大型船舶主動力系統蒸汽冷凝器原位在線清洗

孟昭勇 張愛東 祝成煒 尚悅龍

1.浙江凱靈船廠 浙江舟山 316000；2.煙臺市人和清洗有限公司 山東煙臺 264000

1 船舶主冷凝器工作原理與清洗方法

1.1 主冷凝器的作用與工作原理

在蒸汽動力船舶上，主冷凝器是汽輪機裝置的重要組成部分之一。它的作用在于保持汽輪機排汽口所要求的真空度，以提高汽輪機工作的經濟性并保證其安全可靠地工作。船舶主冷凝器以海水作為冷卻介質對主汽輪機和輔汽輪機做功后的蒸汽進行冷凝，使做功后的蒸汽由汽態經間壁式換熱方式冷凝為液態，凝結水再通過給水泵回送到鍋爐作為循環補充用水。

1.2 水垢對動力系統設備的影響與危害

船舶經過一段時間航行后，主冷凝器海水側、蒸汽側均會結垢，即海生物垢、海鹽垢和水垢。當水垢厚度超過0.5mm 時，即可使主冷凝器真空度由90%以上降到85%以下。水垢的結生除嚴重地影響換熱效率外，還會對主冷凝器管束造成點蝕和脫鎳腐蝕。清潔的主冷凝器正常使用壽命在15 年以上，脫鎳或發生點蝕的主冷凝器可在3年內發生穿孔。如不及時清洗除垢，主冷凝器的端差增大、運行真空度下降、運行工況變差的同時使能耗增加，排汽壓力和排汽溫度升高、汽輪機低壓缸脹差發生異常變化，甚至導致低壓缸變形、機組震動，嚴重時可造成故障停機。

1.3 船舶主冷凝器在航期的清洗方法研究

對某在航期的船舶主冷凝器垢樣為灰黑色固體，夾雜部分海藻及貝殼類海洋贅生物。對其吉行成分分析，結果如表1 所示。

表1 某在航期的船舶主冷凝器垢樣質量組成%

對于此類混合垢，可以采用酸洗法。除硫酸鹽、硅酸鹽及泥沙外，其他大部分組分可被溶解。剩余的結垢可結合合適的施工工藝予以去除。

1.3.2 溶垢及腐蝕試驗

以碳酸鹽為主的結垢，可以采用RH- 6 凝汽器專用清洗劑（復合酸、緩蝕劑為主）進行清洗。垢樣中含有海藻及貝殼類海生物，可加入殺生劑。為防止鍍銅現象，清洗液中加入硫脲。溶垢及腐蝕性實驗結果見表2。

表2 溶垢及腐蝕性實驗結果

2 清洗工藝與清洗方法

通過垢樣成分分析,以及溶垢與腐蝕試驗，本次主冷凝器原位在線清洗工藝采用常溫化學清洗工藝。清洗工藝確定，采用5 層膠夾2 層布的閉水膠囊封堵主冷凝器海水進出口，隔離主冷凝器脫離系統，使其為獨立清洗單元。為確保清洗工藝可行，首先對封閉膠囊進行材料相容、強度和耐蝕試驗。

2.1 閉水膠囊的選取

2.1.1 密封材料的相容性

裁取閉水膠囊及墊片若干片，尺寸為50mm×25mm。分別浸泡于RH- 6 凝汽器專用清洗劑、去離子水中，在室溫下做全浸泡實驗，以考察膠囊和墊片與清洗劑的相容性。結果發現，無論是浸泡在清洗液中0～48h，還是在空白對比的去離子水中，膠囊、墊片試片都無變化，無起泡、發粘、溶脹現象，說明試片與清洗液具有良好的不相容性。

2.1.2 封堵氣囊的壓力測試

根據主冷凝器進出口管道的直徑，選擇Φ700mm、5層膠2 層布的復合閉水堵，以及Φ690mm 的3 層膠1 層布的復合閉水堵進行封堵壓力測試。測試結果顯示，5 層膠2 層布的復合閉水堵耐壓強度明顯高于3 層膠1 層布。當內部充氣壓力達到0.25MPa 時，3 層膠1 層布的閉水堵已經破裂。因此，選擇5 層膠2 層布的閉水堵作為封堵材料。

2.2 清洗工藝過程

（1）封堵主冷凝器冷卻海水腔進出口海水管，向主冷凝器管程注入殺生劑，殺滅海藻及貝殼類海生物贅生物，使其失去粘附力；

（2）使用RH- 6 凝汽器專用清洗劑清洗管束內的碳酸鹽垢和銅鐵垢；

（3）向管程中加入滲透劑、銅離子隱蔽劑，在碳酸鹽垢被溶解的同時，硫酸鹽、硅酸鹽垢被松動；

（4）通過鼓泡法、超聲波等物理方法將松動的鹽垢去除。

2.3 化學清洗過程與工藝調整

主冷凝器管徑為Φ16mm×1mm，長度3222mm，材質為B30，管數約6000 根，4 腔/ 2 臺。

2.3.1 浸泡清洗法

清洗1 號主冷凝器第一個海水腔時，其進出口處各加裝了一個復合閉水堵。然后按照清洗工藝流程，進行殺菌滅藻、酸洗。清洗過程中發現閉水堵有滑移情況，影響了循環清洗系統的正常工作。因此采用浸泡法清洗。40h 浸泡后，間隔2h 復測清洗液濃度，當其濃度差值小于0.2%時，即判定為清洗結束。

清洗結束后經檢查發現，除主冷凝器管板外，管束內部仍存在大量水垢。清洗前后圖片見圖1。

圖1 浸泡清洗法清洗前（a）后（b）對比照片

2.3.2 循環清洗法

清洗1 號主冷凝器第二個海水腔時，其前后各加裝了兩個復合閉水堵，滑移情況消失。按照清洗工藝進行清洗，約42h 后清洗結束。經檢查發現，采用循環清洗法清洗后，除垢率可達80%左右，基本滿足了設備的使用要求。但管束內仍存有少量結垢，仍未達到《工業設備化學清洗質量驗收規范》。

究其原因，是受到現場施工條件的限制，循環泵的流量不足，管內流速較低，約為0.046m/ s。結垢中不參與化學反應的硫酸鹽、硅酸鹽、泥沙等雜質，無法通過沖刷效應去除。清洗前后圖片見圖2。

圖2 循環清洗法清洗前（a）后（b）對比照片

2.3.3 氣脈沖循環清洗法

為提高管束內清洗液流體的運動狀態，在循環清洗的同時，往清洗液里通入脈沖空氣（氣脈沖頻率為1 次/ s，氣壓0.2MPa。），以增大流體的雷諾數，使管束內流體達到紊流狀態。按此方法對2 號主冷凝器第一個海水腔清洗，約36h 后清洗結束。經檢查發現，絕大多數管束內表面已經清洗干凈，少數管束內壁有結垢的殘留，除垢率達到90%以上，滿足設備使用要求。清洗前后圖片見圖3。

圖3 氣脈沖循環清洗前（a）后（b）對比照片

2.3.4 氣脈沖循環清洗結合超聲波清洗法

在現有條件下，為達到95%以上的除垢率，必須采取新的清洗工藝。為此，在氣脈沖循環清洗工藝的基礎上，增加兩臺超聲波發生器，振動頻率為28kHz，放置于主冷凝器海水管進出口兩端。

對2 號主冷凝器第二個海水腔進行氣脈沖循環清洗30h 后，停止循環，關閉氣脈沖；同時打開超聲波發生器，進行超聲波清洗，6h 后停止清洗。

經檢查發現，所有主冷凝器管板、管束都潔凈如新，除垢率高達95%以上，達到設備出廠的使用要求。同時，也滿足了《工業設備化學清洗質量驗收規范》的除垢率要求。清洗前后圖片見圖4。

圖4 氣脈沖循環清洗結合超聲波清洗前（a）后（b）對比照片

上述兩臺主冷凝器（4 個海水腔）均采用常溫清洗。

3 結果與討論

3.1 化學除垢清洗

從垢樣分析看，垢的主要成分為碳酸鹽、銅鐵銹，而這些組分是可以通過酸洗的方法去除的，具體反應如下：

通過上述一系列化學反應，可去除與酸反應的結垢。而不與酸反應的硫酸鹽、硅酸鹽和泥沙等結垢，可通過氣脈沖與超聲波清洗從主冷凝器管束內表面受熱面剝離。1號主冷凝器第一、第二個海水腔主要依靠化學反應除垢，但由于清洗液循環流速過低，導致對未反應的余垢沖刷效果不理想，未達到標準要求。

3.2 流體狀態與管內附加切應力

清洗液流體在管內流動時，會產生由液體粘性引起的微團間的內摩擦力（τ），符合牛頓內摩擦定律，見式（1）。

式中：μ——流體粘度；

Du——兩不同平面但平行的流體間的速度差；

Dy——兩不同平面但平行的流體間的距離[2]。

流體微團之間相互混雜或具有脈動速度而引起的附加切應力（τ＇）計算見式（2）。

式中：L——潤濕周邊長；

ρ——流體密度。

從式（1）和式（2）可以看出，附加切應力要比單純由粘性引起的內摩擦力大數百倍。只有流體處于紊流狀態時，微團間才會產生附加切應力，而層流狀態只有內摩擦力。清洗液流體的流動狀態是層流還是紊流取決于流體的雷諾數（Re），見式（3）。

式中：u——流體速度；

d——管道直徑。

當Re＜2320 時，為層流；當Re≥4000 時，為紊流。

根據式（3）計算，1 號主冷凝器第二個海水腔清洗時，清洗液在管中的雷諾數只有100 左右，顯然處于層流狀態，而僅靠內摩擦力是難于將管壁上附著的結垢清除的。2 號主冷凝器第一個海水腔清洗時加入了脈沖氣體，使得清洗液處于擾動狀態，接近于紊流狀態，流體會產生附加切應力，比內摩擦力大數百倍的附加切應力相對容易將管內的殘留結垢剝離。

3.3 超聲波清洗的作用

超聲波在本質上是物體的機械振動在彈性介質中傳播所形成的疏密的震動波，介質中的壓力交替變化。在聲波密集狀態區，液體承受正壓力；而在稀疏狀態區則承受拉力，在拉力集中的地方會形成空穴。

隨著空穴不斷地產生和閉合、消失，在空穴的周圍出現高達數百個大氣壓的巨大壓力，伴隨著強大的沖擊波，對工件表面產生清洗作用，使污物從工件表面上被剝離[3]。依靠超聲波的空化作用（圖5），使得殘留的未溶解的余垢從主冷凝器內壁上被剝離，進一步提升了清洗除垢率。

圖5 空化效應模型示意圖

2 號主冷凝器第2 個海水腔以超聲波作為輔助清洗手段。利用超聲波的空化作用，將主冷凝器海水腔受熱面上未被酸洗溶解的殘垢剝離，隨著清洗液的流動被帶出。

4 主冷凝器常規清洗與原位在線化學清洗效果對比

4.1 主冷凝器常規清洗方法

主冷凝器常規清洗必須在船舶停航進塢時才能進行；主冷凝器管程清洗、清潔必須拆除主冷凝器兩端大型端蓋，采用高壓水、打膠球、人工清捅、洗管機等物理、機械、人工等方法清洗和清潔。上述方法洗凈除垢率低、工期長、拆裝量大、安全性差，且只能對管程進行清洗和清潔。主冷凝器殼程（管間）清洗近年已有堿煮等化學清洗方法應用，但效果不理想，除垢率為80%～85%，蒸汽源提供難度大且容易出現堿腐蝕。

4.2 主冷凝器常規清洗與原位在線化學清洗效果對比

主冷凝器原位在線化學清洗是在大型船舶在航期不能拆解主冷凝器端蓋及進出水管，無法進行塢上機械或物理清洗的特定情況下，在確保主冷凝器設備安全，除垢率達95%以上質量指標的前提下，通過對不同原位在線清洗方法進行試驗篩選出氣動脈沖與超聲波清洗法結合的一種新型清洗工藝和清洗方法。詳見表5。

表5 原位在線化學清洗與常規清洗綜合效果對比

5 結束語

通過常溫原位在線化學清洗與常規清洗束段清洗法綜合對比，充分說明常溫原位在線化學清洗無論從工期、工程造價、除垢率、適用范圍、工程難度和拆裝工作量等諸方面都具有無可比擬的優越性，為提高設備完好率、利用率、保障裝備可靠性，以及船舶在航率、降低修船費用、縮短修船工期探索出了一條科學可行的高效清洗工藝和方法，有效解決了大型船舶不停航主冷凝器無法清洗除垢的技術難題。為船舶在航期的設備清洗養護提供了一個全新可靠的保障手段，對船舶主冷凝器在航清洗具有指導意義。