20 000 TEU首制船艙底水輸送泵問題分析

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

管路系統設計的優劣會影響系統的正常運行，嚴重的則會影響系統的功能，所以在管路系統設計的時候要綜合平衡各方面因素的影響，包括泵、艙室布置、管路。以及附件，等。本文從實例出發，著重分析艙底水駁運泵調試過程中碰到的問題及解決方法。

在建項目20 000 TEU項目首制船艙底水系統調試駁運過程中發現，艙底水輸送泵(單螺桿泵)有時候無法正常啟動，查閱設備資料中該泵控制圖紙發現，廠家在螺桿泵本體出口裝有一個壓力保護開關(壓力設定值在1～10 bar范圍之內，廠家出廠的時候默認設定置是1.5 bar)防止單螺桿泵發生干轉燒壞。在泵啟動的時候，如果泵出口壓力在設定時間(延時繼電器T2，設定時間范圍5～30 s)內達不到壓力設定值，出于安全考慮，壓力開關會觸發停泵信號，自動停泵。

調試過程中，調試人員發現這一問題后，先是檢查了管路，確定管路是否連接正確，是否有泄露。經過檢查確認不存在機械完工方面的問題后，遂和船東溝通，船東認為該壓力開關屬于過度保護裝置，想直接取消該壓力開關，但是生產廠家認為壓力開關是保護泵的，如果出口管路壓頭建立不起來，可能會引起單螺桿泵干轉，損壞泵，在咨詢船級社后船級社也不建議取消。

隨后查閱和分析艙底水輸送管系原理圖發現，艙底水輸送泵出口有3路管路。

管路I：將艙底水艙水駁運至甲板通岸接頭處；

管路II：將艙底水艙水駁運至艙底水預置柜；

管路III：艙底水艙通過泵循環。

3路管線差異非常大，包括管路長度、走向和終端布置等。由于泵出口壓力和管路具體走向及終端有關，所以對三路管線進行流體力學分析。

1 計算及分析

分析的目的是確定艙底水輸送泵的實際工況點。管子阻力計算已經極為成熟，計算方法很多，但是差異不大，本文僅介紹一種計算方法及有關參數的選取。

管路總阻力指管路直管段摩擦阻力與所有附件局部阻力之和。

1.1 直管段摩擦阻力

直管段摩擦阻力p1按式(1)計算[1]。

(1)

式中：λ為管子摩擦阻力系數；l為管路長度，m；di為管子內徑，mm;υ為管內流體流速，m/s；g為重力加速度，9.81 m/s2；ρ為密度。

1.2 附件局部阻力

附件局部阻力按式(2)[1]計算。

(2)

式中：ξ為局部阻力系數。

1.3 摩擦阻力系數

摩擦阻力系數λ多由經驗公式或由實管試驗圖表查取，其中摩擦阻力系數的經驗公式根據流體的區段及管子的粗糙等級有不同的計算方法，根據本文流體工況及管子粗糙等級(光滑管)采用如下公式[2]計算。

λ=0.032+0.221Re-0.237

(3)

式中：Re為雷諾數，

(4)

其中：D為管路內徑，mm，μ為流體黏性系數，Pa·s。

1.4 局部阻力系數

在不可壓縮流體的一元流動中，當流體流經某種局部障礙時，流線將發生明顯的彎曲，并出現漩渦，引起機械能的損失。該損失稱為局部能量損失，或局部阻力損失。局部阻力計算的關鍵是進行局部阻力系數的選擇，局部阻力系數主要與附件內部流體流通通路的幾何形狀有關，而且均通過大量的實驗求得。本文的局部阻力系數均由經驗數值查取。

1.5 泵進口管路分析

泵進口管路直管段大概14 m，管路吸口和泵進口之間垂直高度大約4.3 m,管路局部附件見表1。

表1 泵進口管路附件

把相關數據帶入式(1)和(2)，分別計算出直管段和附件局部阻力，繪制泵和管路特性曲線[3]見圖1。圖中泵特性曲線數據由廠家提供，泵的額定工況點是20 m3/h,4 bar。

圖1 泵和管路特性曲線

1.6 泵出口管路分析

管路I。將艙底水艙水駁運至甲板通岸接頭處。管路直管段長度大概120 m，泵出口和通岸接頭之間的垂直高度有27.4m，管路局部附件情況見表2。

把相關數據帶入式(1)和(2)，分別計算出直管段和附件局部阻力，繪制泵和管路特性曲線，見圖1中管路I曲線。艙底水輸送泵實際工作點從圖1可以看出是管路I和泵的交叉點，泵的實際工作壓力是3.067 bar,減掉進口阻力0.555 bar(可從圖1中吸入管路曲線查找)等于2.512 bar，大于艙底水輸送泵出口壓力開關設定值，泵可以正常工作。

表2 管路I附件

管路II。將艙底水艙水駁運至艙底水預置柜。管路直管段長度大概32 m，泵出口和艙底水預置柜之間的垂直高度約8.075 m，管路局部附件情況見表3。

表3 管路II附件[1]

把相關數據帶入式(1)和(2)，分別計算出直管段和附件局部阻力，繪制泵和管路特性曲線，見圖1中管路II曲線。艙底水輸送泵實際工作點從圖1可以看出是管路II和泵的交叉點，工作壓力是1.521 bar,減掉進口阻力0.591 bar等于0.93 bar，小于艙底水輸送泵壓力開關設定值(1.5 bar)，也小于艙底水輸送泵能夠設定的最小壓力值(1 bar)，艙底水輸送泵無法正常啟動。

管路III。艙底水艙通過泵循環。管路直管段長度約10 m，泵出口和艙底水艙之間高度-1.38 m，艙底水艙比泵出口位置要低，管路局部附件情況見表4。

表4 管路III附件[1]

把相關數據帶入式(1)和(2)，分別計算出直管段和附件局部阻力，繪制泵和管路特性曲線，見圖1中管路III曲線。從圖1中可以看出管路III和泵沒有交點，已經超出泵的工作范圍，泵無法正常工作。

根據以上計算分析，艙底水輸送泵只有在駁運至甲板通岸接頭處才可以正常啟動工作，其他兩種情況艙底水輸送泵都無法正常啟動工作。

2 解決措施

為了解決管路背壓低的原因導致壓力開關停泵，對癥下藥，從解決管路背壓低著手，在和船東溝通后，認為目前情況下在管路上增加節流孔板是最簡單方便的，征得船東同意后，分別在管路II和管路III上增加固定節流孔板[4]，以增加管路背壓。為了使工作點盡量靠近泵的額定工況，通過選型計算分別在管路II和管路III上增加直徑為26 mm和直徑為22 mm的固定節流孔板。

結合固定節流孔板規格，計算后對管路特性曲線進行優化，具體見圖2。

圖2 優化后艙底水輸送泵和管路特性曲線

由圖2可見，管路II和管路III實際工作點距離艙底水輸送泵額定工況點很接近。

管路II。管路出口壓力在減掉管路進口阻力后壓頭是26.77 m，大于艙底水輸送泵壓力開關設定值，泵可以正常啟動運行。

管路III。管路出口壓力在減掉管路進口阻力后壓頭是28.78 m，大于艙底水輸送泵壓力開關設定值，泵可以正常啟動運行。

3 結論

仔細分析此類設計問題出現的原因：初始設計的時候設計人員主要是考慮管路系統功能的原理性和經濟性，如此考慮設計可能就會使得原本簡單的系統變的比較復雜，但是由于只是原理性的設計，所以對后續生產設計階段管路具體走向欠缺考慮；到了后續生產設計的時候，生產設計人員由于缺乏詳細設計的經驗，在布置管路走向時對原理性的知識欠缺考慮，只會按照已有的原理圖來布置管路，沒有結合實際管路布置來考慮系統功能。為避免此類問題重復出現，可以從以下幾個方面著手：①在各個設計階段保證設計人員的連續性，保證主要設計人員貫穿整個項目，但是這種方法對設計人員掌握的知識量要求比較大，面也比較廣；②可以對不同設計階段的設計人員進行相關知識的培訓，不要求能夠獨立設計，但是至少要做到掌握前后道知識，然后再輔以不同設計階段交叉檢查，做到查漏補缺；不同體系的設計部門可以根據自身的情況去選擇適合自己的方法，但是不管選用第①種還是第②種，最后必須要做好校對工作，校對工作絕對不能少，不能把校對工作僅流于表面，而是要切切實實的付諸實施。