王超武

摘 要：某大型工程船在拖航過(guò)程中，發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)冷卻水泵常出現(xiàn)吸空現(xiàn)象，導(dǎo)致冷卻水溫高升，原動(dòng)機(jī)冷卻水高溫保護(hù)自動(dòng)停車，全船失電。為解決冷卻水泵吸空現(xiàn)場(chǎng)，作者對(duì)該船的海水冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析并加以改造。經(jīng)過(guò)對(duì)該船海水冷卻系統(tǒng)的改造，消除了冷卻水泵的吸空現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，確保船舶安全。

關(guān)鍵詞：冷卻水泵吸空；原因分析；設(shè)計(jì)改造

中圖分類號(hào)：U664.5+8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： During the towing of a large engineering ship， the cooling water pump of the engine of the generator has an air suction phenomenon， which causes the cooling water temperature to rise， high water temperature protection of the engine automatically stops and the full ship loses power. In order to solve the problem of cooling water pump suction empty， this paper analyzes and modifies the seawater cooling system of the ship， the suction empty phenomenon of it is eliminated ， the stable operation of the generator is ensured and the ship is safe.

Key words： Suction empty of cooling water pump； Analysis of cause； Design and modification

1 前言

某大型工程船是一艘無(wú)限航區(qū)作業(yè)起重工程船，適用于海洋油氣開(kāi)發(fā)及維修、海上救助打撈工程等，最大起重能力為900 t（固定）/450 t（回轉(zhuǎn)）。該船主要尺度及參數(shù)：船長(zhǎng)100 m、船寬30 m、型深8 m、設(shè)計(jì)吃水4.1 m、設(shè)計(jì)排水量11 051 t；動(dòng)力站由兩臺(tái)760 kW CAT3512柴油發(fā)電機(jī)組、兩臺(tái)230 kW CAT3406BTA柴油機(jī)組和一臺(tái)90 kW 6135ZD應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組組成；推進(jìn)動(dòng)力由3臺(tái)400 kW側(cè)推組成。

該船在拖行過(guò)程中，常出現(xiàn)發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)冷卻水泵和其他設(shè)備冷卻水泵吸空現(xiàn)象，導(dǎo)致原動(dòng)機(jī)冷卻水溫突升、水箱水開(kāi)跑水、原動(dòng)機(jī)水溫高自動(dòng)保護(hù)停車，全船失電。

2 冷卻水泵吸空原因分析

（1）拖輪拖帶原因

該船長(zhǎng)距離航行時(shí)需要拖輪拖帶。拖輪拖帶航行時(shí)，拖輪船身劇烈搖擺，拖輪雙螺旋槳在工作過(guò)程帶進(jìn)大量的空氣，特別在螺旋槳打空車時(shí)更甚，水中混合的空氣形成大量氣泡，隨螺旋槳的水流作用打到被拖船船底，部分空氣泡隨著海底門進(jìn)水口進(jìn)入海水總管。

（2）船體結(jié)構(gòu)因素

該船船體結(jié)構(gòu)為箱式平底結(jié)構(gòu)，對(duì)水阻力系數(shù)較大（約0.8），形成箱蓋效應(yīng)，船底下混合氣泡難以溢出。航行過(guò)程中，船體搖擺不間斷地跨壓浪涌，大量空氣在箱蓋作用下裹罩在船底下隨著水流從海底門進(jìn)水口進(jìn)入海水總管。

（3）海水總管傾斜向上走向設(shè)計(jì)原因

該船海水總管的走向設(shè)計(jì)存在缺陷（見(jiàn)圖1），從海底門到冷卻設(shè)備的吸入口這段海水總管是坡度約25o的向上傾斜的設(shè)計(jì)。根據(jù)水中氣泡向上升的原理，在水流和壓力作用下增加了空氣泡進(jìn)入海水總管的機(jī)會(huì)。

（4）海底門透氣閥箱偏小及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔

該船海底門透氣閥箱設(shè)計(jì)偏小（見(jiàn)圖2），只有1000 mm×650 mm×1000 mm，容積偏小不利于水中混合氣泡分解、飄溢，并且透氣總管入口端設(shè)在閥箱的底部。海水中的大量混合氣泡雖然在海底門進(jìn)水口處與隔柵碰撞后破裂，部分空氣從透氣管溢出，但透氣總管管徑偏小不利于空氣溢出，在水流和壓力的作用下，剩余部分空氣泡進(jìn)入海水總管。其次海底門透氣閥箱內(nèi)腔設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，不利于海水混合氣泡碰撞破裂排出。

（5）冷卻水泵選型匹配分析

由于發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)所配置的冷卻水泵均為不帶自吸裝置的離心泵，該類水泵的排空能力較差，冷卻水泵舷外出水口距離泵體較長(zhǎng)且曲折，管道上布置了3個(gè)截止閥和一個(gè)防浪閥，出水經(jīng)過(guò)冷卻器和管道后，背壓較大。因冷卻水泵功率偏小，進(jìn)水管中有空氣和出水背壓大，泵體內(nèi)存在空氣，水泵經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)氣縛現(xiàn)象。氣縛現(xiàn)象產(chǎn)生令冷卻水供應(yīng)不足或中斷致使原動(dòng)機(jī)冷卻水箱水溫驟然升高后水開(kāi)井噴，水溫過(guò)高發(fā)電機(jī)組保護(hù)裝置動(dòng)作，發(fā)電機(jī)組自動(dòng)停機(jī)，電網(wǎng)失電。

要解決發(fā)電機(jī)冷卻水泵出現(xiàn)的吸空現(xiàn)象，最經(jīng)濟(jì)的辦法是對(duì)海水冷卻系統(tǒng)的海底門透氣閥箱進(jìn)行改造，減少或消除空氣進(jìn)入海水總管，從而消除冷卻水泵的氣縛現(xiàn)象，確保冷卻水供應(yīng)正常，令發(fā)電機(jī)正常工作。

3 海水冷卻系統(tǒng)海底門透氣閥箱改裝設(shè)計(jì)及施工工藝

（1）增大透氣閥箱的結(jié)構(gòu)尺寸，從1000 mm×650 mm×1000 mm改為2000 mm×1800 mm×3800 mm，體積增大特別透氣閥箱高度已達(dá)3800 mm，已接近海底門的吃水深度（該船工作常規(guī)吃水4200 mm～4600 mm之間），箱內(nèi)水壓力已降至很低，接近大氣壓，更有利水中混合汽泡破裂釋放，空氣從透氣管溢出。大量減少箱內(nèi)汽泡積聚，減少空氣進(jìn)入海水總管的機(jī)會(huì)。閥箱體選用14 mm船用鋼板。采用CO2氣體保護(hù)焊接，焊接時(shí)將鋼板兩面切割5 mm×10 mm的斜口，兩面燒全焊，工程完畢后做壓風(fēng)試驗(yàn)。

（2）根據(jù)水中汽泡撞擊破裂溢出的原理，在閥箱內(nèi)焊接一塊導(dǎo)流板將水流進(jìn)行導(dǎo)向流動(dòng)，海水從海底門進(jìn)來(lái)后，經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板作用，水中混合的汽泡在導(dǎo)流過(guò)程中與導(dǎo)流板撞擊后，加速汽泡破裂使空氣上升從透氣管溢出，特別在導(dǎo)流板上加焊65 mm×65 mm角鐵阻隔條，加大水流的撞擊力度和改變水流趨勢(shì)，大大提高水中汽泡的破裂力度令水中汽泡釋放溢出。導(dǎo)流板選用14 mm船用鋼板，導(dǎo)流板與透氣閥箱體兩壁密封焊接接，采用CO2氣體保護(hù)焊接。65 mm×65 mm的角鐵阻隔條與導(dǎo)流板面要燒全焊。endprint

（3）導(dǎo)流板的橫撐和背撐也是利用水中汽泡撞擊破裂溢出的原理，在閥箱內(nèi)不同的位置設(shè)置橫撐、背撐。橫撐、背撐首先起到加強(qiáng)導(dǎo)流板固定作用，另外，在海水的導(dǎo)流過(guò)程中水中的汽泡跟隨水流上升，汽泡在上升過(guò)程中撞擊障礙物（橫撐），而且橫撐分布在不同而相互錯(cuò)開(kāi)位置，能使從不同方向上升的汽泡得到接觸撞擊，結(jié)合導(dǎo)流板的作用，最大限度使海水中混合的汽泡在閥箱的入水側(cè)（右箱房）破裂，上升溢出。小部分汽泡越過(guò)導(dǎo)流板進(jìn)入海水總管的入水則（左箱房），因水流越過(guò)導(dǎo)流板后，水壓已降到很低（導(dǎo)流板安裝高度已達(dá)3 500 mm，船舶吃水在4 200 mm～4600 mm之間），接近大氣壓力，混合在水中的汽泡在低壓狀態(tài)下得到溢出。汽泡往低壓處飄溢的原理，從海底門進(jìn)來(lái)的混合汽泡經(jīng)過(guò)導(dǎo)流板提升后在水壓的作用下從透氣管排出。最大限度的減少空氣進(jìn)入海水總管。透汽閥箱內(nèi)所有附件安裝完畢，在閥箱內(nèi)壁均勻布設(shè)防腐鋅塊20塊（8 kg/塊），燒焊完畢，閥箱內(nèi)噴涂防銹底漆2度，每度間隔4小時(shí)，之后再噴涂綠色橡膠面漆3度。噴涂過(guò)程中注意防腐鋅塊用報(bào)紙包起保護(hù)起來(lái)，噴漆完畢把保護(hù)紙除掉。

（4）加大透氣管和形狀設(shè)計(jì)。

把透氣管從Φ89 mm改成Φ150 mm，有利于水中空氣的溢出。透氣管出口提升到閥箱的頂部，按上述水中汽泡分解溢出的設(shè)計(jì)結(jié)果，水中混合汽泡大部分溢出上升，并匯集在閥箱的頂部，通過(guò)透氣管端口的喇叭型匯集口。收集溢出的空氣導(dǎo)流從透氣管溢出。

經(jīng)過(guò)系列設(shè)計(jì)施工，某大型工程船新低位海底門透氣閥箱改造完成（如圖3）。

4 設(shè)計(jì)及改裝結(jié)論

經(jīng)過(guò)改裝，該船透氣閥箱透氣效果明顯。在一般海況的拖航，水泵氣縛吸空現(xiàn)象基本消除，原動(dòng)機(jī)冷卻水泵工作穩(wěn)定，供水持續(xù)、穩(wěn)壓，流量正常穩(wěn)定。特別從透氣閥箱改裝完畢這兩年多以來(lái)，該船常在離岸100多n mile的石油平臺(tái)作業(yè)，該海區(qū)條件惡劣，浪涌大，在蒲氏4級(jí)風(fēng)下，浪涌已達(dá)3～4 m，船舶在上述海區(qū)作業(yè)時(shí)搖擺激烈，駕駛臺(tái)顯示有時(shí)達(dá)15o～18o。在如此惡劣的海區(qū)里，大量空氣從海底門混合進(jìn)來(lái)，海水中的混合空氣經(jīng)過(guò)海底門透氣閥箱的一系列導(dǎo)流和分解后，空氣氣泡有效溢出。保證了水泵不會(huì)因?yàn)槲肟諝舛鴮?dǎo)致出現(xiàn)汽縛吸空現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)和改裝，海底門透氣閥箱工作可靠，透氣效果顯著，在主機(jī)艙的各冷卻水泵的工作穩(wěn)定性明顯提高，冷卻水泵吸空現(xiàn)象得到消除。各設(shè)備工作正常、穩(wěn)定，有力確保了機(jī)艙設(shè)備的安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 富貴根，費(fèi)千.船舶輔機(jī)[M].大連海事出版社，2010.

[2] 張也影.流體力學(xué)[M].高等教育出版社，1999.

[3] 曾平.船舶材料與焊接[M].哈爾濱工程大學(xué)出版社，2006.endprint