船用机械液压管系投油研究

2011-07-23黄亦飞汤立德

船舶与海洋工程 2011年3期

黄亦飞，杨燕，汤立德

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引言

散货轮、油轮甲板机械、FPSO单点及艉输油软管绞车、自升式钻井平台、半潜式钻井平台的机械设备使用的液压系统具有大功率、高压力和大流量的特点，且相互关联的系统多，精度高，使用环境条件恶劣。液压系统失效的原因复杂多样，其中因液压工作介质污染造成的损失占到70%～80%，而固体颗粒污染又占了绝大多数。因此，正确设计液压管系投油清洗系统，对液压管系进行严格的投油清洗，有利于缩短造船周期，是液压系统正常试验前的一个重要工艺环节。

1 投油前准备

1.1 管系的酸洗钝化

液压管系热投油清洗之前，为了提高酸洗钝化质量，对不锈钢管内壁必须进行除油脱脂处理。脱脂后用高压水枪冲洗管系内壁至废液 PH值为中性。对碳钢管，酸洗好后，碱水中和，然后用水彻底冲洗，并进行干燥，管内壁立即喷涂工作介质。

对于不锈钢管，通过酸洗使不锈钢表面平均有10μm厚一层表面腐蚀掉，酸液的化学活性使得缺陷部位的溶解率比表面上其他部位高，因此酸洗可使整个表面趋于均匀平衡，一些原来容易造成腐蚀的隐患被清除掉了。但更重要的是，通过酸洗钝化，使铁与铁的氧化物比铬与铬的氧化物优先溶解，去掉了贫铬层，造成铬在不锈钢表面富集，这种富铬钝化膜的电位可达+1.0V，接近贵金属的电位，提高了抗腐蚀的稳定性。不锈钢管的抗腐蚀性能主要是由于表面覆盖着一层极薄的（约1μm）致密的钝化膜，与腐蚀介质隔离，是不锈钢表面防护的基本屏障。

1.2 氮气吹扫

对于管径＜38mm（1.5英寸）的液压管，在投油前要用干净的氮气吹扫，用洁净的白布放在管的出气口，一直吹到用肉眼看不到有固体颗粒为止。该方法对干燥的管子效果很好。

2 投油设备的设计选型

2.1 以工作介质分类（热投油清洗时必须使用系统要求的工作介质）

1)石油钻井平台与散货船和油轮的区别在于工作环境复杂，在月池区域的隔水管张紧系统（DAT）因要承受高温高压的考验，必须选用抗燃液压介质。Houghton-Safe 273CTF是抗燃、防爆的水乙二醇介质，专门用于压力条件下、靠近明火或高温场合，能提供最大限度的安全性。它与添加剂一体化可起防锈保护及抗细菌污染作用，确保系统使用寿命长。由于水乙二醇介质的特殊性，它与已有投油泵组及过滤器中密封材料镉、锌、铅、镁元素不相容，因而普通投油泵组无法满足要求，必须设计新的投油泵组。

2)STACK MAGIC 200N是生物降解型BOP防喷器专用介质，应用于井口或多路器（multiplexer）控制系统。STACK MAGIC 200N推荐浓度2%，加上98%的去离子水，即必须加纯水或蒸馏水，工作介质的设计是可以直接排放到海里，同时能最大限度地提高对环境的保护。BOP控制液与水乙二醇一样，与镉、锌、铅、镁元素不相容，因而也要设计专用的投油泵组。

3)其他液压设备均使用以石油基为主的液压油。只要合理选用投油机组就能得到良好的效果。

2.2 以油路连接形式分类

投油回路的设计一般分为串联回路和并联回路2种。串联回路总的沿程压力损失是各分段沿程管路压力损失之和，其特点是压力高、流量小。并联回路总管上的流量是各支路流量之和。由于各支路的压力损失相等，因而不同的管径其流量是各不相同的，其特点是压力低，流量大。无论串联还是并联均要满足被投管系的雷诺数Re＞2300管壁内径，才能达到紊流状态。但雷诺数不能太小，根据经验，一般Re≥3000（有的设备商要求4000以上），其实只要油温在 40℃，可达到 3000，那么油温50℃，Re一般都会在4000以上。外商一般要求在50～60℃的范围检测油液的清洁度，在此温度范围内，管系内壁容易达到所需的清洁度要求。但油温不得超过70℃，否则管系密封件容易老化。

3 投油回路设计

3.1 雷诺数Re

Re是反映管子流动特性的一个无量纲数字，它的表达式为：

式中：V——管道平均流速，m/s；

d——管道内径，m；

ν——油液的运动黏度，m2/s；

式中：Q——管道流量，l/min；

ν——油液的运动黏度，mm2/s；

d——管道内径，mm。

ν在油液牌号中表示ISO规定了40℃时运动黏度值mm2/s，如ISO VG46即表示在40℃时运动黏度值为46mm2/s，不同的牌号表示不同的运动黏度值。从上式（1）、（2）中可以看出雷诺数与管道中的流量、流速成正比，与油液运动黏度成反比。例如从壳牌液压油Shell Tellus oils黏温特性（图1）中可以看到：T15、T22、T32、T37、T46、T68、T100分别表示在40℃时运动黏度值为：15、22、32、37、46、68、100mm2/s，即同一油品在不同的温度下有不同的运动黏度值。如图1 中T46号液压油在油温40、50、60、70℃时运动黏度值分别为46、35、22、18mm2/s；例如液压管内径为12mm，雷诺数为4000，在油温40、50、60、70℃时经计算所需投油的液压油流量分别为104、79、50、41l/min 。可见随着温度的升高其运动黏度值越小、流动性越好。即在同样的雷诺数下，管路投油所用的液压油就越少，这就是管系热投油的关键所在。即使在同样的流量下管路中的雷诺数随着温度的升高也越大；雷诺数越大，管路冲冼时间就越短。

目前国际上比较流行的设计方法是：先设定被投管系的雷诺数、投油温度、油品牌号、管径，然后根据公式（1）计算出流速，再按公式（3）计算出投油泵组的流量。

式中：V——管道平均流速，m/s；

F——管道截面积，mm2；

Q——管道流量，l/min。

3.2 串联回路：见图2。沿程压力损失计算公式（达西公式Darcy）：

式中：λ——为沿程阻力系数，对于光滑管道，雷诺数范围 3000 ＜Re＜ 105。

λ计算公式（勃拉修斯公式[1]）：

ρ——流体密度，890kg/m3（石油基液压油T46）；

V——管道平均流速，m/s；

d——管道内径，9×10-3m；

Re——雷诺系数,4000；

L——管道长度,111m。

根据公式（1），查图1 T46液压油，在60℃运动黏度值22 mm2/s。

根据公式（1）：V=4000×22×10-6/ 9×10-3= 9.78（m/s）；

图1 壳牌液压油Shell Tellus oils黏温特性

图2 串联回路投油原理

根据公式（4）：Δ1P=0.03978×111/9×10-3×890×9.782/2 = 20895336.34 Pa=20.895 MPa；

ς为局部阻力系数，由于局部阻力系数很复杂，在一般设计工况下取经验值，通常取沿程压力损失的2%～3%ΔP1，即计算时取 ΔP2= 2 .5%ΔP1，则总的压力损失 ΔP= ΔP1+ΔP2= 20.895 + 2 .5% × 20.895==21.42 MPa 。

管系串联投油系统压力高、流量小，沿程压力损失与速度的平方成正比。这时特别要注意投油压力不要超过管系的设计压力。若超过了要重新设计计算，在满足雷诺系数的前提下，适当降低速度，可以收到比较好的效果。另外特别要注意，此时压力已很高，不能采用脉冲震荡清冼。否则会损坏投油泵组及被投管系。

3.3 并联回路

图3 并联回路投油原理

从图3可以看出：许多设备都连接在从投油泵组（HPU）出来的压力油管（P）、回油管（R）、泄漏油管（D）3根总管上。在投油时，投油泵组的流量按照P、R、D 3根管子的内径计算所需的雷诺数来确定。并联投油是提高投油速度、缩短造船周期的重要工艺环节。从图3左图中可以看出很多设备已被分组成5组，但在实际运用中分组是严格按各设备支路的管径来区分的，即按各支路所需流量而定，由每组内的比较接近或相等管径来组成。从右图上可以看到：原来的4个设备如今已换成用软管的4个集管器（Manifold oil sampling），在各设备上的P、R、D 3根管子上均安装有流量计及取样阀。从集管器出发用软管连接到下一个总的集管器，再用总的软管连接到投油泵组，构成循环。由此系统所需软管、法兰、接头比较多，投油准备工作量较大，时间较长。

3.4 投油泵组功率的确定

式中：N——液压功率，kW；

Q——流量，l/min；

P——压力，MPa；

η——功率因素。

投油机组为了有较广泛的适用性，一般情况下有几个泵组组成，每个油泵出口均设有单向阀，既可以单独使用，又可以并联使用。压力P的选择一般根据全船液压系统被投管系总的压力损失来考虑，流量Q是根据被投管系的雷诺数来决定，然后根据上式确定功率。

4 液压油管清冼过程

液压系统压力越高，选用液压元件也越精密，对投油清洁度要求也越高。以往一般甲板机械投油清洁度均在Nas8-9级，但是在海洋工程中经常要求Nas6-7级。

通常接通液压管投油前，投油泵组本身一边加热一边自循环，待液压油升温到40℃以上，液压油清洁度达到要求后再接通外投管系。这样可在投油一段时间后，若样油化验不合格，马上可以判断是管路的问题，而不是液压油清洁度的问题。

4.1 合理利用“水锤现象”（高压时禁用）

在正常的液压系统中“水锤现象”应该避免，因为液压冲击会损坏管路、设备、密封件。但是在低压投油液压系统中加以合理利用可以大大提高投油效率，设计投油机组时，在系统中已考虑了这个功能。当系统投油清冼时，系统大概有每分钟 7～8次压力峰值频率向管壁发起冲击，使脏物容易脱落，从而大大缩短投油时间。

4.2 应用过滤器

投油机组上已设置了粗滤器（50μm）和精滤器（10μm），可通过阀门的转换达到不同的要求。初试时回油经粗滤器回油箱，约 1h后，回油经精滤器回油箱。

4.3 取样

用采样瓶取样化验，既花费时间，又由于取得的样品有差异，往往清洁度级别比在线测量要低一级。而投油机组均设置了在线固体颗粒计数仪接口，建议使用。

4.4 液压油换油指标

当一个设备投油完成后，一般情况下船东要求将管中液压油从被投管系中用氮气把它吹出来。但是如要继续将该液压油留在管中使用，则要做油品化验，一是要检测油液清洁度是否符合图纸要求，二是要检查油液的含水率是否小于 500ppm，三是要检查油品在 40℃时运动黏度值变化率是否小于±10%，符合以上3条则可继续使用。