并結合低溫淡水系統的自動溫度控制設計原理判斷，基本上可以斷定是離心泵本身故障導致或在泵的吸口管線里有“氣阻”出現。

2 低溫淡水冷卻系統介紹

該船的低溫淡水冷卻系統簡圖見圖1。設有3臺發電機和3臺低溫淡水泵，根據船舶低溫系統熱平衡計算低溫淡水泵能夠保證該型船的全部輔機設備能得到充分的冷卻［1］;其中3臺低溫淡水泵中，2臺完全可以滿足機艙全負荷營運時淡水需求，剩余1臺作為備用。正常工作時，高于低溫淡水泵吸口約20 m高度的低溫淡水膨脹水箱注滿水以滿足日常的冷卻淡水的需求，同時膨脹水箱還具有添加淡水處理藥劑和日常淡水的補水作用。三通溫控閥的閥芯角度變化和低溫淡水中央冷卻器的熱交換功能確保了系統淡水在一定溫度范圍內的恒溫。低溫淡水泵從三通閥的出口吸入，淡水經過中央冷卻器處理后用于其他用戶的低溫淡水冷卻，而發電機則是由自帶的淡水泵從三通閥的出口吸入經過中央冷卻器處理后淡水進行強制冷卻，冷卻后的回水重新回到主管中形成一個閉式循環。

圖1 低溫淡水冷卻系統簡圖

該船低溫淡水系統設備主要參數為:低溫淡水膨脹水箱，2.5 m3，距離低溫淡水泵的入口20 m;低溫淡水泵，525 m3/h×0.25 MPa，3臺，離心泵;低溫淡水泵電機，額定輸出功率55 kW，額定電流88 A;三通溫控閥，設定溫度為36℃。

3 壓力不穩定原因分析

結合相關設計手冊和離心泵的常見故障［2－3］，通過長時間觀察泵出口的壓力以及溫度變化，并拆檢了部分低溫淡水管路，出現泵出口壓力不穩定現象可能由以下4個原因造成:①泵的自身問題。主要包括裝配不當，外殼磨損環磨損，葉輪磨損，葉輪障礙等;②泵的轉速太低;③泵的外部條件變化。包括吸口管線堵塞，進出口壓力表指針不準確等;④泵的吸入管線存在“氣阻”。

3.1 泵的自身問題

根據對出現噪聲和振動的淡水泵進行拆檢和對船體結構細致的測量，分析可得該泵的裝配是沒有問題的，泵所在區域船體結構振動情況較好，同時也未發現泵外殼磨損環磨損，葉輪磨損，葉輪障礙的現象，故泵的自身問題可以排除。

3.2 泵的轉速太低

在泵的運行過程中，我們觀察到運行電流在60 A左右波動，遠低于額定電流88 A，泵的轉速有所降低。通過測量電機的輸入電壓發現電壓值并沒有改變，那么電機的轉速nf理應不會降低。然而根據泵軸功率與電機的轉速成正比Pe∝n3f分析可得電流的降低是由于泵的輸出功率降低了，從而導致了電機轉速的降低。故電機的轉速太低的原因也可以排除［4］。

3.3 泵的外部條件變化

泵的外部條件影響主要是指進出口壓力表的指針不準確以及吸口管線的堵塞。壓力表被拆下后送實驗室校核后證實這幾塊壓力表都是沒有問題的。通過拆檢大部分的吸口管線也沒發現有任何異物存在于管線之中，并且在泵的啟動初期，吸口的管線壓力還是正常的，由此判斷管線吸口堵塞也是不可能的。

3.4 泵的吸入管線存在“氣阻”

1)系統中空氣的產生。該船發電機認可資料圖紙中提到“管系檢修后，離心泵軸封可能泄漏，系統中比如發電機和水冷式壓縮機中的高溫水和低溫水的循環都有可能在系統中產生氣體”。

2)系統中“氣阻”的形成。在該系統管系修改重新注水時，施工人員也注意到了系統中可能存在空氣的現象。給低溫膨脹水箱注水的同時，反復開啟低溫淡水泵，在系統的最高處進行了排氣的操作。采取逐段管線拆檢的方式進行查驗和放氣(同時也查驗管系的堵塞)，最終在拆檢到機艙二平臺下一處直行直徑114管轉下行至泵吸口的直角彎管處，發現噴出大量的氣體。經過分析發現，如果船舶處于水平狀態，淡水在圖2所示直角拐彎處是很難積聚起來形成“氣阻”的，但是，恰恰該船在重新往低溫淡水膨脹水箱加注淡水的時期，船舶的壓載吃水處于前高后墜的艉傾狀態，當管系維修后，泵以及發動機等輔助設備運行時產生的氣體就會在這個直角彎處聚集而無法隨水流全部排出，又鑒于直角彎處本身的形狀以及船舶在漂浮狀態不穩定搖動，“氣阻”也就不會無限擴大導致管系斷流，“氣阻”僅僅維持在一定大小范圍之內。這樣也就導致了泵的吸口管線的水量忽大忽小，也就不難理解系統壓力的不穩定了。“氣阻”形成原理見示意圖2。

圖2 “氣阻”形成示意圖

4 解決措施及預防

根據上述原因分析，本船的低溫淡水壓力不穩定主要是由兩方面造成的。一方面為船舶低溫淡水系統的管線修改以及系統中的輔助設備運轉時自身會產生空氣，另一方面是船舶艉傾壓載狀態時泵吸口管系直角彎處形成的“氣阻”。為避免類似情況的發生，可以采取以下預防措施。

1)低溫淡水系統管線修改后，重新注加淡水的同時啟動淡水泵，利用系統中各設備放氣閥逐漸排氣。

2)鑒于系統運行過程中有空氣產生，在圖1的云線標記處設計1個除氣箱。

3)系統高處管路設計應盡量避免垂直直角彎，而是采用大角度彎或斜直設計。若管線有垂直直角彎，可以在直角彎處設計1個放氣閥，該船的處理措施正是采用了增加放氣閥的方法。

［1］中國船舶工業集團公司等.船舶設計實用手冊:輪機分冊［M］.3版.北京:國防工業出版社，2013.

［2］任福安，王名涌.輪機工程基礎 (上冊)［M］.大連:大連海事大學出版社，2008.

［3］童大鵬，田野，任榮社.船用離心泵典型故障及排除［J］.中國修船，2013，26(5):48－50.

［4］關醒凡.現代泵技術手冊 ［M］.北京:宇航出版社，1995.