坞门压载水舱排水系统优化设计分析

张永伟

（海洋石油工程（青岛）有限公司， 山东 青岛 266520）

浮箱式坞门是造船坞的挡水口门，是造船坞的大型配套设施，其作用是挡住船坞外的水，在造船坞内进行造修船舶等作业。本文以海洋石油工程（青岛）有限公司浮箱式坞门为例，对其压载水舱排水系统现状进行分析。浮箱式坞门两端各设置一个压载水舱，每个压载水舱拥有两个压载水舱排水系统，在压载水舱排水系统中，有电动阀、入口管路减振器、排水泵、单向阀、出口管路减振器、启停控制盒等设备及元器件。坞门压载水舱排水系统在投入运行后不久，出现了排水泵及管路震动过大、单向阀及泵体密封处泄漏等问题。

1 排水系统现状及分析

1.1 排水泵出口未设计压力表

在设计时，排水系统中排水泵出口未考虑压力表。为清楚了解出口压力表对排水泵运行中的作用，对其运行工况进行核算分析。

海水在管路内作稳定流动时，会引起流动过程中三种机械能，分别为位能、动能、静压能的相应改变及相互转换，对于理想流体，在系统内任一截面处，虽然三种能量不一定相等，但是能量之和是守恒的。而对于实际流体，由于存在内摩擦，流体在流动中总有一部分机械能随摩擦和碰撞转换为热能而损耗，设：压载水舱液面为输入面A，排水泵出口为输出面B，列机械能核算。

gzA+uA2/2+PA/ρ+ωe=gzB+uB2/2+PB/ρ+∑hƒ（∑hƒ=(λ·l/d+ξ)·u2/2=∑ξ·u2/2）；

通过整理可得，PB=P0+ρ[g·(zA-zB)+ωe]-[8ρ∑ξ·/(π2d4)]·Q2

其中，zA、zB分别为压载水舱液面和排水口高度，d为管路内径，PA=P0为大气压，PB为泵出口压力，ρ为介质密度，ωe为泵对单位质量流体做的功，∑ξ为总阻力系数，λ为摩擦系数，Q为介质流量。

P0，ρ[g·(zA-zB)+ωe]，8∑ξ·ρ/(π2d4)均可通过查表并计算得出，因此，排水泵的出口压力PB与管路中流量的平方Q2具有线性关系。

图1 离心泵特性曲线

如图1离心泵特性曲线可知，泵的工作效率η与管路的流量Q有关，因此可知，排水泵出口压力与其工作效率具有一定关系，排水泵出口压力表可反映泵的工作状况，可对泵的运行状况起到一定的监控作用。

泵抽空，是由于泵在启动前没有灌泵、进如空气、液体不满或介质大量汽化造成的，表现在性能上是出口压力很小或趋于零[1]。

汽蚀，是当泵入口处压力低于输送介质的饱和蒸汽压时，被输送的介质会出现沸腾，生成的蒸汽泡在随介质入口向外围流动中，又因压力迅速加大而急剧冷凝，使介质以很高的速度从周围冲向气泡中心，产生频率很高、瞬时压力很大的冲击。产生汽蚀时，离心泵运转时产生激烈的水力冲击，同时液体中微量溶解的氧对金属产生化学腐蚀作用，一段时间后，可使其表面出现斑痕或裂缝，甚至逐步脱落；表现在性能上是出口压力有较大幅度的波动。

因此，排水泵出口压力表的缺失，导致在现场无法对运行工况进行实时监控，不利于排水系统长期、高效、安全运行，同时压力表的缺失将影响对泵抽空、汽蚀等异常工况的判断。

1.2 减振器位置设计不合理

目前，压载水舱排水系统中减振器的安装位置如图2所示，减震器在泵排水管路垂直位置上。

图2 减震器与单向阀位置图

减振器的主要作用是减缓泵在运行期间振动对排水系统的影响，产生振动的原因有很多，如泵轴与电动机轴承不对中产生振动；水泵正常工作时可能会伴随涡流、气蚀等产生振动。其中一些振动的产生几乎是不可避免的，采取一些减振的措施，降低泵的振动，从而减少由于振动对泵及附属件的影响，延长泵及附属件的使用寿命。

减震器的安装位置存在隐患。排水泵产生的振动将直接作用于单向阀，随着使用时间的延长，可能会对单向阀造成损坏，甚至产生漏水现象，给系统的正常运行带来隐患，也增加了后期维护工作量和修理费用；同时，垂直管路的一部分重量将作用于减振器上，可能造成减振器的压缩变形，并导致管路下沉，影响排水系统的稳定性。

1.3 排水泵密封方式存在缺陷

排水泵采用普通的机械密封，动、静环采用石墨对碳化硅的配对方式，辅助密封采用氟橡胶。机械密封[2]中的动环、静环的端面组成一对摩擦副，动环靠密封室中介质的压力使其端面紧压在静环端面上，并在两环的端面上产生一定的比压，从而形成一层很薄的液体膜，产生较大的阻力，以阻止液体的泄漏[3]。

由于排水系统内的介质为海水，含杂质量较大，同时，坞门内的排水泵停用周期很长，长时间放置使泵内部容易出现锈迹等杂质，当泵运行时，这些杂质易进入动静环之间，石墨对碳化硅的配对方式耐磨性较差，输送有杂质的介质极易被破坏，出现泄漏情况。

2 优化措施

2.1 在排水泵出口安装压力表

针对排水泵出口未安装压力表的情况，提出以下两种改进措施：

改进措施A：在泵出口安装带报警功能的压力表，设定正常压力范围，当出口压力偏离设定范围时，发出警报。

改进措施B：出口安装压力传感器，并传至中控室监控。

改进后可以对泵抽空、汽蚀等异常工况做出初步判断，有助于及时采取必要的措施，减少对泵的损坏，同时，也可检查单向阀是否损坏，如果泵在停止运行后，出口压力表压力仍然较高，可能是由于单向阀损坏，上游管路中的水回流引起的。

2.2 调整减震器的位置

针对减振器位置安装不合理的情况，提出互换排水泵出口管路上单向阀和减振器安装位置的改进措施，互换位置后的优点有：排水泵在运行时产生的振动将直接作用于减振器，有助于减缓振动；对单向阀形成了保护，减少振动对单向阀的影响；将单向阀设计在垂直管路上，避免管路下沉，而且泵停用时，单向阀在重力作用下即成关闭状态，避免管路中存留的少量水回流。

2.3 更换排水泵的密封方式

针对排水泵泄漏问题，提出两种改进措施。

改进措施A：将动、静环改为硬质合金对碳化硅的配对方式，将普通机械密封改为新型的集装式密封。

原有的石墨对硬质合金的配对方式不耐磨、易磨损，若改为硬质合金对硬质合金的配对方式，在泵停用时间很长时，则会出现相互亲和绞死的现象[4]，而压载水舱排水泵的停用周期又很长，因此，将动、静环改为硬质合金对碳化硅的配对方式，由于硬质合金与石墨相比，耐磨性更强，强度更高，具有一定的抗腐蚀性；碳化硅具有硬度高、耐磨性好、摩擦因数低的特点[5]，同时，这种配对方式更适合输送含有一定量杂质的海水工况。

集装式密封是把动环、静环、弹簧、辅助密封圈、轴套、压盖、静密封垫圈等七个主要零件组合成一起的一个集合体，具有以下优点：

(1)采用了弹簧保护措施，避免弹簧与海水接触，避免了弹簧因海水中的杂质淤积堵塞失去补偿能力。

(2)集装式机械密封由于在生产厂家清洁的环境下组装、熟练和正确的组合可保证组装品质以及密封的可靠性，加之出厂前进行整体的气密性试验，更保证了密封的质量。

(3)整套密封组件在安装前已经按要求调整好各种精度，在装配时只需整体装入即可，避免了因机械密封安装造成的密封元件损坏，提高了机械密封的使用寿命。

改进措施B：继续使用目前的机械密封，在条件允许的情况下，设计辅助冲洗系统。

将工艺介质从泵的出口引出，由密封压盖正上方的开孔引入密封腔进行冲洗、冷却，如图3所示，冲洗压力一般要求高于密封腔压力。

辅助冲洗系统可提供较洁净的密封环境，降低海水中的杂质对弹簧和密封端面产生的影响，同时起到冷却、润滑的作用，保护密封面，延长密封装置的使用寿命。

另外，在泵启动前，应该按照泵轴旋转的方向进行盘车，检查其旋转是否轻快，并应检查机械密封处是否存在泄漏，如果出现泄漏，应及时查找原因并进行排除。

图3 冲洗液体引入位置

3 优化设计可行性分析

对浮箱式坞门排水系统优化所需工作量进行了估算，所需的工作量较小，在浮箱式坞门停用期间，可以对其进行施工改造，而且，排水口高于海水液面，在更换单向阀时，不会出现海水倒灌，排水系统中泵入口之前的管路有电磁阀，在施工时，关闭电磁阀，避免压载水舱中的水外流，最大限度地减小施工带来的影响。

4 总结

浮箱式坞门排水系统改进后，可以对排水泵的运行工况进行监控，对泵抽空、汽蚀等异常工况做出初步判断，可方便检查单向阀是否损坏，便于设备及元器件的维修；可以增加排水系统稳定性，延长排水泵、机械密封、单向阀等设备元件的使用寿命；减少排水泵泄漏的可能性，降低元件损坏等产生的维修费用，有助于坞门压载水舱排水系统长期平稳运行。