浮船坞调载系统故障分析

陆祥

(启东中远海运海洋工程有限公司，江苏 启东 226200)

国内某大型船舶修理与改装企业在1991年投产的15万t级大型浮船坞，共对称布置有8只船坞浮舱，每个浮舱调载主要通过对应1台长传动轴驱动的分离式水泵排水单元及相应管系来完成。浮船坞使用初期即发生了浮船坞排水系统中的NO.7排水泵壳体在运行过程中破裂。水泵安装单位进行了技术商讨，认为其他同类型的排水系统运行正常，怀疑是安装不当造成，即重新确定技术方案、订购原厂同型号新排水泵，安排人员再次进行安装、调试并运行。运行近1年，此位置排水泵在运行过程中再次发生壳体破裂。因当时存在无法从根源上排除此技术工艺故障、重新选型布管又十分困难等原因，改由相邻舱室的NO.8排水泵通过阀门控制来同时负责左右对称的NO.7、NO.8舱2个浮舱的调载任务，相关原理见图1。通过主排水管上控制阀的开/关次序来实现对NO.7浮舱内水的排放。这使得NO.8水泵同时承担原NO.8及NO.7水泵的排水量，造成NO.7、NO.8浮舱排水时间比原设计延长1倍，浮船坞排水系统长期处于带缺陷、超负荷运行状态。

图1 NO.7、NO.8浮舱泵、管系布置示意

随着浮船坞使用年限的增长，管理部门急切希望能恢复NO.7排水系统，恢复浮船坞调载能力，以提升浮船坞安全运行能力和浮船坞排水抬船效率，在使用安全性与经济性方面得到改善。

2017年，公司对浮船坞进行安全运行状况评估，如果NO.8排水泵发生故障将会造成2个浮舱无法调载。为了控制运行安全风险、提高抬船作业效率，特成立专题攻关小组，以恢复NO.7排水泵的排水调载功能。

1 故障分析

1.1 原浮船坞排水单元安装介绍

此浮船坞共有8只左右舷对称布置的独立浮舱，每只浮舱都配备1套由排水泵、电机及传动轴组成的排水单元、电液式阀门遥控系统控制的阀门[1]及管路系统，左右舷对称的排水单元通过连通管系进行联接、既可单独运行亦可通过遥控阀门实现并联运行，当1台水泵无法工作时，相邻浮舱的水泵可备用运行[2]。排水单元系统由主排水泵、驱动电机、长传动轴、控制阀，以及管系等组成的分离式长传动轴水泵排水单元，见图2。水泵进口端通径为ND800 mm，安装于浮舱内；动力端电机安装于浮船坞边干舱机房内；传动轴系总长10 680 mm，分4段分别穿过干舱机房、边深舱、主浮舱。水泵与电机通过由4段组成的传动轴系进行联接并实现动力传输。

图2 浮船坞原排水单元安装示意

1.2 造成NO.7排水泵壳体破裂故障原因

专题攻关小组对连续性发生泵壳破损因素进行理论分析，认为产生泵壳损坏的主要原因如下。

1)浮船坞频繁进出坞抬船，各舱排水不均衡使坞产生中拱中垂、扭曲变形。大型浮船坞的尺寸为58 m×280 m，在水面当进行调载时，坞体结构在横向及纵向产生弹性变形是必然现象。

2)排水抬坞过程中，由于坞底板承载坞内所抬船舶重量，坞中部承受坞墩传递的向下压力、水舱承受水的向上浮力，在此二力作用下，浮船坞在左右方向也会产生中垂，边深舱相对于坞甲板产生挠曲，使得位于坞墙高位的机房相对于深舱产生内倾，造成位于机房及边舱的传动轴与安装于深舱底部的水泵之间的垂直度产生偏差，当传动轴旋转时对泵壳产生冲击力。

3)浮船坞浮力稳定时，不同区域受有载荷变化时，坞体结构也会在外力作用下变形。坞吊吊运重物时在坞墙上行走，其位置变动对坞体结构产生弹性变形。

4)NO.7浮舱位置区域处于船坞艏端部，较其他位置区域受变形影响大。

5)分离式水泵排水单元，由于水泵与电机间距离超长(超过10 m)，安装长轴对变形控制的要求较高，不易满足。浮船坞受多种多种变形叠加时，引起长传动轴联接内应力集中，运行时应力通过轴传导到泵壳上并超出泵壳强度。

6)水泵运行时，NO.7浮舱位置区域结构与传动轴运转产生共振，泵壳受到额外附加的转动部分撞击和向心力而损坏。

7)轴系转动时扭振的影响。

8)进出口连接管安装时存在内应力集中，无法消除。

9)其他种类因素。

2 可行的恢复方案选择

经排查考虑，选择的恢复方案集中在A、B二类。

方案A:继续沿用原长传动轴驱动的分离式水泵排水单元方案。通过故障分析可知，浮船坞受力多变，变形量测量不易[3]，造成原水泵损坏的因素复杂、应力消除成本高、施工不易，原方案安装已失败二次，再次选择风险很大，应予避免。

方案B：技改选用一体卧式潜水泵排水单元方案。一体式潜水泵单元使泵与电机组合成一体，没有长传动轴，可以规避现实存在多种变形产生轴系应力的不利因素，只要解决好安装位置、动能传输、流量匹配等问题就能实施，优选此方案。

综合对比，决定选用方案B。电机与水泵直接连接的整体式水泵单元，安装到浮船坞压载舱的NO.7泵位，可有效避让掉浮船坞变形、长轴系共振等不利因素。综上考虑，新泵结构形式既要短轴整体式，又要满足在现有管路可联、直接工作于压载水舱的实际环境，潜水泵结构满足上述条件。当前市场上大型潜水型混流、轴流泵已发展成熟，寻找匹配的型号可以满足使用要求。

3 选择水泵单元的可行性调研

进口通径800 mm、排水量4 000 m3/h左右的大型水泵生产厂家的寻找[4]。基于快速高效解决问题因素，优先在国内厂家中进行比对查找。通过市场调研、考察、对比，最终确定选型天津××泵业生产的潜水式混流泵，其优点：外形尺寸小，没有过渡传动轴，整体尺寸满足现场安装对接进排水管出口实际，可以直接改装直角式进出，符合长期在水舱中使用的要求，额定使用电流不超出现有供电电缆载荷，到现场通过潜水电缆传输电力能源，技术参数和安装工艺条件均能方便实施。

技术参数复核对比结果见表1。

4 安装实施工艺要点

选择确定好故障纠正方案后，专题小组借鉴半潜式钻井平台新型压载系统部分思路[5]，对施工要素进行了策划，见图3。在编制施工策划时，参考水泵安装工程施工及验收规范[6]、借鉴大型混流潜水电泵的安装方案进行方案编制。

图3 新排水泵系统安装示意

一体卧式潜水泵单元安装注意要点。

1)原管道高度优先原则。浮舱管道直径800 mm，壁厚16 mm，靠法兰连接，弹性接头少，纵向横向和高度调整余地都很小，改动施工难度大，以原管道高度为安装基准来考虑潜水泵单元安装底座较有利。安装水泵的附加隔层底座应在车间进行预制、完成涂层保护后进舱安装。

2)进口端接口在车间预制配套的法兰短接管，保证短接管能与老管道及新水泵单元可靠刚性联接，出口端接口法兰短管在现场焊接配套，保证一次到位，并另加短接弹性管，保证出口端柔性连接，能承受少许变形和运行振动。注意管子内应力的消除工作，防止大的安装应力传递到泵壳。

3)进入浮舱的新水泵单元在体积、重量上较原单元大，应选择在NO.7浮舱顶板靠近水泵单元安装位置区域开设工艺孔，以提高作业效率及降低安全风险。

4)材料选择。

(1)潜水电缆出舱处配套适应变形和水密要求的新型电缆密封件。

(2)预制新泵支架基础与老泵底座的中间连接隔层底座，现场定高度后，取出在车间预制；底座安装孔与老底座现场配钻。

(3)出口法兰弹性短接，检查清洁原遗留旧件，确认可用。

(4)用镀锌管件和网板，新装配套检修巡查防护走道和栏杆。

(5)新设计制作所装舱室顶板上新泵检修所用吊装孔盖和水密。

(6)潜水电缆与相邻结构件用软垫夹层固定保护，防止运行振动破损。

5)潜水电缆防烧焊烫伤和磨损破皮保护。

6)施工、调试安全要点。通风、照明、防滑、吊运校核、涂层防腐恢复；现场泵壳开孔烧焊出口短管，根据焊接WPS实施焊接。

7)调试测量与记录要点。三相电缆相间及对船体绝缘检测与记录，振动测量与记录，运行温度测量与记录，电流变化测量与记录、进出口和焊接缝处查漏捉漏。

5 技改恢复后的运行实效

在NO.7泵位安装了卧式潜水整体式水泵单元以后，此浮船坞的排水系统运行良好，NO.7/8浮舱排水由前期的1台恢复到2台排水水泵，排水时间缩短了45%，2年来运行平稳，没有发生过故障报警，替换取得成功。

6 结论

浮船坞要保证安全运行，各舱的调载系统必须具有备用运行方案，且发生故障时须尽早恢复。在早期浮船坞、海洋平台等水舱调载系统建设中，受当时生产技术限制，普遍采用电机通过长传动轴把动能传递到安装于水舱内的水泵进行调载。现今的潜水整体式电机水泵单元制造技术已非常成熟，本文调载系统技改案例的成功实施，验证了浮船坞调载系统故障选用潜水型电机水泵一体化单元进行替代的有效性，无论是在安装便利性、费用成本控制方面，还是在维护保养、运行中应对各类外部环境变化等方面，优势明显。