船用应急消防泵的布置

张 航，刘冠华

（沪东中华造船 (集团)有限公司，上海200129）

船用应急消防泵的布置

张 航，刘冠华

（沪东中华造船 (集团)有限公司，上海200129）

船舶应急消防泵是重要的船舶安全系统部件，其汽蚀问题严重威胁着船用泵的安全运转。作为船舶设计或施工人员，应尽可能利用现有条件，优化设计，使船舶上的消防系统安全稳固运行。因此，通过分析水泵汽蚀的产生原理及列举汽蚀余量的计算方法，结合船用泵使用时所面临的复杂海况，通过已知条件去确定合理的应急消防泵的布置。

应急消防泵；汽蚀余量；安装布置

Abstract:Marine emergency fire pump is an important part of marine security system.The safe operation of marine pumps is seriously threatened by cavitation problems.As a ship design or construction personnel,we should make full use of existing conditions,optimize the design,so that the fire system on the ship can operate safely and stably.Therefore,by analyzing the generation principle of water pump cavitation,listing the calculation method of the cavitation margin,and combining with the complex sea conditions faced by the use of marine pumps,the reasonable arrangement of the emergency fire pump should be determined through the known conditions.

Key words:emergency fire pump;cavitation margin;arrangement

在确定管系设计中某一个泵的布置时，往往会看到泵的图纸材料中的SUCTION PRESSURE，NPSHr等相关参数。那这些参数的意义，如何将其利用到设计过程中；船用泵使用情况复杂，海平面波涛汹涌，船舶航行颠簸沉浮，是否会对泵的使用产生影响；选用的泵该放置在什么样的高度位置，才能保证泵的吸水状态，且又不发生汽蚀。针对上述问题，本文将做一些探讨。

1 汽蚀现象与船用泵面临的状况

液体在泵内流动时，压力是不断发生变化的。在泵的某些局部区域，压力可能降低到或低于液体温度相应的汽化压力，部分液体则发生汽化。溶解在液体中的气体也可能逸出，形成气泡。如果气泡破裂在流道附近，就会在流道表面形成高强度的冲蚀，冲蚀形成的水击压力可高达107Pa甚至108Pa以上，频率可达每秒几万次。尤其当其发生在叶轮表面时，众多的液体质点如细小的高频水锤撞击着叶片，在这种压力的冲击作用下，产生疲劳、点蚀，甚至形成严重的蜂窝状空洞。此外，液体中的活泼气体借助于气泡凝结时放出的热量，对金属产生化学腐蚀。这种气泡的形成、发展和破裂，以及材料受到破坏的全过程称为汽蚀现象。汽蚀不但使材料受到破坏，而且使泵的震动和噪音加剧，泵的流量、压头和效率明显下降，甚至发生断流的现象。在船舶管系中，尤其在消防系统中，泵的汽蚀对于整船安全运行是一个很大的不利因素，要绝对杜绝此情况的发生。

图1 泵内介质流动压力变化

图1为泵内介质流动压力变化情况，当泵中介质流动到泵内部的C点时，其压力值最小，如果此时压力小到饱和蒸汽压力即会发生汽蚀现象。本文旨在探讨在船用泵安装时，利用现有条件，综合规范要求，用合理的设计安装来给泵足够的余量，从而避免汽蚀现象的发生，并对船厂设计及施工提供指导意义。

2 利用允许吸上真空高度来避免汽蚀

大部分泵的出厂资料会给出允许吸上高度或允许吸上真空度 (Hs')，即SUCTION PRESSURE。Hs'与泵的结构、流量、被输送液体的物理性质及当地大气压等因素有关。通常由泵的制造工厂试验测定，实验在大气压为10mH2O下，以20℃清水为介质进行的。其定义为泵在额定工况下保证不发生汽蚀时泵进口处能达到的最大吸入真空度，其公式为Hs'=Pa-P1/ρg。其中Hs'值越大，表示该泵在一定操作条件下抗汽蚀性能越好。以此为基础，来确定泵所能安装的位置情况，即允许安装高度。允许安装高度指泵的吸入口与储液槽液面间可允许达到的最大垂直距离，以Hg来表示。图2为水泵安装简要示意图。

图2 水泵安装简要示意图

水槽面0-0与泵入口处1-1截面间可通过伯努利方程得出如下公式：

Hg=(P0-P1)/ρg-u12/2g-Σhw

一般来讲，水槽与大气是相通的，所以P0=Pa（Pa为大气压强）可得到下式：

Hg=(Pa-P1)/ρg-u12/2g-Σhw

将允许吸上真空度Hs'带入上式，可得允许吸上高度：

Hg=Hs'-u12/2g-Σhw

式中：Hg——几何安装高度；

P0——水槽液面压力；

P1——泵吸口处压力；

u1——泵吸口处流速；

Σhw——吸入管流动损失。

上述公式可以判断船用离心泵安装时的具体高度（泵距离水线的高度Hg）是否合理，来确保不产生汽蚀。但是，泵的允许吸上真空高度是随着泵使用地点的大气压、吸入管中的阻力以及输送液体的性质和温度的不同而变化的。其在使用中不太方便，在船舶系统设计建造作为辅助方法，一般并不做针对计算。所以，在泵的使用中，便引入了一个参数，称为汽蚀余量，英文缩写NPSH。汽蚀余量分为有效汽蚀余量HPSHa和必需汽蚀余量NPSHr。相关船级社等部门也以NPSH为基础出具并改善各种规范要求，来考据船舶设计的可靠性。

3 利用汽蚀余量（NPSH）计算法避免汽蚀

3.1 NPSHa和NPSHr

各船级社重点对应急消防泵汽蚀余量的设置提出了要求，具体如表1所示。

表1 各船级社汽蚀余量要求比照表

离心泵是否发生汽蚀受到泵本身和吸入装置2个方面的影响，具体表现就是NPSHa（吸入装置） 和NPSHr（泵本身） 的关系。其中NPSHr数值由离心泵厂家提供在设备资料上，其表示泵若不想发生汽蚀，要求在泵进口处的液体具有超过汽化压力水头的富裕能量，即保证图1中的C点附近的压力高于液体温度对应的汽化压力。因此，液体在C点之前的泵的入口处需要保留一定的能量余量，用来抵消泵内部运行对液体压力的进一步降低，即必需汽蚀余量NPSHr，此为每台泵自身的特点。对于同一台泵来说，NPSHr越小则需要给予富裕能量值就越小，其本身抗汽蚀性能也就越好。由于NPSHr的数值由离心泵厂商经过试验测试等方式得出，标于样本材料中，故对于船舶系统设计者来说，此参数为船用泵的固有参数，并无条件去改变。

而NPSHa表示泵进口处液体具有的全部水头减去汽化压力水头净剩的值，其对于管路系统设计者来说，更有意义。具体公式如下：

NPSHa=P0/γ-Hg-Pv/γ-Σhw

式中：P0——吸水液面的压力；

Pv——与液体温度相对应的饱和蒸汽压力；

γ——输送液体重度；

Hg——液面到泵叶轮中心的高度；

Σhw——吸入管路流动损失。

从上式可知，NPSHa与吸水液面压力P0、液体饱和蒸汽压力Pv、吸入管路流动损失和几何安装高度Hg有关，与泵本身并无关系。

综上可知，泵进口处的富裕能量NPSHa只要大于或者等于泵的预留余量NPSHr，就不会产生汽蚀现象。因此，可以通过控制泵的安装高度（Hg）及管路流动损失（Σhw），来达到设计预期。

另外，因为消防泵的设置关系到全船的安全，尤其应急消防泵经常布置在船艏或者船艉这些远离双层底的位置，相对较高的位置使得几何安装高度Hg增大进而导致HPSHa减小，增大了汽蚀发生的风险，在此需要设计人员特别注意。

3.2 吃水线的确定

上述计算中Hg很重要，但要想确定其数值，就必须先行确定船舶的吃水线。但因为船舶的运行环境很不稳定，存在各种摇摆及倾斜状态，因此吸水水位就不能像陆基泵那样，选定简单的某一水平面。因此，针对水线的确定，MSC也已经给出了相关准则，即MSC.1/Circular.1388通函的有关规定。并据此制作具体船型的纵摇及升沉实船对应图，同时进一步列出其要求的几种吃水线和船舶状态，作为模拟船舶航行的各种状态，并以之为基础进行核算。

状态一：考虑纵摇并海面升沉，船舶纵摇及海面升沉状态参数如表2所示。

表2 船舶纵摇及海面升沉参数表

图3为纵摇结合升沉的实船吃水线示意图，其与消防泵吸入管的交点A点即是此种情况下的吃水线高度。

图3 纵摇及升沉实船对应图

状态二：考虑横摇并升沉的状态（有龙骨船舶φ角度11°），如图4所示。

状态三：船平浮水线螺旋桨浸没2/3状态，如图4所示。

状态四：船轻载到港（无货物，但有10%燃油和其他消耗品以及保持船舶的最小压载要求时的状态），如图4所示。

图4 各种工况状态下的吃水线轴向视图

可见，在图4中的A点也即图3中的A点。在4种模拟状态中，状态二（考虑横摇并升沉，有11°） 最为严峻，水线最低。因此取此C点位置作为计算的水线点，通过模拟泵的安装高度和管路走向，计算出液面距叶轮高度Hg和管路沿程损失。

至此，利用上文所介绍的2种避免气蚀的计算法开始校核泵及管系的布置情况。以NPSH法为例，通过计算公式得到NPSHa的值，有了这个数据为基础，就可以来核算当前最严苛吃水状态下的NPSHa与NPSHr是否足够满足要求。如果核算结果使得NPSHa＞（NPSHr+1 m）（即ABS，GL等船级社的要求） 成立，则说明设计的应急消防泵布置位置及管路设计情况已经满足要求，不会产生叶轮汽蚀现象，满足了船级社的规范要求；如果不能满足条件，则说明泵的布置安装高度过高，或者管路设计阻力太大，就必须做出调整直至满足条件。

船舶消防泵是很重要的船舶安全系统部件，汽蚀问题又严重威胁着船用泵的安全运转。作为船舶设计或施工人员，应尽可能利用现有条件，优化设计，使船舶上的消防系统安全稳固运行。

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[3]李一存.柴油机水泵穴蚀的原因及改进措施[J].柴油机设计与制造,2011(3):10-12+31.

[4]马瑛.屏蔽电泵故障分析与改进[J].石油和化工设备,2006(5):36-38+47.

［责任编辑：刘 月］

Arrangement of Marine Emergency Fire Pump

ZHANG Hang，LIU Guanhua
(Hudong-Zhonghua Shipbuilding(Group)Co.,Ltd,Shanghai 200129,China)

U664.88

A

2095-5928（2017）04-21-04

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2017.04.006

2017-05-10

张航（1985-），男，辽宁朝阳人，工程师，学士，研究方向：轮机工程与船舶动力装置。

刘冠华（1984-），男，山西阳泉人，工程师，学士，研究方向：船舶工程技术与船舶辅机。