程绍坚,顾洪彬,牛慎,王涛涛
(上海外高桥造船有限公司,上海 200137)
船舶完成建造和维修后都需要对设备和系统进行单独和联合调试,检查其运行状况是否满足设计要求,调试期间必须确保满足调试耗量和压力要求的冷却水可以持续提供至船舶冷却水系统。目前,船坞只具备通过消防水系统向船舶提供少量淡水的能力,主要用于船舶空调和冷藏设备的运行,该淡水供给量远不能满足船舶大型设备或系统进行联合调试的要求[1]。所以,船舶完成建造或维修后都需要在码头或海上完成所有设备和系统的调试。为实现船舶设备或系统调试工序前移的目的,通过对船舶冷却水系统的运行原理和船坞的实际构造进行深入分析,设计一套适用于船坞向新建或维修船舶提供满足调试耗量和压力要求的临时冷却水供给系统的应用方案。
船舶冷却水系统的作用是利用海水或淡水冷却船舶设备和系统运行过程中产生过多热量。目前,大多数船舶采用中央冷却水系统,包括淡水冷却系统和舷外水冷却系统两部分。应用结果表明,可以将部分原先必须在码头或航行试验完成的船舶设备或系统调试工作前移到船坞阶段完成,提高了调试工作效率、缩短了航行试验时间、降低了建造成本。淡水冷却系统属于闭式循环系统,船舶设备和系统使用淡水冷却,升温的冷却淡水通过中央冷却器与低温端的舷外水进行热交换,实现降温后循环使用[2]。舷外水冷却系统属于开式系统,由海底门、海水总管、冷却泵、中央冷却器和排舷外管等组成,冷却泵从海水总管抽取舷外水输送至中央冷却器,冷却高温端的升温淡水后排出舷外。
临时冷却水供给系统的作用就是当船舶在船坞期间,可以源源不断地通过船舶海底门向海水总管提供满足调试耗量和压力要求的自然界水源作为舷外冷却水,省却了使用陆用淡水的高额费用。此外,还设有适当保护措施避免供给压力过高,造成临时冷却水供给设备、船舶外壳和海水总管的损坏。该系统主要由临时冷却水供给单元、管路和海底门格栅临时封堵组成。
2.1 问题描述与分析
船坞临时冷却水供给系统提供的舷外冷却水来自于自然界水源(海水或江水),并通过船舶海底门注入海水总管。经深入分析,在此过程中会面临以下的问题。
1)泥沙对系统造成的影响。由于我国自然界水源中的泥沙含量普遍较高,特别是长江中下游的入海口位置。已有相当数量的实际经验和教训证明,在输送混合多种粒径泥沙的水流时,泥沙颗粒的存在会与过流壁面发生摩擦碰撞,造成其磨损破坏,严重影响水泵运行的稳定性与使用寿命[3]。通常情况下,含沙量愈大,影响愈明显。此外,船舶的中央冷却器较多使用板式冷却器,由于板式冷却器波纹板的接触点较多,当液体水质含有悬浮的固体颗粒、杂物和水草等时,因板与板之间的间隙很窄,要尽可能地保证所有2 mm以上颗粒在进入冷却器之前,都要过滤掉,一旦进入板式冷却器,就容易发生杂物堵塞[4],增加冷却器的污垢阻塞系数,降低冷却器的工作效率,影响船舶设备和系统的正常运行。
2)临时冷却水与船舶海水总管的连接及海底门格栅的封堵问题。船舶两舷的海底门是冷却水引入海水总管的主通道,舷外水通过海底门进入海水总管,再由船舶冷却泵输送至中央冷却器,以带走船舶设备和系统运行所产生的过余热量。所以,船舶海底门为格栅式,开敞于船舶航行水域。然而,当船舶在船坞内建造或维修期间,由于临时冷却水供给泵与海水总管没有现成的接口,且船舶海底门格栅的开敞设计,成为最大泄漏处,无法确保海水总管始终充满临时冷却水。
3)船舶海水总管的超压影响。船舶海水总管为舷外水吸入的主要管路,是冷却系统中口径最大的管路,连通两舷的海底门。所以,船舶海水总管实际承受的压力主要是船舶吃水深度对其产生的水压,通常很低。但是,船坞临时冷却水系统是由水泵输送舷外水至船舶海水总管,水泵所作的功会大幅提升舷外水的压力,大概率会超过船舶海水总管的设计压力,造成损坏。
4)临时冷却水泵及控制单元等设施布置对船坞运作的影响。船坞是船舶建造和维修的重要场所,会有周期性的放排水和船舶进出船坞作业,此时的船坞内部应保证船舶进出通道的畅通,包括水泵和过滤器等无关设备不可留置在船坞内。而且,常规使用的冷却水泵并非潜水泵,且由电机驱动,并配有相应的电力供给和电气控制设备。所以,临时冷却水泵及控制单元等设备的布置,既不能因浸水而造成电气装置损坏,也不能影响船舶进出坞操作。
2.2 解决方案
针对临时冷却水供给系统运行所遇到的泥沙堵塞、冷却水连接、海水总管超压和单元布置问题,可以采取以下措施予以解决。
1)泥沙对系统造成的影响。为了确保临时冷却水供给系统中水泵的正常运行,避免堵塞海水粗滤器或输送管路的问题,需要尽量避免泥沙随着水源进入临时冷却水供给系统,或者设置有效措施排放出泥沙。目前,解决泥沙影响的主要流程是过滤、沉淀和泥沙冲洗排放。即首先使用海水粗滤器(滤网网孔直径为3～5 mm),粗滤器的主要作用是滤除水源中的杂物、鱼虾、贝类、藻类等大尺寸悬浮物[5];经过滤后的水源需要在沉淀池中约24 h再输送至储存舱,供日后使用;由于沉淀池和储存舱长时间使用后,底部也会产生泥沙积聚,所以需要定期冲洗及排放泥沙。对于船坞而言,由于空间限制,没有足够的区域可以用来设置沉淀池和储存舱,唯有使用过滤和泥沙排放方式减少泥沙进入系统。船坞坞门进水口的高度较高,此处的泥沙情况相对较好。但是,由于坞门长期未移动,进水口附近还是会积聚泥沙和杂物。故在进水初期,泥沙会通过坞门进水阀进入船坞,但随着时间变化,泥沙量则会逐渐减少。此外,由于泥沙颗粒直径偏小,海水粗滤器过滤的效果也不佳。所以,针对船坞的实际情况,最合适的处理泥沙过程是先进行泥沙排放,即将引入的水源通过旁通管路直接排放至船坞内的排水井再经排水泵排出船坞远离进水口处,同时观察船坞排水井内的进水水质,待泥沙量大幅度减少后,再将水源切换至海水粗滤器进行过滤使用。对于海水粗滤器的滤网网孔直径可选择较小的3 mm,防止小尺寸杂物进入系统。上述先排放泥沙再进行过滤的流程,可以较大程度减少泥沙进入系统,也可减少杂物通过海水粗滤器的几率,延长滤器的清理维护时间。
2)临时冷却水与海水总管的连接及海底门格栅的封堵问题。因为船舶海底门格栅是海水总管与舷外的唯一连接处。为了不在船体开设多余的开口,海底门格栅是最好的临时冷却水接入点,但必须将海底门格栅处进行临时封堵[6]。首先,应根据船舶海底门格栅的尺寸确定封堵的本体和封板尺寸,通常比格栅外边缘扩大100 mm,本体长度约为1 m。临时封堵采用钢制框架本体焊接而成,具有较好的承压能力和密封能力,使用时焊接在船体海底门格栅周边,使用完毕,进行切割,可以反复使用。其次,应根据冷却水流量按2 m/s流速计算冷却水接管的通径。该接管可以接收舷外冷却水进入海水总管用于船舶在船坞阶段进行设备和系统的调试。最后,在封堵本体底部设置泥沙泄放口,以排出海底门格栅临时封堵内底积聚的泥沙,详见图1。
图1 海底门格栅临时封堵示意
3)船舶海水总管的超压影响。临时冷却水供给系统在向坞内船舶提供调试冷却水期间,还必须确保坞内船舶的安全,需有适当保护措施防止船舶海水总管内的水压超过设计值,造成船舶管路或船体的损坏。首先,在冷却水泵单元的出口处设置稳压阀,确保冷却水总管的供给压力。其次,还可以在海底门格栅临时封堵顶部设置溢流管。根据确定的实际冷却水接管截面积按1.25倍计算溢流管的截面积,并换算成通径。如溢流管通径过大时,则可在确保截面积的前提下分为若干根溢流管。溢流管的出口高度应根据船舶实际航行吃水深度计算,从船舶基线开始算起,出口处通常略低于实际航行吃水约0.5 m。溢流管的设置可以模拟船舶实际航行时的承压情况,保护船舶外壳、海水总管内的水压不会发生超压现象。再次,溢流管顶部还需要开设透气管,透气管可以排出临时冷却水供给总管和海底门格栅临时封堵装置内的空气,防止气囊的产生,从而影响冷却水的流入,详见图1。
4)临时冷却水泵及控制单元等设施布置对船坞运作的影响。为了保证船坞内通道畅通,避免船舶建造、维修和进出坞期间与船坞内设备发生碰撞;同时,又要防止水泵及其电机、电气控制设备浸水造成损坏。可以将冷却水泵、电机、海水滤器和电气控制箱做成单元式设计。该单元应尽可能将临时冷却水供给系统的设备、管路,包括安全防护等措施集成在一个公共底座上,单元上部可以设置一个防雨顶棚和适当数量的吊耳,以便单元的起吊运输[7]。单元与外部接口应尽量少,以便单元的拆卸作业。首先,根据船坞可容纳的最大型船舶调试所需的冷却水量和各设备或系统的冷却水压力要求确定冷却水泵的排量和排出压头,考虑到不同工况时的冷却水耗量也不尽相同,可以将冷却水泵分为两台,一大一小配置。各冷却水泵可以单独或并联运行,提升冷却水输送量的灵活性,满足不同船型、不同设备和系统对于冷却水量的要求。其次,应根据船舶各设备调试或系统联调的压力要求和冷却水泵的总扬程等参数确定稳压阀和泄压阀的设计压力。稳压阀和泄压阀可以按需设定并调节设计压力。当冷却水出口管内压力因自然界水源水位净压或冷却水泵做功后超过设计值时,可通过稳压阀调节排出管内的压力始终处于设计范围内。同时,当临时冷却水供给单元本身管路内的压力过高时,则通过泄压阀释放多余冷却水,从而降低单元管路内的压力。提高了临时冷却水供给单元、船舶设备和系统的安全性。再次,应根据自然界水源最大水位产生的静压和最大冷却水耗量,计算自流管通径。当自然界水源水位较高,具有足够的静压时,可以通过自流管路自行流入船舶相关设备或系统,无需通过水泵再行做功,可以降低单元的能耗。最后,将所有部件和管路阀、附件集中设计安装于钢制公共底座之上,单元主只设冷却水进出接口、泥沙泄放口和超压水出口,详见图2。
图2 临时冷却水供给单元
临时冷却水供给系统主要由临时冷却水供给单元、管路和海底门格栅临时封堵组成。船坞内船舶没有设备和系统的调试工作时,临时冷却水供给单元和海底门格栅临时封堵无需安装,可以存放于仓库内。当坞内船舶需要使用临时冷却水时,首先将临时冷却水供给单元吊入船坞内指定位置,并与坞门进水管通过软管连接妥当;其次,将临时封堵焊接至坞内船舶海底门格栅进水区域,并通过软管完成坞内冷却水总管和封堵冷却水接管的连接。临时冷却水供给系统运行期间,由于初期的水源泥沙含量较大,不能使用。可以关闭单元各滤器的进口阀,打开泥沙泄放阀,直接排放至船坞排水井,直至水质变清后,关闭泥沙泄放阀,根据坞内船舶对冷却水量的需求和自然界水源的水位高度选择打开相应的冷却水泵或自流管路中海水滤器的进口阀。其次,启动冷却水泵待其运行稳定后,缓慢调节稳压阀,确保单元排出总管压力在设计值范围。临时冷却水通过海底门格栅封堵进入船舶海水总管初期,管路和格栅封堵内的空气可以通过透气管排出。如果,临时冷却水泵单元运行期间管路发生超压,泄压阀可以自动开启,以稳定单元内管路的压力。当泄压阀和稳压阀均不能维持临时冷却水的供给压力,造成总管压力超压时,最后可通过海底门格栅临时封堵的溢流管排出超压的冷却水。
1)临时冷却水供给系统可以在船坞无水期间长时间运行,保障船坞内船舶进行设备和系统调试的冷却水需求。
2)冷却水泵及其他系统设备的单元集成设计,有利于拆装和运输,可避免自身浸水损坏和碰撞船舶的风险。
3)海底门格栅临时封堵可解决船舶海水总管在船坞期间无法存水的问题,还可以反复使用。
4)临时冷却水供给系统的保护措施可有效避免临时冷却水单元、船舶外板及海水总管损坏。
5)临时冷却水供给系统的使用可实现部分航行试验项目工序前移,缩短船舶航行试验的时间,提高船舶试验效率,降低船厂的试验成本。
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