國外船用泵應用現狀及特點分析

汪曉菲，李佳佳，王鵬靜

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

船用泵是指安裝于船舶上的輸送流體或使流體增壓的機械，被用來輸送海水、淡水、污水、滑油和燃油等各種液體。船用泵在現代船舶上有著十分廣泛的應用，據不完全統計，在各種船舶輔助機械設備中，各種類型和不同用途的船用泵總數占船舶機械設備總量的20%～30%[1]。國外船用泵以提高效率和運行可靠性為目的，不斷改進老產品、開發新產品、重視泵的水力學、腐蝕磨損及機械設計，特別是轉子動力學設計[2]。

1 國外船用泵應用現狀分析

1.1 軍船應用

在軍船領域，由于性能要求（低噪聲、抗沖擊）較高，相關制造廠商均需按照各類軍標及行業標準進行生產，獲得一級、二級及三級供應商資格已成為基本門檻。根據美國Huntington Ingalls工業公司（造船廠）的一級供應商名單[3]（見表1），美國海軍艦用泵I 級供應商主要包括美國的Barber-Nichols公司和Curtiss-Wright Flow Control Company-EPD公司等，其中，Barber-Nichols公司曾為日本川崎的Jetfoil和美國海軍的Pegasus級水翼艇生產了冷卻/消防泵MK-92火控系統中的Barber-Nichols 817000型船用泵，見圖1。

圖1 美國Barber-Nichols 公司船用泵

表1 美國海軍艦用泵一級供應商

除上述供應商之外，由于泵行業相對成熟，世界其它知名泵供應商業務范圍在國防領域也積極開拓業務，相關應用情況見表2，其中，美國Colfax公司已為世界各國海軍提供各類品牌（如：Allweiler、Imo、Tushaco和Warren）的泵產品集成。泵產品流量范圍為1 m3/h～7 000 m3/h，壓力高達20 MPa，最高功率375 kW（500 hp），符合各類美軍標及各船級社標準規范的要求。

表2 國外知名泵公司產品艦船應用情況

續表2：

1.2 民船應用

近年來，國外民船領域的泵不斷更新迭代，以提高自身技術水平，世界知名工業泵企業不僅在軍船領域積極拓展市場，在民用領域的應用也逐步向專用設備或系統轉變，個別領先企業已開始研發智能泵控制技術。

德國KSB公司是國際上泵、閥門和相關系統的領先供應商，提供種類齊全的船用泵，如：離心泵和齒輪活塞泵等，可應用于冷卻水、鹽水、艙底水和壓載水、火災防護、空調、鍋爐給水、熱水和淡水、化學、腐蝕性或高度易揮發的液體、潤滑油和燃料等各類船用領域。其AU系列船用泵是自吸式聯軸設計的離心泵，帶有開式或半開式葉輪，配備機械密封，內部由電動機或內燃機氣動。該型泵應用范圍廣，包括泵送清潔、污染和腐蝕性液體及固體，在淡水和海水中，作為消防泵及艙底泵使用，同時也應用于排水和廢水處理系統。

丹麥Grundfos公司在船用泵領域應用范圍包括供水、冷卻制冷、發動機艙、消防、水處理和鍋爐等，提供離心泵、計量泵、增壓泵、冷卻泵和離岸泵等。其在節能船用泵方面首屈一指，提出了Grundfos ISOLUTION智能泵系統，超越了單獨的組件系統，降低了50%的能耗[4]。該系統主要基于3個模塊：智能泵、云平臺及數字化服務。使用該系統后，泵可以與各種通信組件（如：控制器、驅動器和傳感器等）智能組合，優化特定的系統以滿足各類需求，準確高效地運用監測數據，提升系統的可靠性、可操作性及可預測性。

美國Colfax公司是一家專為海軍服務的泵業公司，近年來逐漸將服務領域擴展至商業船舶領域，其產品廣泛應用于各類船用領域，包括抽送液體系統和壓載系統等。2016年，該公司聚焦于大型船舶，推出6種規格的船用泵，專供60 000 t～200 000 t的大型船舶和海上應用使用的Allmarine MI-D離心泵系統。Allmarine MI-D離心泵系統是質量最輕、體積最小的水泵，具有高達3 900 m3/h的流量和50 m的輸送揚程，可用于抽送冷卻和壓載水系統的海水和淡水；其采用雙吸，對稱式設計，僅需使用1個軸封，無內部軸承，效率比普通軸承提高80%，具有流量大和壽命長等特點。

1.3 特殊環境應用

1.3.1 極地環境應用除了基本產品外，各供應商正將目光轉向特種用途泵中，如油輪裝卸、挖泥船、深水打撈船、大型船舶等，特別是極地及深海等惡劣環境的應用。目前專為極地海洋領域還發船用泵的供應商有挪威Arctic Pump Solution AS公司、丹麥Desmi公司等。

其中，挪威Arctic Pump Solution AS公司設計了單級立式離心泵和雙級立式離心泵來應對極端條件，材料形式包括鎳鋁、青銅和不銹鋼等，容量為10 m3/h～1 500 m3/h，采用機械密封，見圖2。

圖2 Arctic Pump Solution AS 極地單級立式離心泵

丹麥Desmi公司研發的DOP 200復式泵是應用于北極熊（polar-bear）收油機上的螺桿泵，見圖3，主要用于回收海面浮油、卸載小冰塊、切割雜物。在液壓驅動下，其不銹鋼螺桿在內部旋轉，使得排放壓力高達1 MPa。該型泵采用輕巧的鋁制外殼，配有切割刀，以防止任何碎屑殘留在泵中，這些切刀與壓力潤滑的螺桿軸承結合使用，可大大提高泵的可靠性。

圖3 丹麥Desmi 公司DOP 200 復式泵外觀圖

1.3.2 深潛環境應用

挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV）于2009年發布的水下技術相關標準規范Rules for Classification and Construction Ship Technology-Underwater Technology里明確對無人潛航器用泵提出了有關要求：一旦泵完成制造，泵制造商需開展承受最大允許工作壓力下的壓力測試、密封性測試和性能測試。此外，針對載人深潛器用泵提出了：承受壓力的泵應進行液壓試驗，泵的試驗壓力應為壓縮機最大允許工作壓力的1.5倍[5]。在嚴格要求下，美國Moog公司推出了最新一代的深海徑向柱塞泵（見圖4），具有耐用性高、噪音低，低流量和壓力脈動等特點，且該系列所特有的智能控制機制可保證用戶在液壓系統中施行有效控制。該系列產品有8種規格，最大轉速范圍為1 800 r/min～2 900 r/min。標準設計允許連續壓力達28 MPa，峰值極限為35 MPa，高壓版本允許連續壓力高達35 MPa，峰值極限為42 MPa。

圖4 美國Moog 公司徑向柱塞泵

2 國外船用泵應用特點分析

1）加強復合材料等新材料在船用泵上的應用

隨著材料技術的發展，以高分子復合材料、高阻尼合金材料和陶瓷材料為代表的新材料技術為船用泵的安全性、可靠性、防腐防漏、輕盈結構和減振降噪等設計提供了良好的基礎。2018年，澳大利亞斯威本科技大學的研究人員與多個機構專家合作研制出碳化物基防污涂層，并利用超音速火焰噴涂技術將其涂覆在基體表面制成試樣。測試結果表明：采用這種新型防污涂層后海洋生物的附著量減少了約50%。目前，這種防污涂層正被用于澳大利亞皇家海軍“堪培拉”號兩棲攻擊艦的液壓裝置（包括液壓泵）上以進一步驗證其上艦使用的可行性[6]。

2）重視船用泵性能提升及結構優化設計等技術問題的研究

要提高泵的性能水平，必須解決關鍵技術問題，這包括了自吸泵簡化結構研究、屏蔽泵/磁力泵可靠性提升研究和部分流泵效率提高研究等。船用泵領域極為重視復合結構技術的研究，縱觀泵技術的發展，多采用復合結構技術的結果，如：結合離心葉輪和旋渦葉輪，成為離心旋渦自吸泵；結合射流噴頭和離心泵，成為離心射流自吸泵等。

3）注重靜音泵、特種用途泵等船用新用途泵的研制

泵在船舶領域的應用非常廣泛，船用新用途泵不斷出現。在軍船領域，各國海軍均加強對靜音泵的研制，提升整體作戰水平。如：摩爾達維亞的水利工程科學技術中心研制了新型靜音泵，并應用于俄羅斯最先進的“北風之神”-A（955項目）和“亞森”-M（885項目）級潛艇[7]。該靜音泵可使俄羅斯核潛艇不被敵人水聲站探測到，且可使反應堆內的液體保持循環狀態，每次發射魚雷前，將魚雷發射管裝滿水，并可在潛艇潛入水底和潛出水面時發揮作用。

在民船領域，各供應商加強對特種用途泵的研制，包括特種密封泵、無密封泵和特殊船舶專用泵等。如：油輪用于裝卸的貨油泵、挖泥船用以抽吸泥漿的泥漿泵、深水打撈船上的打撈泵和噴水推進船上的噴水推進泵等，特別是應用于極地及深海等惡劣環境下使用的泵，美國Moog公司及英國Hayward Tyler公司等均對其展開了研發工作。

3 結論

基于對國外船用泵領域的主要供應商、典型產品及主要應用場景的市場調研，從新材料、關鍵技術問題及船用新用途泵3個方面，總結當前船用泵的應用特點后發現國外對船用泵的研究已經有了一定規模，在各型標準的規定下，已完成各類場景的應用，尤其是特殊用途泵的研發已實現了技術突破。在新材料新技術的加持下，船用泵的安全性、可靠性、防腐防漏性、輕盈性及減振降噪性能得到不斷提升。立足于此，我國必須重視船用泵的發展，在打好我國配套產業基礎的同時，關注專利風險的規避，形成有效的發展戰略，進而提升我國船用泵配套企業的競爭力。