一种超高压泵机组的设计思路

王建强

(南通中远海运船务工程有限公司，江苏 南通 226006)

近年来我国承接了全球近70%的修船工程量，中国修船能力升级，大型船舶改装能力明显提升，加之修船价格上的竞争力，基本具备成为世界修船中心的硬件条件。但是，修船业被视为传统的“3D”(Dangerous、Difficult、Dirty)行业，特别是喷砂作业带来的大量粉尘被常年诟病。

曾经出现过长江沿岸一家修船企业的除锈垃圾直接落江事件，该事件引起了政府的高度关注，长江经济带上的多个省市开展了针对修船行业的环保整改工作。中国修船行业的绿色转型势在必行。

目前，国内以舟山万邦永跃船舶修造有限公司为首的企业在超高压水船壳表面预处理方面通过引进设备等方法已经取得一定的成效，已经基本取代了传统的喷砂作业，应用船舶已累计超过300艘。

要想用超高压水除锈取代传统喷砂作业，就必须开展超高压水射流绿色除锈成套装备和标准研究，解决超高压水射流除锈成套装备配套研发，解决设备“卡脖子”的问题，才能提升我国绿色修船技术水平，加速我国船舶修理行业的转型升级，彻底根治船舶修理除锈施工现场粉尘，实现企业发展与社会自然的友好融合。

1 绿色修船表面处理工艺技术主要类型

修船过程中的表面处理工艺技术主要有以下几种：高压水射流除锈、冰粒子除锈，以及激光除锈等。

高压水射流除锈分为纯高压水和磨料射流除锈。

1.1 超高压水射流除锈

超高压水射流除锈是将普通自来水通过高压泵进行加压，然后通过特殊的喷嘴，以极高的速度(200～500 m/s)喷出能量高度集中的水流进行除锈，经过雾化以后还可以有效降低粉尘浓度，是一种非常环保的方法，该技术在对除锈后的污水进行相关处理后不会对环境造成污染[2]，见图1。

图1 超高压水射流除锈

1.2 磨料水射流除锈

磨料水射流是在高压水中加入磨料，混合形成的介质射流，利用由喷嘴小孔高速喷出只需要30～50 MPa即可达到除锈的目的，除锈后,细磨料与物面碰撞为粉末，便于随水流排放而不沿积[1]。

1.3 激光除锈

激光除锈指利用激光的高能量、集中性高的特点，通过激光照射，使得污垢、氧化皮、锈斑、有机涂层等吸收激光能量后，以熔化、气化挥发、瞬间受热膨胀并被蒸气带动脱离基体表面，从而达到净化基体表面目的的除锈方法。

1.4 冰粒喷射除锈

采用低温冰粒喷射取代喷砂，是利用冰粒直接喷射以达到清洗、脱漆，以及除锈等目的。

相比较而言，高压水射流除锈从操作角度和适用性角度来看，更适合绿色修船。高压水射流除锈的关键点就在高压泵机组。

2 绿色修船用超高压泵机组研制

2.1 超高压泵机组的整体设计

超高压水射流除锈工艺的工况特点是超高压大流量，超高速度(200～500 m/s)，超高压泵液力端过流部件关键结构尺寸及运动参数需要与射流工况进行相应匹配，以实现超高压泵液力端及相关部件的整体布局及同等零部件长寿命的详细整体设计，其中需要解决的关键问题有以下几个难点问题。

1)超高压泵承压部件可靠性及使用寿命问题。

2)超高压往复泵间隙与填料组合密封结构、往复密封冷却润滑结构，并对密封材料选型。

3)超高压泵进排液阀组的安装、维护，以及修复技术问题。

4)解决超高压泵机组全程作业的无极控制，以无级调压与控制为内容的系统控制，集信息采集、处理、反馈、调节于一体，通过人机对话界面实现成套装备的变工况集中控制与调节。

2.2 需要解决的技术问题

通过分析超高压水的流场动力特性，找出超高压工况下水介质的压缩性、破坏性对超高压泵过流部件结构设计的影响。针对超高压水射流除锈工艺超高压大流量的工况特点，开展与水射流工况匹配的超高压泵液力端中高压缸体、超高压柱塞、密封副、进排液阀组等过流部件关键结构尺寸及运动参数的设计，进行超高压泵液力端及相关部件的整体布局分析及同等零部件长寿命的详细整体设计。

2.3 技术方案

设定超高压泵机组排出压力300 MPa、流量52 L/min的射流工况，采取理论分析和数值模拟计算相结合的方法，分析设计工况参数的超高压水流态及流动特性，找出不同过流通径下的超高压水压力损失变化规律。

描述能量损失的伯努利方程为

(1)

式中：v1、v2为管道内水流速，m/s；p1、p2为管道内水压力，MPa；ρ为水密度，kg/m3；g为重力加速度；h为理论能量损失。

光滑管湍流超高压水射流泵组的能量损失h1可以描述为

(2)

式中：l为管道长度，m；D为管道内径，m；v为管道内水流速，m/s。

通过理论计算和高压流体模拟试验，通过对300 MPa超高压工况下水介质的压缩性的特性分析，分析其对超高压泵的高压缸体容积设计、高压柱塞往复运动参数调整等方面的影响。

液力端作为超高压泵产生水射流工况的核心结构，主要由多组的进排液阀、高压缸体、高压柱塞等关键部件构成。依据前述设定的300 MPa超高压水流体特性核算，以超高压泵设计的理论流量参数为目标，确定液力端中进排液阀组、高压缸体、高压柱塞等关键部件的相互关联、材料与工艺、量化主参数。借助已有高压泵及液力端的系列化开发经验，结合超高压泵的额定压力参数，设计高压柱塞的直径参数和设定较低的高压柱塞往复次数，把柱塞线速度降到近许用值，再根据一组高压缸体等过流部件输送的理论流量，设计高压柱塞的行程和高压缸体的有效容积；针对每组进排液阀组，根据超高压流体特性确定阀组的过流通径和设计阀芯的升程。

2.4 超高压泵承压部件可靠性及延寿

300 MPa、52 L/min超高压泵承压部件的强度校核，根据弹性理论，应当采用拉美公式计算，计算周向应力σt，径向应力σr和轴向应力σx，见图2。

图2 超高压泵承压部件受力示意

(3)

式中：pi为内压；p0为外压；Di为内径；D0为外径。

通过相关计算可以得出径比K曲线见图3。

图3 径比K值曲线

表1为C.L.Kobrin按照国际标准材料强度的分级。

表1 材料强度分级

根据相应的计算对材料进行针对性的选型，对于超高强度钢，必须经过特殊的热处理工艺后(固溶和时效)，才能达到最大的抗拉强度及表面硬度。根据零件的工作状况，确定合适的热处理方法和工艺参数，以保证部件的可靠性并延长使用寿命[2]。

对于热处理方法，可引入激光淬火技术，通过对激光功率、激光束扫描方式与速度、光束尺寸与关键结构件/密封件表面耐磨性提升的相关性的分析；通过激光合金化改性技术，开展合金化材料与基体材料的匹配、基体与组元的选择、合金化程度的控制、合金化层裂纹的控制、改性层不平整度控制和表面波纹的控制等方面的攻关，使材料实现高性能表层改性，达到零件成本与工件性能的最佳结合，实现延长承压部件的使用寿命。

2.5 超高压泵的往复密封技术

超高压泵可靠运行的关键之一是超高压往复动密封。针对300 MPa超高压往复密封，以一级浮动套筒间隙密封和二级填料密封相结合的往复动密封结构为基础，使高压流体经过套筒间隙节流降压，利用套筒内外部压差使得套筒弹性变形，以形成“难以加工的间隙”，使得柱塞与套筒间处于水膜状态，形成稳态压力降，否则会使密封副相互抱死。进而对降压后的流量利用填料阻止密封泄露。

采用整体硬质合金制造的柱塞，优点是整体硬度高，材料均匀密实等，但是材料脆硬，加工困难，故需要采取模拟计算和试验相结合的方法，确定浮动套筒的材料、结构、变形量及所受超高压工况等因素与形成液膜之间的关系，找出柱塞的硬化与韧性、对中与浮动、调节与偏差等矛盾关系，分析填料往复密封尺寸、高压柱塞往复线速度等参数对往复密封效果的影响。

柱塞速度过高，密封副摩擦生热，形成不流动的水膜，很快就会抱死；速度过低，液力端行程长、尺寸大，而且排出端的压力脉也大。

(4)

式中：Vm为活塞(柱塞)平均速度，m/s；S为活塞(柱塞)行程长度,m；n为泵速，r/min。

经验表明，Vm取值范围为0.2～0.25 m/s，这样泵速n最好在130～150 r/min，且以小值为好[3]。

2.6 超高压泵进排液阀组的设计与制造

根据进排液阀的受力及升程等技术指标，综合考虑进排液阀的结构及自重，解决与阀芯导向配合的阀簧直径、压缩长度及有效圈数等参数与进排液阀启闭灵敏性的影响问题，开展阀簧的材料选型及制造工艺探索，确保阀芯及阀簧的灵敏动作和降低出现阀芯卡涩的情况。针对每套进排液阀组中的阀芯与阀座，材质选用具有高强度、良好韧性及耐蚀性的硬化不锈钢，采用配对制造和配合使用，应用特殊处理工艺实现阀芯、阀座密封面适当硬度差，保证进排液阀组的可靠密封。

2.7 无级控制超高压泵机组的全程作业

超高压泵机组控制系统的技术路线有恒速控制和恒压控制两种方式。恒速控制方式下，通过人机界面设定或更改变频器输出频率，使超高压泵在一定的频率下恒速运行，保持恒定的流量和压力。恒压控制方式下，通过人机界面设定和更改高压泵输出压力，由控制软件调节变频器的输出频率，使压力达到设定的压力值，并使超高压泵自动保持在设定压力下运行。恒速控制为开环控制，而恒压控制为闭环控制。以变频调速控制为核心，控制系统通过在泵机组的各监测点设置的压力变送器、温度变送器、压差开关、液位开关等检测元件监控泵机组的运行状态，实时进行故障报警和保护。

2.8 超高压泵机组长周期安全运行

针对提升超高压泵机组安全性的技术要求，确定超高压泵的输出水压、吸入水压、往复密封润滑、动力端油压及油温等关键状态参数的特征安全参量合理范围，设计关键状态参数检测接口和完成相应的传感器选型，研发超高压控制阀等超高压泵机组的安全保护装置，确定关键状态参数报警条件下超高压泵机组安全保护装置的响应机制，制定超高压泵机组关键状态参数的检测监测、信号输送，以及反馈保护的控制逻辑。

3 结论

如何降低修船过程中对环境的影响，淘汰落后的打砂工艺，技术变革势在必行，设备的研发和改进则是实现绿色修船的有力技术保障。几种除锈方式相比较而言，超高压水射流除锈更适合修船企业，而超高压水射流除锈设备主体部件-超压泵体中的承压部件寿命、柱速与密封是关键工艺难点，基于对部件的可靠性及使用寿命考量，对于材料的选型、材料工艺处理方法的选择都提出了更高的要求。本文的设计思路和方法，为相关设计提供参考。