某大型工程船发电机冷却水泵吸空现象分析及改造工艺

王超武

摘 要：某大型工程船在拖航过程中，发电机原动机冷却水泵常出现吸空现象，导致冷却水温高升，原动机冷却水高温保护自动停车，全船失电。为解决冷却水泵吸空现场，作者对该船的海水冷却系统进行分析并加以改造。经过对该船海水冷却系统的改造，消除了冷却水泵的吸空现象，发电机的运转稳定，确保船舶安全。

关键词：冷却水泵吸空；原因分析；设计改造

中图分类号：U664.5+8 文献标识码：A

Abstract： During the towing of a large engineering ship， the cooling water pump of the engine of the generator has an air suction phenomenon， which causes the cooling water temperature to rise， high water temperature protection of the engine automatically stops and the full ship loses power. In order to solve the problem of cooling water pump suction empty， this paper analyzes and modifies the seawater cooling system of the ship， the suction empty phenomenon of it is eliminated ， the stable operation of the generator is ensured and the ship is safe.

Key words： Suction empty of cooling water pump； Analysis of cause； Design and modification

1 前言

某大型工程船是一艘无限航区作业起重工程船，适用于海洋油气开发及维修、海上救助打捞工程等，最大起重能力为900 t（固定）/450 t（回转）。该船主要尺度及参数：船长100 m、船宽30 m、型深8 m、设计吃水4.1 m、设计排水量11 051 t；动力站由两台760 kW CAT3512柴油发电机组、两台230 kW CAT3406BTA柴油机组和一台90 kW 6135ZD应急柴油发电机组组成；推进动力由3台400 kW侧推组成。

该船在拖行过程中，常出现发电机原动机冷却水泵和其他设备冷却水泵吸空现象，导致原动机冷却水温突升、水箱水开跑水、原动机水温高自动保护停车，全船失电。

2 冷却水泵吸空原因分析

（1）拖轮拖带原因

该船长距离航行时需要拖轮拖带。拖轮拖带航行时，拖轮船身剧烈摇摆，拖轮双螺旋桨在工作过程带进大量的空气，特别在螺旋桨打空车时更甚，水中混合的空气形成大量气泡，随螺旋桨的水流作用打到被拖船船底，部分空气泡随着海底门进水口进入海水总管。

（2）船体结构因素

该船船体结构为箱式平底结构，对水阻力系数较大（约0.8），形成箱盖效应，船底下混合气泡难以溢出。航行过程中，船体摇摆不间断地跨压浪涌，大量空气在箱盖作用下裹罩在船底下随着水流从海底门进水口进入海水总管。

（3）海水总管倾斜向上走向设计原因

该船海水总管的走向设计存在缺陷（见图1），从海底门到冷却设备的吸入口这段海水总管是坡度约25o的向上倾斜的设计。根据水中气泡向上升的原理，在水流和压力作用下增加了空气泡进入海水总管的机会。

（4）海底门透气阀箱偏小及结构简洁

该船海底门透气阀箱设计偏小（见图2），只有1000 mm×650 mm×1000 mm，容积偏小不利于水中混合气泡分解、飘溢，并且透气总管入口端设在阀箱的底部。海水中的大量混合气泡虽然在海底门进水口处与隔栅碰撞后破裂，部分空气从透气管溢出，但透气总管管径偏小不利于空气溢出，在水流和压力的作用下，剩余部分空气泡进入海水总管。其次海底门透气阀箱内腔设计简洁，不利于海水混合气泡碰撞破裂排出。

（5）冷却水泵选型匹配分析

由于发电机原动机所配置的冷却水泵均为不带自吸装置的离心泵，该类水泵的排空能力较差，冷却水泵舷外出水口距离泵体较长且曲折，管道上布置了3个截止阀和一个防浪阀，出水经过冷却器和管道后，背压较大。因冷却水泵功率偏小，进水管中有空气和出水背压大，泵体内存在空气，水泵经常会出现气缚现象。气缚现象产生令冷却水供应不足或中断致使原动机冷却水箱水温骤然升高后水开井喷，水温过高发电机组保护装置动作，发电机组自动停机，电网失电。

要解决发电机冷却水泵出现的吸空现象，最经济的办法是对海水冷却系统的海底门透气阀箱进行改造，减少或消除空气进入海水总管，从而消除冷却水泵的气缚现象，确保冷却水供应正常，令发电机正常工作。

3 海水冷却系统海底门透气阀箱改装设计及施工工艺

（1）增大透气阀箱的结构尺寸，从1000 mm×650 mm×1000 mm改为2000 mm×1800 mm×3800 mm，体积增大特别透气阀箱高度已达3800 mm，已接近海底门的吃水深度（该船工作常規吃水4200 mm～4600 mm之间），箱内水压力已降至很低，接近大气压，更有利水中混合汽泡破裂释放，空气从透气管溢出。大量减少箱内汽泡积聚，减少空气进入海水总管的机会。阀箱体选用14 mm船用钢板。采用CO2气体保护焊接，焊接时将钢板两面切割5 mm×10 mm的斜口，两面烧全焊，工程完毕后做压风试验。

（2）根据水中汽泡撞击破裂溢出的原理，在阀箱内焊接一块导流板将水流进行导向流动，海水从海底门进来后，经过导流板作用，水中混合的汽泡在导流过程中与导流板撞击后，加速汽泡破裂使空气上升从透气管溢出，特别在导流板上加焊65 mm×65 mm角铁阻隔条，加大水流的撞击力度和改变水流趋势，大大提高水中汽泡的破裂力度令水中汽泡释放溢出。导流板选用14 mm船用钢板，导流板与透气阀箱体两壁密封焊接接，采用CO2气体保护焊接。65 mm×65 mm的角铁阻隔条与导流板面要烧全焊。endprint

（3）导流板的横撑和背撑也是利用水中汽泡撞击破裂溢出的原理，在阀箱内不同的位置设置横撑、背撑。横撑、背撑首先起到加强导流板固定作用，另外，在海水的导流过程中水中的汽泡跟随水流上升，汽泡在上升过程中撞击障碍物（横撑），而且横撑分布在不同而相互错开位置，能使从不同方向上升的汽泡得到接触撞击，结合导流板的作用，最大限度使海水中混合的汽泡在阀箱的入水侧（右箱房）破裂，上升溢出。小部分汽泡越过导流板进入海水总管的入水则（左箱房），因水流越过导流板后，水压已降到很低（导流板安装高度已达3 500 mm，船舶吃水在4 200 mm～4600 mm之間），接近大气压力，混合在水中的汽泡在低压状态下得到溢出。汽泡往低压处飘溢的原理，从海底门进来的混合汽泡经过导流板提升后在水压的作用下从透气管排出。最大限度的减少空气进入海水总管。透汽阀箱内所有附件安装完毕，在阀箱内壁均匀布设防腐锌块20块（8 kg/块），烧焊完毕，阀箱内喷涂防锈底漆2度，每度间隔4小时，之后再喷涂绿色橡胶面漆3度。喷涂过程中注意防腐锌块用报纸包起保护起来，喷漆完毕把保护纸除掉。

（4）加大透气管和形状设计。

把透气管从Φ89 mm改成Φ150 mm，有利于水中空气的溢出。透气管出口提升到阀箱的顶部，按上述水中汽泡分解溢出的设计结果，水中混合汽泡大部分溢出上升，并汇集在阀箱的顶部，通过透气管端口的喇叭型汇集口。收集溢出的空气导流从透气管溢出。

经过系列设计施工，某大型工程船新低位海底门透气阀箱改造完成（如图3）。

4 设计及改装结论

经过改装，该船透气阀箱透气效果明显。在一般海况的拖航，水泵气缚吸空现象基本消除，原动机冷却水泵工作稳定，供水持续、稳压，流量正常稳定。特别从透气阀箱改装完毕这两年多以来，该船常在离岸100多n mile的石油平台作业，该海区条件恶劣，浪涌大，在蒲氏4级风下，浪涌已达3～4 m，船舶在上述海区作业时摇摆激烈，驾驶台显示有时达15o～18o。在如此恶劣的海区里，大量空气从海底门混合进来，海水中的混合空气经过海底门透气阀箱的一系列导流和分解后，空气气泡有效溢出。保证了水泵不会因为吸入空气而导致出现汽缚吸空现象。

经过本次设计和改装，海底门透气阀箱工作可靠，透气效果显著，在主机舱的各冷却水泵的工作稳定性明显提高，冷却水泵吸空现象得到消除。各设备工作正常、稳定，有力确保了机舱设备的安全运行。

参考文献

[1] 富贵根，费千.船舶辅机[M].大连海事出版社，2010.

[2] 张也影.流体力学[M].高等教育出版社，1999.

[3] 曾平.船舶材料与焊接[M].哈尔滨工程大学出版社，2006.endprint