2 000 t沥青运输船液货系统设计

武汉船舶职业技术学院 武汉 430050

我国高速公路建设迅猛发展，大量沥青需从国外进口，液态沥青运输船近年来得到了较快的发展。

华中航运集团公司先后将两条2 300 t散货船改造成为2 000 t的江海直达沥青运输船。液货系统是改造的重点。

1 沥青的运输要求

液态沥青在装卸和运输过程中，要求始终处于加热状态，使沥青保持适宜的粘度。一般要求粘度在100～200 cst，此时沥青适宜温度一般在160 ℃左右。不同品种沥青，其适宜温度不同，改性沥青适宜温度高达175 ℃。因此，沥青船的液货系统与一般油船不同，除货油管路外，还必须要有保温加热系统、伴热管路、特殊的扫线管路等。此外，由于水与沥青接触会汽化，使沥青起泡，因此必须防止液货系统渗水。

2 保温加热系统设计

2.1 保温设计

2 000 t沥青运输船在货油区设有两个独立沥青罐，每罐分为左、右两舱，一号罐左右舱容积均为513 m3，二号罐左右舱容积均为570 m3。沥青罐和管路外选用新型优质防水矿棉作绝热包扎材料，其导热系数小于或等于0.043 W/(m·K)。综合考虑安装空间、安装工艺、保温要求等因素，选取保温层厚度为100 mm。经实船测试，罐内沥青平均温降小于2.5 ℃/天，保温层厚度与保温材料的导热系数达到了比较理想的匹配。

2.2 加热系统设计

沥青适宜温度最高达180 ℃，其加热介质温度应在200 ℃以上，选用热油加热系统，与传统的蒸汽加热系统比较，具有如下主要优点：

1) 热效率高。用热油加热时，系统介质不存在相变，而热油的热载荷大大高于水蒸气，所以热油锅炉的热效率高，发热量大；而且热油系统采用闭路循环，加热效果好，热能损耗小。

2) 安全可靠。200 ℃时水蒸气压力为1.6 MPa，而在热油加热系统中，系统压力可保持在0.1 MPa左右，对设备压力等级要求低；热油对钢管的腐蚀性较水为小，其管路较蒸汽系统寿命长；水蒸气泄漏遇到沥青可能引起爆炸，热油万一泄漏，系统压力会很快下降，能及时发现。

3) 体积小、重量轻。这对改造船尤其重要。

热油加热系统应在热油锅炉额定负荷的80%左右运行比较合理，考虑到船舶运输时沥青的短时加温需要及一定的裕度，在选型时，热油锅炉额定负荷应为需热量的1.4～1.5倍。

改装船配备两台YYW-600(50)Y型燃油热油锅炉，额定热功率为600 kW，一用一备，此外还配有两台热油循环泵、注油泵、膨胀箱、油气分离器、储油舱、热油分配器、过滤器以及管路和控制仪表、阀件等。锅炉舱位于船首主甲板下。

2.3 加热及伴热管系

罐内沥青用蛇形盘管加热，各舱加热管分上、下两层布置，每层为一回路，下层距舱底0.5 m，上层位于舱的中部距舱底3.5 m；在沥青驳运管的吸入口附近，适当加密盘管，对吸入口处的沥青加快升温，以利沥青的抽吸。加热管必须有足够的换热面积(即长度)，保证在规定的温度下，能将锅炉满负荷热量传递给沥青，其值由计算确定。系统供回油温度为230 ℃、200 ℃，实取通径50 mm、总长约1 200 m的加热盘管。

为避免沥青在装卸管中温度下降，沥青粘度加大甚至失去流动性，在罐外装卸管、沥青泵、滤器等处设置热油伴热管。

伴热管的形式有多种。第一艘船采用导热胶泥方式，即在通径200 mm装卸管外下部伴以两根通径25 mm热油管(如图1所示)，伴热管与主物料管之间填充导热胶泥，外再敷以保温材料。导热胶泥有较强的粘合力，较高的传热系数，能极大地提高热传导效率，从而保证了主物料管路受热均匀，输送流畅。这种方式加工简单、维修方便、可靠性高，但初投资较高。

图1 导热胶泥敷设断面示意

第二艘船采用更简单的内插管方式，即在主物料管中插入一根通径32 mm热油管，热油管靠近主物料管底部。这种方式热效率高、初投资小，但加工复杂；还应注意提高热油管材级别，主物料管内的热油管不能有焊缝和接头，以保证可靠性。

两种方式的实际使用效果令人满意。

3 装卸系统设计

3.1 沥青泵组选型

螺杆泵和齿轮泵都可以作沥青泵。

齿轮泵结构简单、价格低廉，但振动和噪声大，一般用于低压、小流量的场合，目前仅在个别小型沥青船有应用，排量在150 m3/h以下。

常用螺杆泵有单、双、三螺杆泵[1]。单螺杆泵采用橡胶泵缸，流量小，不能用于高温液体；三螺杆泵不宜输送含杂质的液体，价格也高，一般不选择这两种类型螺杆泵。

双螺杆泵流量范围大，流量均匀，工作平稳，噪声和振动较小，适用的粘度范围较广，具有较强的自吸能力；采用同步齿轮传动，泵的转动零件互不接触，即使短时间干转动也没有危害，可以输送含固体杂质的液体，且能汽液混输。因此，双螺杆泵最适合作沥青泵。

设计时，沥青泵转速应限制在1 500 r/min以下，以减小振动，增加自吸能力；流量按卸货时间(10～20 h)要求来选取；泵的压头需根据装卸港口实际情况，经过管路阻力计算之后再确定，一般取0.6～1.5 MPa。每船配2～3台沥青泵。

沥青泵组中原动机的常见类型有柴油机、多速电机、单速电机，几种类型各有利弊。

双螺杆泵流量与压力或粘度无关，转速不变，其理论流量也不变，排出压力升高，驱动功率成比例增加，而流量变化甚微，所以，该泵不能用调节排出阀开度的大小来调节流量。

柴油机在工作范围内速度和功率可任意调节，用作原动机的沥青泵组，可方便地调节流量和排出压力，操作管理方便、适应性强；且启动可靠、迅速，运行效率高。但柴油机初投资费用高，安装复杂，要求较大的安装空间。

以单速电机作原动机，泵组的流量为定量，调节流量只能采用回流调节法，即通过改变旁通回流阀开度，调节主管路实际流量。该类型泵组初投资少，安装方便，所需空间小，设计工况效率高。缺点是操作管理复杂，启动要求高，要有足够的电站容量，变流量工作时，部分功率浪费于回流上，经济性较差。

多速电机泵组则介于柴油机和单速电机之间。

沥青船专用程度较高，运输品种和停靠港口相对固定，变流量工作情况较少，单速电机方案基本能满足使用需要。

综合考虑以上因素，选用单速电机驱动双螺杆泵方案。实船泵舱布置在船首底部，设双螺杆沥青泵组两台，一用一备，型号W7.3Z-130-ZOMbW81，电机转速为950 r/min，粘度为1 500 mm2/s时，排量194.6 m3/h, 扬程0.8 MPa，电机功率90 kW。该泵采用双壳加热套结构型式，可对泵内沥青加热。采用金属波纹管密封装置，工作温度可高达320 ℃。实船营运中，曾成功地直接对载量20 m3沥青车进行灌装，表明该泵组完全能满足使用需要。

3.2 装卸管系设计

沥青船一般为中小型船，运量、航线相对固定，因此，装卸管系采用装卸货共用同一套管路的集中式，系统结构简单、操作方便、成本低。

管路布置有环形总管式和线形总管式两类[2]。根据沥青船的特点，应采用布置简单、操作方便而机动性略差的线形总管式。线形总管式又有单线、双线等型式。第一艘船采用舱外双线总管式(图2中虚线部分)，两根总管布置在沥青罐外，便于管系安装、维修，可靠性较高。第二艘船则采用更简单的舱内单线总管式(如图2所示)，全船设一根穿过沥青罐的总管，一方面可以减少总管长度、节约材料；另一方面由于总管大部分在罐内，这部分总管可不设伴热管，既节省伴热管及包扎材料，又节约能源。

图2 沥青装卸系统原理

采用这种方式，罐内管系及阀件质量要求高，具有较高的可靠性。

由于沥青船采用有自吸能力的螺杆泵作货油泵，没有设单独扫舱系统，清舱工作直接由装卸干管完成。为保证留舱残油尽可能少，沥青罐内设有吸油井，吸口布置在吸油井内，并尽可能接近井底。但应注意保证吸口周围有足够的流通面积。此外，操作时要执行相关的操作规程，注意利用船舶纵倾和横倾来扫清沥青罐。实船营运证明，这种方式完全能满足沥青船扫舱需要，罐内沥青残留量小于0.2%。

4 其它

沥青装卸完毕后，为防止残余沥青冷却后堵塞管道，必须对整个装卸管系进行清扫，即扫线。由于蒸汽会使沥青发生乳化，严重影响沥青的质量，且高温沥青遇水会发泡甚至爆炸，因此，使用压缩空气作为装卸管系扫线的介质，压缩空气压力一般为0.4 MPa，需要量通过计算确定，至少保证扫线空气瓶的容量满足一次扫线的需要。实船选用两个容积1.0 m3，压力1.0 MPa的扫线空气瓶。

设计时应注意沥青泵吸入滤器的选型，选型不当，往往会导致吸入阻力增大，以致系统效率下降，严重时系统甚至无法正常工作。应选择带加热套的滤器，以保证滤器内的沥青具有较低的粘度。为防止滤器堵塞，不能使用普通油滤器的滤网，在满足沥青泵要求[3]的前提下，滤网的目数应尽可能小，改装船选择了8目规格的滤网。

此外，应在装卸管路中适当处设置放气阀，排除管路中空气，以免沥青泵吸入大量空气而产生气穴、振动和噪声。装卸管路弯头应尽量少，尤其不要有“U”形弯管，以防沥青在管路内沉积。

[1] 李之义，胡国梁，胡甫才. 船舶辅助机械[M]. 北京：人民交通出版社，2002.

[2] 中国船舶工业总公司. 船舶设计实用手册[M]. 北京：国防工业出版社，1999.

[3] 费 千. 船舶辅机[M]. 大连：大连海事大学出版社，1998.