水力喷射泵在自升式钻井船中的应用

冷涛田张宪阵 曾文阳 张晓

（海洋石油工程股份有限公司）（青岛德固特机械制造有限公司)

水力喷射泵在自升式钻井船中的应用

冷涛田*张宪阵 曾文阳 张晓

（海洋石油工程股份有限公司）（青岛德固特机械制造有限公司)

阐述了喷射泵在自升式钻井船中的应用及实践，对水力喷射泵的特点、效率以及气蚀等应用过程中出现的问题进行了较为详细的探讨。

喷射泵气蚀钻井船应用

0 前言

喷射泵是一种特殊的流体机械。由于喷射泵具有结构简单、体积小、价格低廉、无运动部件、工作可靠、使用寿命长、自吸能力强和可运送包含固体小颗粒杂质在内的任何污浊液体等特点，在石油、化工、船舶、环保、电力等领域发挥着越来越重要的作用。61 m自升式钻井船（海洋石油921/922/923/924）系列船舶建造总包项目是海洋石油工程公司首次涉足的浮体制造领域。经过建造交验以及交付后的生产实践证明，水力喷射泵以其独特的优点，在舱底水系统、桩靴排放系统中起着不可替代的作用。

1 喷射泵工作原理

常用的普通喷射泵主要由喷嘴、泵室、喉管、扩散管、吸入管等部件组成，其结构如图1所示。

喷射泵是完成能量转换的一种装置，具有一定压力和流速的工作流体，经过喷嘴喷出，形成高速射流。由于射流与空气之间产生的卷吸作用和紊动扩散作用，把泵室内的空气带走，使该处产生负压，形成真空。在外界大气压力及液体的静压力作用下，将被吸流体吸入泵室，随同高速工作液流带入喉管内，并在喉管内进行能量交换及混合。在喉管内，工作流体将一部分动能传递给被抽流体，工作流体的流速减小，被抽液体流速加快，到达喉管末端区域两股液流的速度逐渐趋于一致，混合过程基本完成。然后混合流体进入扩散管，在扩散管内，流速逐渐降低，压力上升，最后通过排出口排出。

图1 喷射泵结构

2 应用及效果

水力喷射泵在钻井船中的应用主要是在以下两个系统中：舱底水系统，桩靴排水系统。

舱底水系统的主要作用是用泵将压载舱、污水井等位置的水扫至舷外或者舱底水舱（如图2所示）。舱底水泵（带自吸装置离心泵，1台）与喷射泵（2台）是扫舱的主要设备。其中，2台喷射泵分别位于左舷散料间、右舷储存间，1台连续运行，1台备用。喷射泵的工作水主要由位于桩腿底部的潜水泵提供。被抽水主要来自舱底水系统中的扫舱管汇，扫舱位置较多，共计14个压载舱，2个空舱，12个污水井。对于喷射泵排出的混合流体，符合排放标准的可直接排舷外，如用于压载调平的压载水、污水井中只包括来自空压机系统的冷凝水、带自吸装置离心泵启动时排空水、锅炉系统中的溢出水等清洁水；不符合排放标准的，必须进舱底水舱继续进行后续的水质处理，如含油污的水等。

图2 舱底水系统扫舱流程

桩靴排水系统共计3个桩靴，每个桩靴有1套喷射泵，喷射泵位于桩靴底部，另有连接在喷射泵两端的进、排管线来实现排放功能。进水管线通过软管连接到冲桩管汇的任一接头上，水经桩靴内底部的喷射泵排至排出管线，排出管线的出口端设置并固定在桩腿适当高度的桩腿拉筋上。

2.1 喷射泵在舱底水系统中扫舱的优点

实践表明，对于剩余水量较少或距离泵体入口管程损失较大的舱室，或抽吸污水井等情况，应该选用喷射泵，而离心泵并不适合。其原因如下：

（1）舱底水泵本身的工作原理限制了其在上述条件下使用。舱底水泵的排量为140 m3/h，远大于喷射泵的排量40 m3/h。由于单舱扫舱管径为100 mm，舱底水泵入口管径为150 mm，通过计算可知，对于直径100 mm的管路，最大流量不超过66.2 m3/h，与舱底水泵的正常工作点140 m3/h相去甚远。而当剩余水量较少或者抽吸污水井时，管程损失会更大，对于管线复杂的舱室和污水井，舱底水泵排量要远小于66.2 m3/h，因此不适宜采用离心泵。

需要特别说明的有两点。一是舱室剩余水量较少时，吸口区域以外的补充水需通过船体外板纵骨流水孔来补充，但流水孔较小，水流速度较慢，因此吸口区域水量得不到连续补充。二是污水井容积一般为1～2 m3，单独启动舱底水泵抽吸，极容易造成泵未启动前，泵入口前管路排空的水就已经将污水井的水耗尽，或者正常启动，一打开舱底水泵的出口阀，因需排水较少，自吸装置随即启动，污水井中的水存于管路中未排尽。这两种情况都超出了离心泵正常运转的要求，不能正常排水，管路中处于气液混合状态，附加的自吸装置也会频繁长时间启动，这对运行着的离心泵必然会产生气蚀，影响其使用寿命，同时影响排水效率。

（2）舱室底部以及污水井必然含有杂质颗粒等，尽管有入口滤器，但是粒度较小的颗粒杂质难免混入其中，而喷射泵是输送含有固体杂质污水的最佳选择。

（3）喷射泵可在应急情况下快速启动。一方面潜水泵为喷射泵提供工作水，另一方面也需要喷射泵为其分压，因此，在钻井船的常规运行中，喷射泵可作为长时间运转设备而并不单独耗损其他能量。无工作任务的情况下，只需开启工作流体阀门和排出管阀门，在污水井突然满水等特殊情况下，直接打开吸入口阀门即可。而启动舱底泵的步骤较为繁杂，需要首先启动空压机准备充足气源，其次启动自吸装置排空，然后才能启动舱底泵。

（4）建造交验后期，经过现场实践，对位于左舷散料间和右舷袋装储存间的喷射泵，在其吸入口前分别增加了1个软管接头（如图2所示），大大增加了操作灵活性，操作人员可随时移动软管，处置突发情况。

2.2 喷射泵扫舱效率分析

喷射泵是依靠射流使流体质点间产生相互撞击来传递能量的，在混合过程中产生大量漩涡，在喉管内壁产生的摩擦损失以及在扩散管中产生的扩散损失都会引起大量的水力损失，从而使大部分能量在传递过程中损失掉[1]。由于喷射泵自身结构的影响，即使在理想条件下，其工作效率也只有40%左右。

尽管如此，在某些场合，采用其他方法排水效果并不显著，如潜水泵、带自吸装置离心泵，虽可排水，但不适合水量较少时使用。带自吸装置离心泵不适合在桩靴内的淹没条件下工作。这种无法近距离操作或维修的特殊场合，采用喷射泵更能显示出其独特的优越性。如果将效率和维护成本综合考虑，选用适当的喷射泵，相对而言，其综合效率较高。

2.3 喷射泵气蚀现象分析

在喷射泵扫舱使用过程中，如果操作不当或者达不到使用要求，喷射泵会有剧烈振动和噪声的现象发生，产生较为严重的气蚀现象。

气蚀性能在喷射泵性能中占据较重要的位置，关系到喷射泵能否正常工作，能否保持在较高效率下运行。气蚀的发生将直接导致泵本体遭受破坏。喷射泵的气蚀现象可以归结如下[2]：由于流体在喷射泵内部的运动是非稳定的，当某个部位的液体质点在某瞬间受拉时，该处的压力迅速降低，体积膨胀；当液体的压力下降到该温度下的汽化压力以下时，蒸汽和溶解在液体中的气体就会从液体中大量逸出，形成许多蒸汽与气体混合的小气泡。在某一瞬间该质点受压，气泡破裂，液体质点将以极高的速度连续不断地撞击泵体内的金属表面，金属因疲劳而破坏，产生剥蚀。其中，流体中的一些氧等活泼气体，借助气泡凝结时放出的热量，对喷射泵内流道表面起化学腐蚀作用。

对于同一台喷射泵，在其他条件均不变的情况下，喷射泵进口工作压力越高，喷嘴出口流速越大，气蚀现象在性能曲线上就发生得越早，气蚀流量比就越小。也就是说，进口工作压力越大，喷射泵抗气蚀能力越差[3]。

此外，孙殿雨等的研究表明[4]，在其他条件不变的情况下，可通过调节混合液排出压力，即调节喷射泵出口阀门开度，来消除气蚀现象。当逐渐减小混合液出口阀门开度时，混合液通过管线的阻力增大，从而使流量减小，工作水在喷嘴喷出时的速度下降，喉管内的压力增大，泵内液体的汽化减轻。但排出压力不能调整得过大，否则在喷射泵吸入口处可能产生混合液倒流。

因此，避免喷射泵气蚀现象的措施如下：首先，喷射泵工作流体的压力应调节在合适范围内；其次，注意调节喷射泵出口阀门开度。

3 结语

综上所述，本文探讨了水力喷射泵在61 m自升式钻井船上的应用及效果，水力喷射泵独特的优势成为自升式钻井船的重要选泵来源。希望本文对钻井船建造交验和常规运行以及对海洋石油平台推广应用喷射泵有一定的借鉴作用。

[1] 赵淑兰，孟坤六，张正泉，等．影响喷射泵工作性能的单因素分析[J]．西南石油学院学报，1996，18（2）：87-94．

[2] 胡湘韩，阚瑞清．喷射泵技术及其应用[M]．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1990．

[3] 李福天．液态喷射泵吸上高度对其性能的影响[J]．机电设备，1997,19（1）：60-63．

[4] 孙殿雨，颜廷俊，陈如恒，等．喷射泵气蚀现象试验分析[J]．石油机械，1997，25（8）：20-22．

Application of Hydraulic Jet Pump in Self-elevating Drilling Unit

Leng Taotian Zhang Xianzhen Zeng Wenyang Zhang Xiao

The application and practice of hydraulic jet pump in self-elevating drilling unit was discussed in this paper.The characteristic,efficiency and cavitation of hydraulic jet pump were analyzed in detail.

Jet pump;Cavitation;Drilling unit;Application

TQ 051.21

*冷涛田，男，1983年生，硕士，助理工程师。天津市，300452。

2011-09-20）