高水基液压液管路串洗设备研究

白二亮，许 磊，徐苏华，彭言峰

（南通远洋船舶配套有限公司，江苏南通 226006）

0 引言

以启东中远海工建造的浮式生产储存卸货平台（FPSO）“Western Isles”为例，为水下生产控制系统服务的液压系统管路在制作和安装过程中不可避免地会有焊渣、油污、尘粒等污染物残留在管路中，考虑该系统的设计压力和工作压力分别为 56.9 MPa和22.8 MPa，这么高工作压力下任何少许的杂质都会造成系统设备的损坏。所以该液压管路必须先串洗并达到要求的清洁度才能使用。因为船东要求管路串洗介质需与工作状态下使用的介质相同或者类似，所以管路的串洗液使用的是船东认可的高水基液压液（商品名称为 Pelagic 100[1]）。

目前国内海工船舶建造项目上大多使用的还是常规的液压油作为流体介质，很少使用高水基液压液作为液压系统的工作介质，船厂也很少有正式的水基液压管路串洗工艺文件。这样导致船厂先前准备的工艺、设备等都不符合该种液压液的串洗要求，并造成了循环泵的损坏。所以研究高水基液压管路的串洗很有必要。

水基液压液系统的明显优点是非易燃、不含毒、可生物降解等特性。传统上水基液压液系统已经应用到钢铁厂炼铁领域，出于环境成本及建造成本的考虑，水基液压液开始逐渐更多地应用于海工领域。液压系统无法避免液压液的泄漏，该水基液压液的可其生物降解性降低了也使其环境污染，从环境保护方面成本上为项目的运行节省很多资金投入；水基液压液可以在系统完成操作功能后，可以直接排海，不用设计液压液的回路，在建造和设备维护成本上也节省很多。这种液压液（Pelagic 100）最大操作温度可达170 ℃，远大于一般液压油工作温度要控制在30 ℃～80 ℃。该水基液压液主要成分见表1，物理特征见表2。

表1 水基液压液主要成分

表2 水基液压液物理特征

图1 Pelagic 100 粘度对比温度曲线图

由该水基液压液的粘度与温度曲线图，可知当其运行在40℃～50℃时，其粘度为2 cST左右，对于串洗泵的选择有直接影响。

1 建立串洗方案

1.1 串洗液在管道内需达到的状态

串洗管路材质为不锈钢，管路尺寸为外径14 mm，壁厚为2 mm。根据NORSOK（挪威石油工业技术标准）要求，管径小于DN25的管子，管道中串洗液的雷诺系数需大于4 000[2]，即流体处于湍流状态。这样才能运用湍流的液体充分冲刷管道的内壁，使杂质夹裹到串洗液体里并输送到串洗设备经滤器过滤掉。

1.2 串洗循环泵

根据雷诺系数计算公式[3]，可反推出串洗循环泵的最小流量。

式中：Re为雷诺系数；υ为运动粘度，取2 cST；q为流量，m3/h；d为管道内径，取10 mm。

取Re为4 000，得出最小流量q为0.22 m3/h。因为该串洗方案也需要用于别的管路系统进行串洗，所以最终选择的循环泵的流量为0.6 m3/h，相对应的雷诺系数为10 610，流体满足湍流状态。根据厂家介绍，该泵的流量可以通过调整泵内斜盘的角度进行调整。

参照 1.3章节串洗管路沿程压力损失，串洗循环泵的最小扬程需大于1.5 MPa。

理论上离心泵和容积式泵都可以选用，最终选用的是国外进口的容积式泵（柱塞泵），该容积式泵的最大扬程可达6 MPa，以备后期串洗别的管路时需要更高的泵扬程。为避免循环泵下游的串洗管路和其他附件承受超过设计压力的高压，泵的出口安装了可调设定压力的安全阀。

1.3 串洗管路沿程压力损失

为连接串洗设备和串洗管路，需布置辅助管（通径DN25的不锈钢管）分别连接串洗设备和串洗管路，为减少辅助管路长度和串洗总时间，每次串洗时将 4根串洗管路用辅助管路串联连接，这样可以将4根串洗管路设计成1个回路，如图2所示。按此设计，串洗管路长度约为160 m。

常用压力管道压降计算公式[4]为

式中：ΔP为摩擦压力损失，kPa/m；f为摩擦系数；q为流量，取0.6 m3/h；d为管道内径，10 mm。

图2 串洗管路布置

因为串洗液在管道内的雷诺系数为10 610，大于4 000，处于湍流状态，阀门、弯头等其他管附件的压降计算可用阻力系数K[3]计算得出。根据计算得出，整个管路的压降约为1.5 MPa。

1.4 冷却系统

水基液压液本身特性粘度较低，随着管路串洗的进行，串洗循环泵持续对水基液压液做功，加之管路内表面与水基液压液的摩擦，串洗液的温度会随之升高，致使其粘度越来越低，其润滑性会降低，如果低于循环泵对粘度的最低要求（1 cST～3 cST），泵很容易损坏。另外考虑到该串洗工作是在10月份的江苏省启东市进行，天气最高温度大约27℃，随着串洗的进行，其温度可能超过40℃，那时液体的粘度太低，而且挥发出来的气体对人员的安全极为不利。所以要尽量控制串洗液的温度不大于30℃，这样既保证了串洗液粘度在2.8 cST，又降低了有毒气体的挥发。这样就需要一套冷却系统来冷却串洗液。

泵对串洗液的做功，其中一部分功转化为了热量，理论上泵的功率损耗很大部分转化为了热量，然后很大部分的热量传递给了串洗液，柱塞泵的有效效率假设为0.85。该泵的水功率由以下计算公式[5]计算：

式中：Ph为柱塞泵的水功率，kW；Δp为柱塞泵的扬程，1.5 MPa；q为泵的流量，取0.6 m3/h。

可得泵的水功率为0.25 kW。

考虑0.85的效率，可得泵的马达轴功率为0.295 kW。可得大约 0.045 kW 的功率转化为了串洗液吸收的热能，即：每小时大约162 kJ（0.045 kW×3 600 s）的热量传递给了串洗液。

由热量计算公式可计算出每小时串洗液升高的温度为：

式中：Q为每小时串洗液吸收的热量，取162 kJ/h；Δt为升高的温度，℃；Cp为串洗液比热容，取3.445 kJ/(kg℃)；ρ为串洗液粘度，取1 050 kg/m3；

可得 0.6 m3/h的串洗液经过柱塞泵后温度增加Δt=0.075℃。

串洗管路总容积可由下面公式计算得到：

式中：Vp为串洗管路容积，m3；l为串洗管路长度，取160 m；d为串洗管路内径，取0.01 m；

得到Vp为0.013 m3。

由于循环柜里共注入了 8倍串洗管容积的串洗液，即0.104 m3，由式（4）可得串洗液每小时升高的温度为0.43℃。

经咨询空调厂家确认，功率为1匹的空调大约制冷量为2.3 kW。从保守设计考虑，该冷媒水模块安装了功率为3匹的空调用于串洗液的冷却。

这套设备在实际应用中表现并不太理想，出现了串洗液温度达到 44 ℃的情况。该串洗工作在夜晚进行，一方面是考虑高压串洗工作有一定的危险性，尽量在人少的时候做，降低安全风险。另一方面是考虑晚上环境温度稍微低些，易于控制串洗液温度。如果串洗工作在较热的天气进行的话，液体温度会升高更多，串洗液粘度低于循环泵工作范围，直接导致串洗系统不能使用。所以这套设备在后期可以进一步改进。

经过分析，主要原因为气体并不是理想的热载体，其本身的传热系数也太小，冷媒水蒸发器无法尽可能多地降低其温度，同时该气体又无法尽可能地降低串洗液的温度。

1.5 清洁度在线传感器

安装清洁度在线传感器是为了时时监控串洗管路的清洁度是否已达到设计标准。颗粒检测越来越趋向于选用在线检测，使用方便又不受外界因素干扰，但是设备需要定期进行矫正。不过也可以使用人工取样和人工检测。但是由于人员的介入、取样瓶清洁度、周围环境等影响因素，可能影响到检测的准确性。

1.6 串洗设备橇块

串洗设备被布置在1个集装箱大小的橇块里，四周开设了检修门或者供人进出的可关闭的门，另有串洗液注入接口、串洗液输送和回流管道接口，电源需从船上接入（见图3和图4）。

该串洗设备橇块包括：冷媒水模块和管路串洗模块（图5）。

图3 串洗设备橇块外部

图4 串洗设备橇块内部

图5 串洗设备工作图

冷媒水模块包括制冷剂（R410A）、冷媒水压缩机、空气冷凝器、膨胀阀和蒸发器等。该模块利用制冷剂从液态变为气态的过程中可以吸收周围环境大量的热能，从而降低蒸发器周围空气的温度，然后低温空气被风机吹动，并经管道被输送到水基液压液循环柜里的冷却盘管，低温空气利用循环柜里的盘管与水基液压液进行热交换，从而降低水基液压液的温度。为了较好地进行热交换，需要尽量增加盘管在循环柜里的外表面面积。冷气进气管布置在循环柜的低点，冷气出口布置在循环柜的高点。

压缩机布置在串洗设备橇块一端，并有可开启的外窗供散热。蒸发器盘管布置在密闭的带有风机的箱子里，并有风管把冷却后的空气导向水基液压液循环柜里的冷却盘管。

管路串洗模块包括水基液压液循环柜、双联滤器、温度计、循环泵、压力表、安全阀、取样点、清洁度在线检测器和流量计等，及其他一些部件（图5）。

该模块里的循环泵用于输送水基液压液通过需要串洗的管路，并使其返回到循环柜。

安全阀保证管路压力不超过设定值。安全阀下游的释放管路连接到循环柜，释放的液体可以直接回到循环柜。该释放管路外径20 mm，壁厚2 mm，长约5 m。假设释放流量等同于泵的设定流量，即0.6 m3/h。管道压降大约为0.006 MPa。因为该值不大，可以忽略。若该值较大，则需要设定安全阀设定压力的时候减去该值，或者增大该段管子的通径。

循环柜的容积要设计的稍微大点，这是考虑水基液压液经串洗管路后会在循环柜里产生大量气泡，虽然气泡主要在柜子的上部，但是如果循环泵的吸口有吸入气泡的可能，将会发生泵内运动件咬死的事故，所以要尽量让泵的吸口远离柜子里串洗液的上表面。同时船厂要请购足量的水基液压液，增加串洗液在循环柜中的液面高度，按照经验一般可以按照串洗管路容积的8倍以上请购。另外，可以优化循环柜的形状，即增大柜子的高度减少柜子的直径。

旁通阀及其管路可以实现串洗液的内部自清循环。购买的水基串洗液的清洁度为等级6B-F（清洁度标准SAE AS4059[6]）。当串洗液首次投入到循环柜后，串洗设备先运行自净模式，以便清理串洗设备自身存在的污染物等杂质。

双联滤器分为粗滤器（10 μm）和精滤器（3 μm）。可以选择前期使用粗滤器，中后期使用精滤器。管路串洗的清洁度可以用清洁度在线检测器实时记录，当清洁度达到等级SAE AS 4059 6B-F（表3），并继续串洗30 min，确认清洁度没有变化，取样留存，可以结束串洗工作，样品送至上海某第三方检测中心检测，如果检测结果不低于等级SAE AS 4059 6B-F，可以确认串洗工作完成。

表3 清洁度表格（粒子数/100 ml）

1.7 人工检测清洁度

为避免清洁度在线传感器出现错误，现场可以定期取样并用光学显微镜检测的方式进行初步的清洁度核查，以免出现送检第三方检测中心后发现清洁度不达标，而又需第二次串洗，严重影响工期并浪费人力财力。

首先用清洁的取样容器从串洗设备的取样点收集100 ml的串洗液，并在洁净的房间里把取样液里的水除去，余下的颗粒物留在透明的精滤纸上。如图6所示，因为精滤纸的过滤精度很高，渗水空隙很小，滤水过程很慢，为提高效率，会设置一台真空泵直接从存水瓶里抽取空气，即造成存水瓶里有一定的负压，这样精滤纸过滤水的效率大大提高。精滤纸上的残留颗粒即可放在显微镜下测量其尺寸大小。

图6 串洗液样品除水

显微镜下可借助目镜刻度尺来测量颗粒的大小。首先需要用载物台微尺（嵌在玻璃片上的长1 mm而分为若干个小格的显微尺）来校正目镜刻度尺（嵌在目镜中的有刻度的玻璃片），用载物台微尺与目镜刻度尺的比例确定目镜刻度尺的每小格代表的测量长度。见图7所示。

图7 光学显微镜刻度尺校正

工程主管要负责分析水基液压液的成分及特性，分析串洗管路的布置、管径及长度，相应的选择合适的串洗设备，完善串洗工艺，做好串洗工作前期准备。这样才能保证串洗工作可以在省事、省力和省钱的情况下顺利完成。

2 对目前串洗设备的改进建议

根据现场设备使用过程中遇到的问题，概括以下几个主要改进点：

1）把目前的这种常规的空调冷气跟液体的热交换，改为冷媒水直接跟串洗液做热交换，用传热系数大的介质可以充分发挥冷媒模块的作用，设计出在环境温度 40 ℃的情况下，控制串洗液运行温度不超过30 ℃。

2）增加用作化学串洗用的离心泵，增加串洗橇块的功能。

3）柱塞泵改为液压隔膜泵，这样就可以扩大该设备的对串洗液体的适用范围，甚至可以取消冷媒水模块。

3 结论

该高水基液压液串洗模块的设计和应用满足了工作需要，其利用冷却的方式增加液体粘度的思路也是正确的。该方法同样适用于对传输介质粘度有要求的其他设备上。

为增大热交换效率，可以进一步研究如何增大冷媒水与串洗液的热交换面积。