趙 駿，巫科韌，于富強，崔愛新，姜樹衛(wèi)

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

液貨艙透氣系統(tǒng)是一種與油船、化學品船防火安全休戚相關的重要系統(tǒng)[1-2]。船舶箱柜的透氣管的作用是在灌注和抽吸箱柜內液體時避免箱柜內形成超壓或負壓損壞箱柜[3]。在不設置透氣管的情況下，抽吸箱柜內液體時，箱柜最多要承受1個大氣壓的負壓。在船級社規(guī)范中規(guī)定，儲藏水、燃油和滑油的箱柜以及隔離空艙和管遂均應裝設空氣管，對于有動力注入的所有箱柜，其空氣管截面積不小于注入管截面積的1.25倍[4-5]。然而，隨著海洋工程技術發(fā)展的需要，存在一些應用場景，無法滿足以上常規(guī)透氣管設置。比如，某項目需要設置一個位于較深水下的結構箱柜，同時該箱柜需要具有壓載和排載功能，但根據(jù)項目實際情況，對該箱柜設置透氣管技術上很難實現(xiàn)。因此，本文取消透氣管結構，將壓排載系統(tǒng)做成一種水下閉式系統(tǒng)。這可能會帶來以下3個問題：1）采用常規(guī)離心泵是否可以實現(xiàn)閉式排水系統(tǒng)；2）閉式排水的方式是否危及箱柜的結構安全；3）規(guī)范要求解釋如何滿足？本文對以上3個問題，逐一進行論證或試驗驗證，以探討閉式排水系統(tǒng)的可行性。

1 試驗裝置

為了驗證以上問題，設計了一個小型試驗裝置，原理是利用小型潛水泵在無透氣管的密閉鋼制箱體內進行排水試驗，監(jiān)測泵和箱體在排水時的數(shù)據(jù)變化，檢測泵在不同真空度下的排水能力以及箱體的形變情況。抽吸試驗系統(tǒng)裝置見圖 1。箱體設置了多個觀察視鏡，可現(xiàn)場觀測箱內液位變化。泵出口帶壓力表和流量計，可以監(jiān)測泵在負壓條件下的流量和壓力。箱體配真空表及傳感器，監(jiān)測箱體的真空度。啟泵后記錄水泵的流量、泵出口壓力以及箱體內的真空度。用自動控制系統(tǒng)記錄并自動生成在整個試驗過程中的箱體真空度、泵出口壓力和流量等數(shù)據(jù)。同時，觀察記錄電機的電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)以及箱體結構變形的情況。系統(tǒng)裝置的主要部件參數(shù)與功能見表1。

表1 主要部件參數(shù)與功能

圖1 抽吸試驗系統(tǒng)裝置示意圖

試驗裝置的各組成部件情況如下：

1）密閉水箱。尺寸為2 500 mm ×2 500 mm×1 500 mm，鋼板焊接，板材厚度為10 mm；實驗前完成0.6 MPa水壓試驗，滿足保壓1 h不漏水、不降壓。

2）潛水泵。流量為25 m3/h，揚程為60 m，電機功率為7.5 kW。

3）自動控制和監(jiān)測系統(tǒng)。PLC控制器通過485串口線纜與賽普變頻器組成本地控制網(wǎng)絡，上位機PC通過以太網(wǎng)線與下位機PLC控制器組成集中監(jiān)控網(wǎng)絡。其中，變頻器控制水泵的起動、停止及變頻；PLC控制器負責本地網(wǎng)絡的通訊及數(shù)據(jù)采集；上位機PC程序實現(xiàn)人機交互、集中監(jiān)控以及數(shù)據(jù)歸檔。

2 試驗方法及步驟

為驗證密閉箱柜使用不同水位泵的排水能力以及箱柜結構的安全性能，設計以下半箱水排水試驗和滿箱水排水試驗。

2.1 半箱水排水試驗

1）注水。通過預留孔向箱體內注水至1/2水位后將注水口孔閥門關閉密封，使箱體內為一半水、一半空氣。

2）啟動。通過自動控制系統(tǒng)啟動潛水泵將密封箱內的水抽出。

3）記錄數(shù)據(jù)。在試驗過程中連續(xù)記錄水泵的流量、泵出口壓力以及箱體內的真空度。同時，觀察記錄電機的電流、電壓和功率等數(shù)據(jù)。并用自動控制系統(tǒng)記錄并自動生成在整個試驗過程中的箱體真空度、泵出口壓力、流量、電流、電壓和功率等數(shù)據(jù)（見圖2）。

圖2 試驗過程中數(shù)據(jù)采集

4）停機。在泵運行到達最低水位時，利用自動控制系統(tǒng)關閉潛水泵，并關閉閥門保壓10 min。若箱體真空壓力不損失，則說明箱體真空密封性良好。

2.2 滿箱水排水試驗：

1）注水。通過預留孔向箱體內注水至滿水位后將注水口閥門關閉密封，使箱體內全部為水，沒有空氣。

2）啟動。通過自動控制系統(tǒng)啟動潛水泵將密封箱內的水抽出。

3）記錄數(shù)據(jù)。在試驗過程中連續(xù)記錄水泵的流量、泵出口壓力、箱體內的真空度。同時，觀察記錄電機的電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)。并用自動控制系統(tǒng)記錄并自動生成在整個試驗過程中的箱體真空度、泵出口壓力、流量、電流、電壓和功率等數(shù)據(jù)。

4）停機。在泵運行到達最低水位時，利用自動控制系統(tǒng)關閉潛水泵，并關閉閥門保壓20 min。若箱體真空壓力不損失，則說明箱體真空密封性良好。

3 試驗結果

3.1 半箱水排水試驗

在半箱水排水試驗中，水箱內初始壓力為0.1 MPa，隨著泵將內部水逐漸排出，內部真空度逐漸加大，絕對壓力持續(xù)下降。在抽到泵的極限液位停泵前，內部真空度達到0.046 MPa，泵的排出壓力在0.593 MPa左右（見圖3）。在試驗過程中，泵的流量穩(wěn)定在26 m3/h左右（見圖4）。

圖3 半箱水排水試驗真空度、管道壓力變化曲線

圖4 半箱水排水試驗管道流量變化曲線

3.2 滿箱水排水試驗

滿箱水排水試驗在抽到泵的極限液位停泵前，真空度保持在0.081 MP a，排出壓力在0.556 MP a左右（見圖5），泵流量在26 m3/h左右穩(wěn)定（見圖6）。通過自動控制系統(tǒng)自動記錄的數(shù)據(jù)來看，整個試驗過程系統(tǒng)運行穩(wěn)定，泵的流量、電壓和電流等都無明顯變化。真空度會隨著密封箱體內的水量的減少逐步上升，管路的壓力因為真空度的變大逐漸減小，兩者的數(shù)值總和基本保持不變。

圖5 滿箱水排水試驗真空度和管道壓力變化曲線

圖6 滿箱水排水試驗管道流量變化曲線

3.3 箱體結構變形情況評估

在試驗過程中，密封箱體隨著真空度的提高會有明顯的變形。箱體在真空度增加時會有明顯內癟現(xiàn)象，尤其是上下兩面變形比較大（見圖7）。通過對箱體結構的有限元計算分析，受外壓20 N的結構變形最大達到98.316 mm（見圖8），和現(xiàn)場測量變形數(shù)據(jù)基本吻合。

圖7 排水后箱體形變

圖8 有限元計算（外壓為20 N）

4 結論

通過試驗分析，可以得到如下結論：可以得出在較深海域作業(yè)時，對于同時具有用于離心泵壓載和排載功能的結構箱柜，取消透氣管理論上是可以實現(xiàn)的。

1）采用常規(guī)離心泵可實現(xiàn)閉式排水。在較深海域作業(yè)時，對于同時具有用于離心泵壓載和排載功能的結構箱柜，取消透氣管理論上是可以實現(xiàn)的。

2）在不使用透氣管的情況下泵的排水量、電流和電壓不受真空度影響，能有效地將水排至潛水泵工作的最低水位。箱體內的真空度會隨著密封箱體內水量的減少逐步上升，管路的壓力會因為真空度的變大逐漸減小，在泵正常工作時兩者的數(shù)值總和基本保持不變。

3）相比于常規(guī)設有透氣管的箱柜，采用閉式排水的箱柜在結構設計時應考慮其受到負壓的影響。排水時，箱體內的真空度會隨著密封箱體內的水量的減少逐步上升，此時箱體會因受到外部大氣壓的擠壓而變形，其變形量會因真空度的增加而變大。因此，在對其進行結構設計時應考慮結構受外壓力時的強度。

關于船級社規(guī)范對結構艙柜設置透氣管的強制性要求，筆者認為，在艙柜設計能夠確保其在承受相應真空度時的安全性的情況下，應結合其設計功能和應用場景，與船級社密切溝通和探討，尋求在法規(guī)上允許其合理應用的突破。