某船低温淡水冷却系统压力不稳定原因分析

刘清江，刘永歆，孙鹏然，王家支

(大连船舶重工集团设计研究院有限公司，辽宁大连 116005)

1 故障现象

某船在低温淡水膨胀水箱重新被注入淡水，启动淡水泵运行一段时间后，水泵的吸口压力保持在正常范围之内但出现压力波动现象，出口压力出现较大的波动并持续偏低，从而导致系统到其他设备的进口压力明显偏低，冷却效果不好。低温淡水系统运行一段时间后，受其冷却的设备和系统温度异常，出现温度高报警，并且整体系统压力波动极其不稳定，事件经过如下。

该船因低温淡水系统涉及管路修改，必须把系统中的淡水全部放掉，当管路修改结束后重新往系统中的低温淡水膨胀水箱加注淡水，加注完毕后启动1台低温淡水泵并运行一段时间，低温淡水泵的出口压力基本维持在0.4 MPa左右，压力值可以视为正常。然而在运行发电机等一些相关设备系统后，低温淡水管线的压力开始逐渐下降至0.32 MPa，甚至最低至0.27 MPa，一段时间后又可能回到0.38 MPa，同时该运行的泵出现轻微的噪声和振动，相关需要冷却的设备和系统出现高温报警现象。工作人员认为是泵启动的数量不足以满足冷却的需求，于是启动了2台低温淡水泵，泵的出口压力有所回升，上升至0.35 MPa左右，仍然没有达到低温淡水泵出口压力要求。同时发现2台低温淡水泵在运行时都有轻微的噪声和振动，相关需要冷却的设备和系统出现高温报警。通过采取各种常规的处理措施之后，分析现场的异常现象，并结合低温淡水系统的自动温度控制设计原理判断，基本上可以断定是离心泵本身故障导致或在泵的吸口管线里有“气阻”出现。

2 低温淡水冷却系统介绍

该船的低温淡水冷却系统简图见图1。设有3台发电机和3台低温淡水泵，根据船舶低温系统热平衡计算低温淡水泵能够保证该型船的全部辅机设备能得到充分的冷却［1］;其中3台低温淡水泵中，2台完全可以满足机舱全负荷营运时淡水需求，剩余1台作为备用。正常工作时，高于低温淡水泵吸口约20 m高度的低温淡水膨胀水箱注满水以满足日常的冷却淡水的需求，同时膨胀水箱还具有添加淡水处理药剂和日常淡水的补水作用。三通温控阀的阀芯角度变化和低温淡水中央冷却器的热交换功能确保了系统淡水在一定温度范围内的恒温。低温淡水泵从三通阀的出口吸入，淡水经过中央冷却器处理后用于其他用户的低温淡水冷却，而发电机则是由自带的淡水泵从三通阀的出口吸入经过中央冷却器处理后淡水进行强制冷却，冷却后的回水重新回到主管中形成一个闭式循环。

图1 低温淡水冷却系统简图

该船低温淡水系统设备主要参数为:低温淡水膨胀水箱，2.5 m3，距离低温淡水泵的入口20 m;低温淡水泵，525 m3/h×0.25 MPa，3台，离心泵;低温淡水泵电机，额定输出功率55 kW，额定电流88 A;三通温控阀，设定温度为36℃。

3 压力不稳定原因分析

结合相关设计手册和离心泵的常见故障［2－3］，通过长时间观察泵出口的压力以及温度变化，并拆检了部分低温淡水管路，出现泵出口压力不稳定现象可能由以下4个原因造成:①泵的自身问题。主要包括装配不当，外壳磨损环磨损，叶轮磨损，叶轮障碍等;②泵的转速太低;③泵的外部条件变化。包括吸口管线堵塞，进出口压力表指针不准确等;④泵的吸入管线存在“气阻”。

3.1 泵的自身问题

根据对出现噪声和振动的淡水泵进行拆检和对船体结构细致的测量，分析可得该泵的装配是没有问题的，泵所在区域船体结构振动情况较好，同时也未发现泵外壳磨损环磨损，叶轮磨损，叶轮障碍的现象，故泵的自身问题可以排除。

3.2 泵的转速太低

在泵的运行过程中，我们观察到运行电流在60 A左右波动，远低于额定电流88 A，泵的转速有所降低。通过测量电机的输入电压发现电压值并没有改变，那么电机的转速nf理应不会降低。然而根据泵轴功率与电机的转速成正比Pe∝n3f分析可得电流的降低是由于泵的输出功率降低了，从而导致了电机转速的降低。故电机的转速太低的原因也可以排除［4］。

3.3 泵的外部条件变化

泵的外部条件影响主要是指进出口压力表的指针不准确以及吸口管线的堵塞。压力表被拆下后送实验室校核后证实这几块压力表都是没有问题的。通过拆检大部分的吸口管线也没发现有任何异物存在于管线之中，并且在泵的启动初期，吸口的管线压力还是正常的，由此判断管线吸口堵塞也是不可能的。

3.4 泵的吸入管线存在“气阻”

1)系统中空气的产生。该船发电机认可资料图纸中提到“管系检修后，离心泵轴封可能泄漏，系统中比如发电机和水冷式压缩机中的高温水和低温水的循环都有可能在系统中产生气体”。

2)系统中“气阻”的形成。在该系统管系修改重新注水时，施工人员也注意到了系统中可能存在空气的现象。给低温膨胀水箱注水的同时，反复开启低温淡水泵，在系统的最高处进行了排气的操作。采取逐段管线拆检的方式进行查验和放气(同时也查验管系的堵塞)，最终在拆检到机舱二平台下一处直行直径114管转下行至泵吸口的直角弯管处，发现喷出大量的气体。经过分析发现，如果船舶处于水平状态，淡水在图2所示直角拐弯处是很难积聚起来形成“气阻”的，但是，恰恰该船在重新往低温淡水膨胀水箱加注淡水的时期，船舶的压载吃水处于前高后坠的艉倾状态，当管系维修后，泵以及发动机等辅助设备运行时产生的气体就会在这个直角弯处聚集而无法随水流全部排出，又鉴于直角弯处本身的形状以及船舶在漂浮状态不稳定摇动，“气阻”也就不会无限扩大导致管系断流，“气阻”仅仅维持在一定大小范围之内。这样也就导致了泵的吸口管线的水量忽大忽小，也就不难理解系统压力的不稳定了。“气阻”形成原理见示意图2。

图2 “气阻”形成示意图

4 解决措施及预防

根据上述原因分析，本船的低温淡水压力不稳定主要是由两方面造成的。一方面为船舶低温淡水系统的管线修改以及系统中的辅助设备运转时自身会产生空气，另一方面是船舶艉倾压载状态时泵吸口管系直角弯处形成的“气阻”。为避免类似情况的发生，可以采取以下预防措施。

1)低温淡水系统管线修改后，重新注加淡水的同时启动淡水泵，利用系统中各设备放气阀逐渐排气。

2)鉴于系统运行过程中有空气产生，在图1的云线标记处设计1个除气箱。

3)系统高处管路设计应尽量避免垂直直角弯，而是采用大角度弯或斜直设计。若管线有垂直直角弯，可以在直角弯处设计1个放气阀，该船的处理措施正是采用了增加放气阀的方法。

［1］中国船舶工业集团公司等.船舶设计实用手册:轮机分册［M］.3版.北京:国防工业出版社，2013.

［2］任福安，王名涌.轮机工程基础 (上册)［M］.大连:大连海事大学出版社，2008.

［3］童大鹏，田野，任荣社.船用离心泵典型故障及排除［J］.中国修船，2013，26(5):48－50.

［4］关醒凡.现代泵技术手册 ［M］.北京:宇航出版社，1995.