白二亮，許 磊，徐蘇華，彭言峰

（南通遠(yuǎn)洋船舶配套有限公司，江蘇南通 226006）

0 引言

以啟東中遠(yuǎn)海工建造的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)存卸貨平臺(tái)（FPSO）“Western Isles”為例，為水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)服務(wù)的液壓系統(tǒng)管路在制作和安裝過程中不可避免地會(huì)有焊渣、油污、塵粒等污染物殘留在管路中，考慮該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力和工作壓力分別為 56.9 MPa和22.8 MPa，這么高工作壓力下任何少許的雜質(zhì)都會(huì)造成系統(tǒng)設(shè)備的損壞。所以該液壓管路必須先串洗并達(dá)到要求的清潔度才能使用。因?yàn)榇瑬|要求管路串洗介質(zhì)需與工作狀態(tài)下使用的介質(zhì)相同或者類似，所以管路的串洗液使用的是船東認(rèn)可的高水基液壓液（商品名稱為 Pelagic 100[1]）。

目前國(guó)內(nèi)海工船舶建造項(xiàng)目上大多使用的還是常規(guī)的液壓油作為流體介質(zhì)，很少使用高水基液壓液作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，船廠也很少有正式的水基液壓管路串洗工藝文件。這樣導(dǎo)致船廠先前準(zhǔn)備的工藝、設(shè)備等都不符合該種液壓液的串洗要求，并造成了循環(huán)泵的損壞。所以研究高水基液壓管路的串洗很有必要。

水基液壓液系統(tǒng)的明顯優(yōu)點(diǎn)是非易燃、不含毒、可生物降解等特性。傳統(tǒng)上水基液壓液系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到鋼鐵廠煉鐵領(lǐng)域，出于環(huán)境成本及建造成本的考慮，水基液壓液開始逐漸更多地應(yīng)用于海工領(lǐng)域。液壓系統(tǒng)無法避免液壓液的泄漏，該水基液壓液的可其生物降解性降低了也使其環(huán)境污染，從環(huán)境保護(hù)方面成本上為項(xiàng)目的運(yùn)行節(jié)省很多資金投入；水基液壓液可以在系統(tǒng)完成操作功能后，可以直接排海，不用設(shè)計(jì)液壓液的回路，在建造和設(shè)備維護(hù)成本上也節(jié)省很多。這種液壓液（Pelagic 100）最大操作溫度可達(dá)170 ℃，遠(yuǎn)大于一般液壓油工作溫度要控制在30 ℃～80 ℃。該水基液壓液主要成分見表1，物理特征見表2。

表1 水基液壓液主要成分

表2 水基液壓液物理特征

圖1 Pelagic 100 粘度對(duì)比溫度曲線圖

由該水基液壓液的粘度與溫度曲線圖，可知當(dāng)其運(yùn)行在40℃～50℃時(shí)，其粘度為2 cST左右，對(duì)于串洗泵的選擇有直接影響。

1 建立串洗方案

1.1 串洗液在管道內(nèi)需達(dá)到的狀態(tài)

串洗管路材質(zhì)為不銹鋼，管路尺寸為外徑14 mm，壁厚為2 mm。根據(jù)NORSOK（挪威石油工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)）要求，管徑小于DN25的管子，管道中串洗液的雷諾系數(shù)需大于4 000[2]，即流體處于湍流狀態(tài)。這樣才能運(yùn)用湍流的液體充分沖刷管道的內(nèi)壁，使雜質(zhì)夾裹到串洗液體里并輸送到串洗設(shè)備經(jīng)濾器過濾掉。

1.2 串洗循環(huán)泵

根據(jù)雷諾系數(shù)計(jì)算公式[3]，可反推出串洗循環(huán)泵的最小流量。

式中：Re為雷諾系數(shù)；υ為運(yùn)動(dòng)粘度，取2 cST；q為流量，m3/h；d為管道內(nèi)徑，取10 mm。

取Re為4 000，得出最小流量q為0.22 m3/h。因?yàn)樵摯捶桨敢残枰糜趧e的管路系統(tǒng)進(jìn)行串洗，所以最終選擇的循環(huán)泵的流量為0.6 m3/h，相對(duì)應(yīng)的雷諾系數(shù)為10 610，流體滿足湍流狀態(tài)。根據(jù)廠家介紹，該泵的流量可以通過調(diào)整泵內(nèi)斜盤的角度進(jìn)行調(diào)整。

參照 1.3章節(jié)串洗管路沿程壓力損失，串洗循環(huán)泵的最小揚(yáng)程需大于1.5 MPa。

理論上離心泵和容積式泵都可以選用，最終選用的是國(guó)外進(jìn)口的容積式泵（柱塞泵），該容積式泵的最大揚(yáng)程可達(dá)6 MPa，以備后期串洗別的管路時(shí)需要更高的泵揚(yáng)程。為避免循環(huán)泵下游的串洗管路和其他附件承受超過設(shè)計(jì)壓力的高壓，泵的出口安裝了可調(diào)設(shè)定壓力的安全閥。

1.3 串洗管路沿程壓力損失

為連接串洗設(shè)備和串洗管路，需布置輔助管（通徑DN25的不銹鋼管）分別連接串洗設(shè)備和串洗管路，為減少輔助管路長(zhǎng)度和串洗總時(shí)間，每次串洗時(shí)將 4根串洗管路用輔助管路串聯(lián)連接，這樣可以將4根串洗管路設(shè)計(jì)成1個(gè)回路，如圖2所示。按此設(shè)計(jì)，串洗管路長(zhǎng)度約為160 m。

常用壓力管道壓降計(jì)算公式[4]為

式中：ΔP為摩擦壓力損失，kPa/m；f為摩擦系數(shù)；q為流量，取0.6 m3/h；d為管道內(nèi)徑，10 mm。

圖2 串洗管路布置

因?yàn)榇匆涸诠艿纼?nèi)的雷諾系數(shù)為10 610，大于4 000，處于湍流狀態(tài)，閥門、彎頭等其他管附件的壓降計(jì)算可用阻力系數(shù)K[3]計(jì)算得出。根據(jù)計(jì)算得出，整個(gè)管路的壓降約為1.5 MPa。

1.4 冷卻系統(tǒng)

水基液壓液本身特性粘度較低，隨著管路串洗的進(jìn)行，串洗循環(huán)泵持續(xù)對(duì)水基液壓液做功，加之管路內(nèi)表面與水基液壓液的摩擦，串洗液的溫度會(huì)隨之升高，致使其粘度越來越低，其潤(rùn)滑性會(huì)降低，如果低于循環(huán)泵對(duì)粘度的最低要求（1 cST～3 cST），泵很容易損壞。另外考慮到該串洗工作是在10月份的江蘇省啟東市進(jìn)行，天氣最高溫度大約27℃，隨著串洗的進(jìn)行，其溫度可能超過40℃，那時(shí)液體的粘度太低，而且揮發(fā)出來的氣體對(duì)人員的安全極為不利。所以要盡量控制串洗液的溫度不大于30℃，這樣既保證了串洗液粘度在2.8 cST，又降低了有毒氣體的揮發(fā)。這樣就需要一套冷卻系統(tǒng)來冷卻串洗液。

泵對(duì)串洗液的做功，其中一部分功轉(zhuǎn)化為了熱量，理論上泵的功率損耗很大部分轉(zhuǎn)化為了熱量，然后很大部分的熱量傳遞給了串洗液，柱塞泵的有效效率假設(shè)為0.85。該泵的水功率由以下計(jì)算公式[5]計(jì)算：

式中：Ph為柱塞泵的水功率，kW；Δp為柱塞泵的揚(yáng)程，1.5 MPa；q為泵的流量，取0.6 m3/h。

可得泵的水功率為0.25 kW。

考慮0.85的效率，可得泵的馬達(dá)軸功率為0.295 kW。可得大約 0.045 kW 的功率轉(zhuǎn)化為了串洗液吸收的熱能，即：每小時(shí)大約162 kJ（0.045 kW×3 600 s）的熱量傳遞給了串洗液。

由熱量計(jì)算公式可計(jì)算出每小時(shí)串洗液升高的溫度為：

式中：Q為每小時(shí)串洗液吸收的熱量，取162 kJ/h；Δt為升高的溫度，℃；Cp為串洗液比熱容，取3.445 kJ/(kg℃)；ρ為串洗液粘度，取1 050 kg/m3；

可得 0.6 m3/h的串洗液經(jīng)過柱塞泵后溫度增加Δt=0.075℃。

串洗管路總?cè)莘e可由下面公式計(jì)算得到：

式中：Vp為串洗管路容積，m3；l為串洗管路長(zhǎng)度，取160 m；d為串洗管路內(nèi)徑，取0.01 m；

得到Vp為0.013 m3。

由于循環(huán)柜里共注入了 8倍串洗管容積的串洗液，即0.104 m3，由式（4）可得串洗液每小時(shí)升高的溫度為0.43℃。

經(jīng)咨詢空調(diào)廠家確認(rèn)，功率為1匹的空調(diào)大約制冷量為2.3 kW。從保守設(shè)計(jì)考慮，該冷媒水模塊安裝了功率為3匹的空調(diào)用于串洗液的冷卻。

這套設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)并不太理想，出現(xiàn)了串洗液溫度達(dá)到 44 ℃的情況。該串洗工作在夜晚進(jìn)行，一方面是考慮高壓串洗工作有一定的危險(xiǎn)性，盡量在人少的時(shí)候做，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。另一方面是考慮晚上環(huán)境溫度稍微低些，易于控制串洗液溫度。如果串洗工作在較熱的天氣進(jìn)行的話，液體溫度會(huì)升高更多，串洗液粘度低于循環(huán)泵工作范圍，直接導(dǎo)致串洗系統(tǒng)不能使用。所以這套設(shè)備在后期可以進(jìn)一步改進(jìn)。

經(jīng)過分析，主要原因?yàn)闅怏w并不是理想的熱載體，其本身的傳熱系數(shù)也太小，冷媒水蒸發(fā)器無法盡可能多地降低其溫度，同時(shí)該氣體又無法盡可能地降低串洗液的溫度。

1.5 清潔度在線傳感器

安裝清潔度在線傳感器是為了時(shí)時(shí)監(jiān)控串洗管路的清潔度是否已達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。顆粒檢測(cè)越來越趨向于選用在線檢測(cè)，使用方便又不受外界因素干擾，但是設(shè)備需要定期進(jìn)行矯正。不過也可以使用人工取樣和人工檢測(cè)。但是由于人員的介入、取樣瓶清潔度、周圍環(huán)境等影響因素，可能影響到檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

1.6 串洗設(shè)備橇塊

串洗設(shè)備被布置在1個(gè)集裝箱大小的橇塊里，四周開設(shè)了檢修門或者供人進(jìn)出的可關(guān)閉的門，另有串洗液注入接口、串洗液輸送和回流管道接口，電源需從船上接入（見圖3和圖4）。

該串洗設(shè)備橇塊包括：冷媒水模塊和管路串洗模塊（圖5）。

圖3 串洗設(shè)備橇塊外部

圖4 串洗設(shè)備橇塊內(nèi)部

圖5 串洗設(shè)備工作圖

冷媒水模塊包括制冷劑（R410A）、冷媒水壓縮機(jī)、空氣冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等。該模塊利用制冷劑從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程中可以吸收周圍環(huán)境大量的熱能，從而降低蒸發(fā)器周圍空氣的溫度，然后低溫空氣被風(fēng)機(jī)吹動(dòng)，并經(jīng)管道被輸送到水基液壓液循環(huán)柜里的冷卻盤管，低溫空氣利用循環(huán)柜里的盤管與水基液壓液進(jìn)行熱交換，從而降低水基液壓液的溫度。為了較好地進(jìn)行熱交換，需要盡量增加盤管在循環(huán)柜里的外表面面積。冷氣進(jìn)氣管布置在循環(huán)柜的低點(diǎn)，冷氣出口布置在循環(huán)柜的高點(diǎn)。

壓縮機(jī)布置在串洗設(shè)備橇塊一端，并有可開啟的外窗供散熱。蒸發(fā)器盤管布置在密閉的帶有風(fēng)機(jī)的箱子里，并有風(fēng)管把冷卻后的空氣導(dǎo)向水基液壓液循環(huán)柜里的冷卻盤管。

管路串洗模塊包括水基液壓液循環(huán)柜、雙聯(lián)濾器、溫度計(jì)、循環(huán)泵、壓力表、安全閥、取樣點(diǎn)、清潔度在線檢測(cè)器和流量計(jì)等，及其他一些部件（圖5）。

該模塊里的循環(huán)泵用于輸送水基液壓液通過需要串洗的管路，并使其返回到循環(huán)柜。

安全閥保證管路壓力不超過設(shè)定值。安全閥下游的釋放管路連接到循環(huán)柜，釋放的液體可以直接回到循環(huán)柜。該釋放管路外徑20 mm，壁厚2 mm，長(zhǎng)約5 m。假設(shè)釋放流量等同于泵的設(shè)定流量，即0.6 m3/h。管道壓降大約為0.006 MPa。因?yàn)樵撝挡淮螅梢院雎?。若該值較大，則需要設(shè)定安全閥設(shè)定壓力的時(shí)候減去該值，或者增大該段管子的通徑。

循環(huán)柜的容積要設(shè)計(jì)的稍微大點(diǎn)，這是考慮水基液壓液經(jīng)串洗管路后會(huì)在循環(huán)柜里產(chǎn)生大量氣泡，雖然氣泡主要在柜子的上部，但是如果循環(huán)泵的吸口有吸入氣泡的可能，將會(huì)發(fā)生泵內(nèi)運(yùn)動(dòng)件咬死的事故，所以要盡量讓泵的吸口遠(yuǎn)離柜子里串洗液的上表面。同時(shí)船廠要請(qǐng)購(gòu)足量的水基液壓液，增加串洗液在循環(huán)柜中的液面高度，按照經(jīng)驗(yàn)一般可以按照串洗管路容積的8倍以上請(qǐng)購(gòu)。另外，可以優(yōu)化循環(huán)柜的形狀，即增大柜子的高度減少柜子的直徑。

旁通閥及其管路可以實(shí)現(xiàn)串洗液的內(nèi)部自清循環(huán)。購(gòu)買的水基串洗液的清潔度為等級(jí)6B-F（清潔度標(biāo)準(zhǔn)SAE AS4059[6]）。當(dāng)串洗液首次投入到循環(huán)柜后，串洗設(shè)備先運(yùn)行自凈模式，以便清理串洗設(shè)備自身存在的污染物等雜質(zhì)。

雙聯(lián)濾器分為粗濾器（10 μm）和精濾器（3 μm）?？梢赃x擇前期使用粗濾器，中后期使用精濾器。管路串洗的清潔度可以用清潔度在線檢測(cè)器實(shí)時(shí)記錄，當(dāng)清潔度達(dá)到等級(jí)SAE AS 4059 6B-F（表3），并繼續(xù)串洗30 min，確認(rèn)清潔度沒有變化，取樣留存，可以結(jié)束串洗工作，樣品送至上海某第三方檢測(cè)中心檢測(cè)，如果檢測(cè)結(jié)果不低于等級(jí)SAE AS 4059 6B-F，可以確認(rèn)串洗工作完成。

表3 清潔度表格（粒子數(shù)/100 ml）

1.7 人工檢測(cè)清潔度

為避免清潔度在線傳感器出現(xiàn)錯(cuò)誤，現(xiàn)場(chǎng)可以定期取樣并用光學(xué)顯微鏡檢測(cè)的方式進(jìn)行初步的清潔度核查，以免出現(xiàn)送檢第三方檢測(cè)中心后發(fā)現(xiàn)清潔度不達(dá)標(biāo)，而又需第二次串洗，嚴(yán)重影響工期并浪費(fèi)人力財(cái)力。

首先用清潔的取樣容器從串洗設(shè)備的取樣點(diǎn)收集100 ml的串洗液，并在潔凈的房間里把取樣液里的水除去，余下的顆粒物留在透明的精濾紙上。如圖6所示，因?yàn)榫珵V紙的過濾精度很高，滲水空隙很小，濾水過程很慢，為提高效率，會(huì)設(shè)置一臺(tái)真空泵直接從存水瓶里抽取空氣，即造成存水瓶里有一定的負(fù)壓，這樣精濾紙過濾水的效率大大提高。精濾紙上的殘留顆粒即可放在顯微鏡下測(cè)量其尺寸大小。

圖6 串洗液樣品除水

顯微鏡下可借助目鏡刻度尺來測(cè)量顆粒的大小。首先需要用載物臺(tái)微尺（嵌在玻璃片上的長(zhǎng)1 mm而分為若干個(gè)小格的顯微尺）來校正目鏡刻度尺（嵌在目鏡中的有刻度的玻璃片），用載物臺(tái)微尺與目鏡刻度尺的比例確定目鏡刻度尺的每小格代表的測(cè)量長(zhǎng)度。見圖7所示。

圖7 光學(xué)顯微鏡刻度尺校正

工程主管要負(fù)責(zé)分析水基液壓液的成分及特性，分析串洗管路的布置、管徑及長(zhǎng)度，相應(yīng)的選擇合適的串洗設(shè)備，完善串洗工藝，做好串洗工作前期準(zhǔn)備。這樣才能保證串洗工作可以在省事、省力和省錢的情況下順利完成。

2 對(duì)目前串洗設(shè)備的改進(jìn)建議

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備使用過程中遇到的問題，概括以下幾個(gè)主要改進(jìn)點(diǎn)：

1）把目前的這種常規(guī)的空調(diào)冷氣跟液體的熱交換，改為冷媒水直接跟串洗液做熱交換，用傳熱系數(shù)大的介質(zhì)可以充分發(fā)揮冷媒模塊的作用，設(shè)計(jì)出在環(huán)境溫度 40 ℃的情況下，控制串洗液運(yùn)行溫度不超過30 ℃。

2）增加用作化學(xué)串洗用的離心泵，增加串洗橇塊的功能。

3）柱塞泵改為液壓隔膜泵，這樣就可以擴(kuò)大該設(shè)備的對(duì)串洗液體的適用范圍，甚至可以取消冷媒水模塊。

3 結(jié)論

該高水基液壓液串洗模塊的設(shè)計(jì)和應(yīng)用滿足了工作需要，其利用冷卻的方式增加液體粘度的思路也是正確的。該方法同樣適用于對(duì)傳輸介質(zhì)粘度有要求的其他設(shè)備上。

為增大熱交換效率，可以進(jìn)一步研究如何增大冷媒水與串洗液的熱交換面積。