便携式管路应急处置训练装置的设计和实验研究

刘 辉，李志辉，吴向君，李其修

(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)

近年来，随着海军装备快速发展和战略转型建设，舰艇遂行多样化军事任务和实战化演练数量逐渐增多，遭受损害的概率逐渐增大。由于舰艇管路系统错综复杂，并且呈多种工质、高压力、大口径和异型等特点，管路一旦发生破损和泄漏，若不能及时有效处置，将会影响装备和设备的正常运转，降低舰艇的生命力和战斗力[1]。

本文设计一种便携式高压油水和蒸汽发生训练装置，用于舰艇部队开展管路破损应急处置训练，提升舰员的快速处置能力和装备生命力。训练装置要求体积小，功能齐全，操作简单，使用安全，集成高温高压蒸汽(0～0.6 MPa)和高压水(0～2 MPa)。为保证舰艇训练过程中便携式、小型化的使用需求，实验装置采用高压变频水泵，炉内胆快速加热系统确保训练过程中油水蒸气压力稳定，并且连续可调，全套装置采用电子控制，操作简单，使用便捷。

1 训练装置的设计

1.1 高压水和蒸汽发生装置

整套高压水和蒸汽发生装置(见图1～图2)主要包括供水系统、自动控制系统、炉内胆加热系统和安全保护系统。供水系统主要用于保障训练装置所需的训练管道和锅炉用水，当使用高压油水管路训练时，消防水通过管路接口进入高压水泵增压，以稳定的压力进入训练管道；当使用蒸汽管路训练时，消防水通过管路接口进入炉内胆进行快速加热，并根据产生蒸汽的消耗量自动补水[2]。高压水输出和蒸汽输出管路属于独立系统，可以独立开展训练，也可同时开展训练。自动控制系统主要控制水泵供水量和炉胆电热系统加热时间。当使用高压油水管路训练时，用于控制进水量和控制输出水的压力，确保输出压力稳定；当使用蒸汽管路训练时，用于控制蒸汽的输出压力和温度，并采用电子液位控制器控制液位高度，确保输出压力稳定[3-4]。炉内胆加热系统主要用于对炉内胆内的水快速加热，产生蒸汽。炉内胆加热系统均采用锅炉专用无缝钢管制成，呈细长直立式。电加热系统采用的电热管，由2根不锈钢电热管弯曲组合而成，而其表面负荷在20 W/cm2左右[5-6]。安全保护系统设置漏电保护器、强电分离板、电路过载过压保护器和蒸汽过压保护装置用于漏电保护和过压保护，并设有接地安全保护。

图1 高压水和蒸汽发生装置正视图

图2 高压水和蒸汽发生装置侧视图

1.2 训练管道系统

训练管道采用模块化设计，包含普通管路和复杂管路，管路采用法兰连接，管路尺寸与训练通用管路尺寸相吻合(见图3)。

根据训练装置持续输出的0～0.6 MPa蒸汽，0～2.0 MPa的高压水供训练人员实施管路应急处置训练，训练管道能实现如下功能。

(1)蒸汽泄漏处置训练。

①普通管路沙眼、裂缝泄漏管路包扎训练；

②弯管接头沙眼包扎训练；

③法兰连接处泄漏训练；

④管径变换接头泄漏训练。

图3 模块化管道训练系统

(2)油水泄漏处置训练。

①普通管路沙眼、裂缝泄漏管路包扎训练；

②弯管接头沙眼、裂缝、焊缝包扎训练；

③法兰连接处泄漏包扎训练；

④管径变换接头泄漏包扎训练；

⑤空间受限区域管路泄漏包扎训练；

⑥管路失效跨接训练。

(3)各种管路包扎器材性能测试。

用于新型管路包扎器材的研制、性能试验，对研制和配发的管路包扎器材的性能指标进行检测，解决配置到舰艇上的器材时常会出现不可用和实用性差，甚至部分器材配备时性能就存在缺陷等问题。

(4)训练成绩评定。

通过数据记录和训练评估系统对训练管道的流量、压力等指标进行监测记录，用于评估训练人员的管路包扎基本技能。

2 训练装置工作原理

2.1 蒸汽输出模式

首先将消防水由进水口注入高压水和蒸汽发生装置训练装置内，并利用一套自动控制系统来控制水泵向蒸汽发生器的炉内胆注水，确保运行过程中液体控制在高、低电极探棒之间，并反馈控制水泵的开启、关闭、供水量大小和炉内胆加热时间[7]。

最高蒸汽压力由压力继电器设定，随着蒸汽的不断输出，炉内胆水位不断下降，当处于低水位与中水位时，水泵自动补水，当处于高水位时水泵停止补水[8]。同时炉胆内电热管继续加热，源源不断产生蒸汽，并输送到训练管道的破损口，供模拟蒸汽管道破损堵漏训练。面板上部的指针式压力表即刻显示蒸汽压力数值，流量表显示破损口即刻的流量数值，温度表显示即刻的温度，整个过程均有对应的指示灯自动显示(见图4)。

2.2 高压水输出模式

通过一套自动控制系统切断通往蒸汽炉内胆的供水管道和蒸汽发生器的相关电路。利用增压泵来提高油水的输出压力，并通过压力调节阀控制其压力，输送到训练管道的破损口，模拟液体压力管道破损的应急处置。面板上部的指针式压力表即刻显示输出压力的数值，流量表显示破损口的即刻流量数值，整个过程均有对应的指示灯自动显示(见图5)。

图4 便携式训练装置实物图

图5 高压水和蒸汽发生装置内部管路图

3 训练装置性能实验测试

3.1 蒸汽压力与蒸汽温度的关系

打开训练装置，设置装置的蒸汽输出压力从0.1～0.7 MPa，记录蒸汽在不同压力条件下的温度，如图6所示。从图6可以看出，蒸汽的温度随输出蒸汽压力的增大而逐渐升高，并且蒸汽温度随蒸汽压力的变化近似为线性关系。

3.2 蒸汽产生时间与水温之间的关系

当蒸汽输出压力设定为某一定值情况下，蒸汽产生时间与装置输入的水温有关，将训练装置蒸汽输出压力分别设定为0.6 MPa和0.5 MPa，在不同水温情况下输出蒸汽达到设定压力的时间如图7所示。相同压力条件下，温度越高，蒸汽压力的产生时间越短，并且蒸汽产生时间与输入水温基本呈线性关系。

图6 蒸汽温度与蒸汽压力之间的关系

图7 蒸汽产生时间与水温的关系

3.3 管路破口大小对蒸汽输出压力的影响

在进行管路破损应急处置训练时，当管路破损泄漏时，蒸汽的输出压力会逐渐降低。若设定蒸汽的输出压力为0.6 MPa，管路破口直径在0～8 mm变化过程中，蒸汽输出压力的变化关系如图8所示。通过图8可知，可以根据训练需要，通过调整蒸汽的额定输出压力满足训练压力需求。

图8 蒸汽输出压力随破口直径的变化关系

3.4 高压水输出性能测试

训练管道破口的大小直接影响高压水的输出压力，分别将高压水的额定输出压力设定为1 MPa和2 MPa，测试训练装置的运行情况如下。

(1)高压水测试，水温为15 ℃，关闭高压水输出阀，启动水泵，水泵在高负荷状态，水压调高至2 MPa并保持水压，连续1 h，水泵泵体上的温度42 ℃，水泵密封圈良好，未见异常。

(2)高压水运行，水温为15 ℃，启动水泵，水压调高至1 MPa，打开输出阀，高压水从训练管道破口流出，压力为0.9 MPa，水泵连续工作12 h，水泵密封圈良好，未见异常。

4 结 论

本文设计了一种便携式管路应急处置训练装置，用于产生高压水和高压蒸汽满足舰艇不同类型破损的应急处置训练，高压水和高压蒸汽的输出压力可以通过一套自动控制系统控制，并对整套训练装置的性能进行了实验测试，得出结论如下。

(1)训练装置可以产生0～2 MPa的高压水和0～0.6 MPa的蒸汽，并且输出压力随意可调，确保训练过程中压力稳定，满足训练装置使用需求。

(2)蒸汽的温度随蒸汽输出压力的增大逐渐升高，并且蒸汽温度与蒸汽压力的变化近似为线性关系。

(3)相同压力条件下，输入训练装置的水温越高，蒸汽压力的产生时间越短，并且蒸汽产生时间与输入水温基本呈线性关系。

(4)管路出现蒸汽泄漏时，破口输出压力随破口增大而减小，可通过调整蒸汽额定输出压力来满足管路应急处置训练需求。

(5)整套训练装置性能测试功能正常，工作稳定，使用便捷安全可靠，可以满足现阶段所有制式管路应急处置训练器材的使用训练。