40萬t智能礦砂船用錨絞機泵組冷卻水箱結構改進

許扣喜， 陳 江， 劉 迎, 秦國文， 丁永強， 韓 斌， 顧天飛

(上海外高橋造船有限公司， 上海 200120)

0 引 言

第二代40萬t超大型智能礦砂船已建造完工并順利交付，該船總長361.9 m、型寬65 m、型深30.4 m，是國內先進、世界領先的船舶產品。相對于第一代超大型礦砂船，綜合性能得到了大幅提高，節能效率達30%，具有經濟、綠色、環保、節能、安全等特點，其主甲板相當于3個足球場的面積，建造要求高，對錨絞機的安裝使用[1]提出更嚴格的要求。

文獻[2]主要說明了各類船用錨絞機的使用工況，對于礦砂船錨絞機的設計使用有一定的參考意義；文獻[3]對錨絞機的齒輪減速器的箱體進行結構應力分析，并在保證安全可靠的條件下，以減輕質量為優化目標，對減速器箱體的結構進行優化，可作為錨絞機減速器選型的參考依據；文獻[4]對液壓錨絞機的墻架結構進行結構靜力學分析，對墻架的板厚進行優化，使得錨絞機的墻架結構更加合理可靠；文獻[5]對錨絞機基座與甲板上的反頂加強結構進行設計，隨后對該結構進行靜力分析，可用于指導錨絞機基座的設計和甲板上起支撐作用的反頂加強結構的設計；文獻[6]采用兩種加載方式對某浮吊錨絞機基座及相關船體結構的局部強度進行直接計算,并對比分析這兩種方法所得的應力結果。

1 錨絞機泵組臨時冷卻水箱制作的必要性

錨絞機是必不可少的船舶機械，安裝在船舶的甲板上，主要完成起錨、系泊和帶纜等作業。對于船廠來說，錨絞機一般是根據船型的需要在錨絞機廠家訂制的，船廠負責錨絞機的定位安裝、安裝后主軸的精度調整以及錨絞機使用前的投油工藝等[7]。工作內容包括錨絞機基座的定位焊接、止推塊的加工拂磨、錨絞機的定位吊裝、水平對中調整、環氧澆注、液壓管校制、錨絞機液壓管的投油、電控箱的安裝和帶纜拉力試驗等步驟[8-9]。錨絞機通常在船塢內分段搭載后安裝，在施工周期較短的情況下，由于船塢周期的限制會將錨絞機的安裝定位工作提前至分段搭載前的平臺總組階段進行，錨絞機安裝工序提前有利于縮短船舶在船塢內的建造周期。

船舶在出塢期間及碼頭系泊的初期階段，在船塢內需要使用錨絞機進行的主要工作有：船塢內錨鏈總根的掛接及錨鏈的全部收起；出塢下水前的帶纜、錨鏈摯鏈器的定位安裝工作；船舶在碼頭系泊期間需要根據江水潮汐的變化情況不斷調整船只狀態[10]。上述施工過程需要錨絞機長時間工作，而此時錨絞機泵組冷卻水供給受2個工況的限制：一是分段上管系的安裝不完整，通水管路不能完全打通而處于正常工作的狀態；二是船舶機艙設備在調試過程中也不能完全達到系統正常使用的完整狀態。

由于上述條件的限制，錨絞機在使用時其泵組無法得到正常的冷卻水供給，在實船建造過程中錨絞機泵組在沒有冷卻措施的條件下長時間運轉易出現3種問題：(1)在無冷卻措施的條件下持續工作導致泵組內油溫升高，在一定情況下極易產生大量的冷凝水，加大了液壓油乳化的發生概率。(2)液壓油長時間高溫會直接導致油的黏度稀釋。(3)當液壓油的溫度達到或接近75 ℃時，會觸發錨絞機泵組的報警系統引起報警停泵。上述問題影響了錨絞機的正常運轉，使得船塢內的部分施工工作無法正常開展。

此時須對錨絞機泵組增加冷卻措施，制作1套臨時供水系統：錨絞機外置臨時冷卻循環水箱，可對錨絞機泵組內的液壓油進行冷卻，從而保證錨絞機泵組的正常工作，解決錨絞機泵組在無冷卻條件下長時間運轉出現的問題。

2 錨絞機泵組臨時冷卻水箱的結構

錨絞機泵組冷卻水箱的原理如圖1所示， 現場應用的實物圖如圖2所示。

圖1 錨絞機泵組冷卻水箱原理圖

在錨絞機泵組冷卻水箱結構組成方面，水箱的箱體由10 mm的鋼板焊接而成，內置1塊犧牲陽極用于減緩鋼制水箱箱體的腐蝕，一般采用鋅塊作為犧牲陽極。水箱外部安裝220 V、2.2 kW的可逆式電機水泵1臺，現場安裝圖如圖3所示。電機主要用來為冷卻水箱的冷卻水提供循環動力，電機水泵安裝固定在用角鐵焊接成的電機基座上，電機水泵上安裝相應的吸水管路與出水管路，吸水管路用于吸收水箱中的冷卻水，在使用過程中需控制冷卻水箱內的水位，使得吸水管的下端始終低于水箱內的水位，避免電機空轉造成損壞。出水管路與錨絞機泵組相連，循環冷卻液壓油，另外在水箱的下部開1個泄放孔并安裝泄放塞，用來控制水箱內的水位以及后續水箱內壁清洗排水。冷卻水箱上安裝1個控制箱，控制箱是電動抽水電機的接電箱。

圖3 可逆式電機水泵安裝圖

臨時冷卻水箱的工作原理：冷卻水箱內的水通過水泵吸至錨絞機泵組內，由于冷卻水與液壓油的溫差，液壓油放熱降溫冷卻水吸熱升溫，冷卻水循環至冷卻水箱中與原有水融合冷卻，而后再被抽出供給泵組進行循環，以實現對泵組的持續冷卻工作。冷卻水箱的制作和使用使得錨絞機泵組在運轉過程中有一個充分降溫的過程，從而達到泵組運轉時對溫度的要求。

由于錨絞機泵組臨時冷卻水箱是在實船建造的船塢、碼頭初期階段運用的，通常將錨絞機泵組的臨時冷卻水箱整體吊裝至甲板上進行使用，因此在冷卻水箱上安裝4個用于吊裝的吊環。水箱另一側安裝腳手踏步梯，腳手踏步梯焊接在冷卻水箱的箱體上，工作人員可以爬上腳手架觀察水箱內的水位，也方便后續冷卻水箱的清洗排水。

冷卻水箱在使用過程中在很大程度上緩解了液壓油的乳化，連接法蘭的泄漏問題也得到明顯改善。但是，在一定的工作環境下易出現一些問題，在夏天天氣炎熱的工況下，冷卻水箱的箱體在暴曬下溫度可達45 ℃，冷卻水在錨絞機泵組內循環冷卻過程中溫度也在逐漸升高，當冷卻水的溫度達到或接近75 ℃時，其溫度接近錨絞機泵組內液壓油的溫度，此時冷卻水循環起不到對錨絞機泵組內液壓油的冷卻作用，冷卻效果消失，并伴有報警停泵現象而達不到冷卻功效，同時在高溫下，液壓油的乳化現象與法蘭處的O型圈爆裂損毀問題加重。

針對錨絞機泵組液壓油冷卻水箱存在的問題，對原有冷卻水箱的結構和功能進行改進，改進的目的是解決高溫下錨絞機泵組液壓油冷卻效果不佳的問題。改進的方法是增加1套散熱裝置散發循環水的熱量，使得循環冷卻水與錨絞機泵組內的液壓油達到一定溫差，能夠在外界溫度較高的情況下，達到對液壓油的冷卻效果。

經過現場調研，分析現有的工作條件和施工工況，以及現場可提供的資源，提出解決該問題的具體改進方向，主要采用如下兩項措施：一是通過增加冷卻水內的循環路徑來加大散熱面積，促使冷卻水散熱；二是向冷卻水箱內間斷性地通入壓縮空氣或者壓縮氮氣，通過氣體的吹散來吹出冷卻水的熱量，降低冷卻水的溫度。

3 錨絞機泵組冷卻水箱的結構改進

綜合上文內容提出錨絞機泵組冷卻水箱的結構改進方案，改進后的冷卻水箱結構原理如圖4所示。在錨絞機泵組冷卻水箱的箱體內增加3道擋板，3道擋板的高度依次降低：當冷卻水在錨絞機泵組內循環1周后通過注水管注入冷卻水箱內，水箱的第1道水密擋板內的水位上升，當水位高于第1道擋板后流入第2道水密擋板限定的空間，此時第1道擋板內的水位變化減緩，第2道擋板內的水位上升；當超過第2道擋板后冷卻水注入第3道擋板，第2道擋板內的水位變化減緩，第3道擋板限定的空間區域內布置可逆式電機水泵的吸水管路；第3道擋板內的冷卻水被電機吸出后，通過循環流動來冷卻錨絞機泵組內的液壓油，水循環1周后再次注入冷卻水箱的吸水口，開始與上述過程相同的新一輪循環。

圖4 錨絞機泵組冷卻水箱改進原理圖

同時，在3道擋板分成的隔艙區域內通入壓縮空氣或壓縮氮氣，通過壓縮空氣的流動帶走熱量來降低冷卻水的溫度，當第1道與第2道擋板的隔艙水位變化減緩時，水箱內的冷卻水主要通過通入的壓縮空氣來散熱。

循環1周的高溫冷卻水在參與下一次循環前會經過3道隔艙，有效延長冷卻水的流動路徑和時間，增加散熱面積，延長散熱時間，散發了錨絞機泵組液壓油冷卻過程中帶出的熱量。通過通入壓縮空氣或氮氣使箱體內的水得到充分的翻滾，可增加冷熱水的融合和熱氣的流動速度，加速熱量的散發。

水箱內部3道隔艙可為壓縮空氣或壓縮氮氣的氣體管路的安裝固定提供支撐。壓縮空氣管路采用鍍鋅無縫鋼管，通過管支架固定在3道隔艙上，同時在氣體管路上交叉開設排氣孔，冷卻水循環工作過程中，壓縮氣體可以直接注入水中，增強壓縮氣體的冷卻效果。在冷卻水箱的外側焊接1個半圓形支架，支架上裝有標配氮氣1瓶同時配有氮氣的連接附件1套，連接附件主要用于空氣管路相接，在沒有壓縮空氣供給的情況下可作為工作用氣來冷卻水箱內的冷卻水。在確定3道擋板的安裝位置時，為了提供足夠的水量保證電機正常運轉，第3道水密隔艙與冷卻水箱艙壁的距離較遠。

4 結 論

在使用效果上，上述錨絞機泵組冷卻水箱的改進結構得到了船舶所有人、船檢認可，錨絞機液壓管的工作壓力約20 MPa，一旦發生液壓管爆裂將存在較大的安全隱患。同時，液壓油的泄漏將導致錨絞機無法正常工作。在船用冷卻系統無法正常使用的情況下，冷卻水箱臨時替代錨絞機液壓管冷卻系統，從而保證錨絞機的正常使用。2018年上半年船只出塢或碼頭移泊過程中發生過8次液壓管爆裂現象，尤其是在高溫季節問題尤為突出,錨絞機運轉不到15 min油溫已達60 ℃以上，一旦油溫超過80 ℃，容易造成液壓管過熱，即導致密封圈軟化或液壓油乳化等問題。2018年上半年造成直接經濟損失20萬元以上，間接損失100萬元以上。2018年下半年冷卻水箱投入使用后，錨絞機液壓管整體溫度得到控制，高溫季節基本保持在50 ℃以下，秋季和冬季基本控制在35 ℃以下。

經濟效益：液壓油損失方面，每次爆裂將會產生至少一桶油(200 L)的損失，合計人民幣約4 000元；人工損失方面，首先需要將管路內的液壓油抽出，再將爆裂管段進行拆除更換密封圈或液壓管，整個過程將耗費大量工時；影響計劃方面，如在出塢時發生爆裂至少須延期出塢1 d，影響整個生產過程的計劃實施，損失金額達百萬元以上。

在后續工作中采用有限元分析軟件對錨絞機泵組冷卻水箱進行結構應力分析來優化水箱的結構，協助設計人員采用合理的鋼板厚度，使得錨絞機冷卻水箱的板厚既滿足強度要求又能合理地減輕水箱自身的質量，通過吊裝應力分析合理控制水箱吊裝過程中的變形量。由于錨絞機冷卻水箱在船塢階段進行應用，建議在平臺上將其安裝完畢并調試完成后使用吊車將其吊入在建船只的甲板上，水箱的質量與變形量也需控制在一定的范圍內。