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(1.海軍裝備部 裝備項目管理中心，北京 100071；2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

水面艦船結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)龐大，部分高溫高壓設(shè)備在使用過程中會排放產(chǎn)生大量的乏汽。該部分乏汽具有流速高、流量大、脈沖性等特點[1-2]，通過一定管徑內(nèi)釋放排出時會產(chǎn)生巨大的沖擊與噪聲，如果直接排放，將對船體結(jié)構(gòu)造成破壞。船用設(shè)備對乏汽排放時間和排放后管路內(nèi)背壓有特殊要求，如處置不當，將對船體安全及設(shè)備使用產(chǎn)生不良影響，因此，在艦船總體資源極其有限的情況下，將大量乏汽快速高效地減溫、減壓是系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)難點[3-4]。結(jié)合艦船相關(guān)設(shè)備對乏汽排放的特殊處理需求，針對乏汽特點對冷卻技術(shù)開展深入研究，建立一套適用于艦船的乏汽冷卻系統(tǒng)技術(shù)方案，通過試驗驗證其可行性并有效化解技術(shù)風險，具有極大的工程意義。

1 乏汽冷卻系統(tǒng)技術(shù)方案

由于艦船內(nèi)部空間小，對系統(tǒng)可靠性要求高，因此，考慮將高溫、高壓的乏汽通過管道直接通入裝有常溫水的液艙內(nèi)，與水接觸進行均勻換熱冷卻的方式最快捷高效。該方案不僅能在最短時間內(nèi)將管路中的乏汽背壓降至要求范圍內(nèi)，而且不需配置過多設(shè)備及附件，對總體資源占用量較小，系統(tǒng)抗沖擊能力較高。

乏汽冷卻系統(tǒng)流程示意見圖1。

圖1 乏汽冷卻系統(tǒng)流程示意

乏汽冷卻系統(tǒng)設(shè)置1個乏汽冷卻收集艙和1套乏汽冷卻裝置，采用將設(shè)備乏汽通過排放管路經(jīng)放置在乏汽冷卻收集艙內(nèi)的乏汽冷卻裝置減溫、減壓后進行強制換熱的方式，實現(xiàn)乏汽的冷卻和收集。

乏汽冷卻收集艙最大外形尺寸約為5 300 mm×4 100 mm×4 900 mm，艙容約為80 m3，并在液艙頂部設(shè)置透氣管，用于降低乏汽排放對冷卻液艙產(chǎn)生的沖擊。乏汽冷卻收集艙配置2套冷卻水泵，一進一出，實現(xiàn)對艙內(nèi)冷卻水與外界冷卻水源的有效置換，以加強艙內(nèi)冷卻水的均勻換熱、降低不同液位的溫度差；系統(tǒng)內(nèi)回流管路中設(shè)置開度可調(diào)節(jié)的電控閥，用于平衡收集艙內(nèi)進出水量，保持冷卻水液位穩(wěn)定。

乏汽冷卻裝置(見圖2)本體分為排汽管組、安裝支架兩部分：排汽管組由總管組件、分流管組件、多孔支管件組成，與乏汽排放管路采用DN400法蘭連接，其中多孔支管件上開有若干個直徑4～6 mm的小孔；安裝支架由立柱、橫梁、加強筋組成，與液艙底部及四周壁面采用螺栓固定，并考慮采取一定的彈性減振措施。乏汽冷卻裝置的工作環(huán)境非常惡劣，長期浸泡于水中并遭受鹽霧、霉菌、海水、油污腐蝕和蒸汽、空氣沖蝕影響，因此防腐工作十分重要。在本系統(tǒng)試驗中，乏汽冷卻裝置采用銅合金和雙相不銹鋼制造。

圖2 乏汽冷卻裝置示意

乏汽排放管路支架均設(shè)計為滑動支架，不限制管路的熱膨脹，盡可能減小管路熱應(yīng)力；管路彎頭處設(shè)置液壓阻尼器，用于吸收蒸汽產(chǎn)生的脈沖式?jīng)_擊。

2 試驗

設(shè)備產(chǎn)生的高溫高壓乏汽汽源質(zhì)量約500 kg，排汽管路(排汽閥前)壓力約為1.0 MPa，排汽管路壓力對應(yīng)飽和溫度約183 ℃。試驗運行過程中，乏汽冷卻裝置多孔支管件完全浸沒在乏汽冷卻收集艙冷卻水中，艙內(nèi)液位可調(diào)節(jié)，收集艙頂部預(yù)留約1 m左右的空氣層(緩沖空間)。當設(shè)備運行過程中需要排放乏汽時，開啟排放管路上的閥門，觀察系統(tǒng)的冷卻效果。

試驗中使用的儀器和儀表均在有效使用期內(nèi)，并有經(jīng)國家計量部門或有關(guān)部門校正合格的證明。

2.1 乏汽排放時間及冷卻效果

不同液位工況下乏汽排放時間見表1。

由表1可知，乏汽冷卻收集艙內(nèi)冷卻水液位越高，排汽背壓越大，排汽時間越長；從試驗現(xiàn)象觀察可見，液位的升高使乏汽冷卻裝置多孔支管件上的小孔距離液面高度增加，氣泡在水中上升的距離延長，冷凝效果有所提高。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，液位位于2.7～3.2 m區(qū)間時，乏汽排放時間均不大于設(shè)備相關(guān)要求值(12 s)，透氣口出口壓力最大值均遠小于系統(tǒng)最大設(shè)計值(0.1 MPa)?？紤]試驗過程的綜合冷卻效果，通過觀察乏汽排放過程中液面蒸汽逸出情況，對比乏汽排放前后收集艙內(nèi)液位理論升高值與實際升高值之間的差異，液位高度選擇3.0～3.1 m較為合適。

表1 不同液位工況下乏汽排放時間

2.2 乏汽排放沖擊

在乏汽冷卻收集艙中，由于乏汽從乏汽冷卻裝置小孔內(nèi)射流噴出，通過水的傳遞，射流的動能帶動水流必將對收集艙壁面形成沖擊應(yīng)力，見表2。排汽小孔與收集艙壁面的距離影響蒸汽射流對壁面的沖擊，距離越近，沖擊越大；距離越遠，沖擊越小。考慮設(shè)備維修保養(yǎng)等因素，乏汽冷卻裝置最外側(cè)排汽小孔距收集艙壁面的最短距離不小于400 mm。由表2可知，乏汽排放過程中，乏汽冷卻收集艙壁受到的沖擊壓力最大值小于艙體最大設(shè)計耐受強度(0.2 MPa)，系統(tǒng)裝船后對船體安全不會產(chǎn)生影響。

2.3 乏汽排放噪聲

在乏汽排放噪聲試驗過程中，對乏汽冷卻收集艙外圍1 m處的東、西、南、北4個測點的噪聲數(shù)據(jù)進行采集記錄，試驗結(jié)果見表3。

表2 乏汽排放過程對乏汽冷卻收集艙壁面沖擊壓力 MPa

表3 乏汽排放過程噪聲數(shù)據(jù)

由表3可知，乏汽排放過程中，測得空氣噪聲最大值約為107 dB(A)，基本能夠滿足系統(tǒng)裝船相關(guān)技術(shù)要求。

3 系統(tǒng)風險分析及可靠性措施

考慮艦船設(shè)備乏汽具有的特點，乏汽冷卻收集艙及排放管路在高溫高壓乏汽排放沖擊下可能產(chǎn)生的疲勞損傷；同時乏汽冷卻系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備在運行過程中可能會發(fā)生故障，需要維修或更換零部件。為了規(guī)避上述風險，系統(tǒng)盡量采用成熟技術(shù)，凡設(shè)計中使用的新工藝和新材料，均經(jīng)過充分論證、分析和(或)試驗、驗證；盡量簡化設(shè)計，各分系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)計中采用的緊固件、連接件、管路等滿足通用化、系列化、標準化要求，減少其規(guī)格品種及數(shù)量。系統(tǒng)設(shè)計中，綜合均衡可靠性、維修性、經(jīng)濟性的要求，盡量減少維修內(nèi)容、降低對維修技能的要求，同時要保證維修安全；多采用標準化、模塊化、集成化設(shè)計，縮短維修時間；對條件所限難于將可靠性提高到滿意程度的產(chǎn)品，應(yīng)保證良好的維修性和規(guī)定維修周期；在采用其他設(shè)計技術(shù)均無法滿足對其可靠性要求或在有安全性要求時，可采用冗余設(shè)計技術(shù)。

4 結(jié)論

結(jié)合艦船有限的總體資源，建立一套適用于艦船設(shè)備乏汽排放快速冷卻減壓的系統(tǒng)技術(shù)方案，通過陸上試驗考查乏汽排放時間及冷卻效果、乏汽排放沖擊、乏汽排放噪聲等技術(shù)性能指標。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求，具備裝船條件。