劉 輝，李志輝，吳向君，李其修

(海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢 430033)

近年來，隨著海軍裝備快速發(fā)展和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型建設，艦艇遂行多樣化軍事任務和實戰(zhàn)化演練數(shù)量逐漸增多，遭受損害的概率逐漸增大。由于艦艇管路系統(tǒng)錯綜復雜，并且呈多種工質(zhì)、高壓力、大口徑和異型等特點，管路一旦發(fā)生破損和泄漏，若不能及時有效處置，將會影響裝備和設備的正常運轉(zhuǎn)，降低艦艇的生命力和戰(zhàn)斗力[1]。

本文設計一種便攜式高壓油水和蒸汽發(fā)生訓練裝置，用于艦艇部隊開展管路破損應急處置訓練，提升艦員的快速處置能力和裝備生命力。訓練裝置要求體積小，功能齊全，操作簡單，使用安全，集成高溫高壓蒸汽(0～0.6 MPa)和高壓水(0～2 MPa)。為保證艦艇訓練過程中便攜式、小型化的使用需求，實驗裝置采用高壓變頻水泵，爐內(nèi)膽快速加熱系統(tǒng)確保訓練過程中油水蒸氣壓力穩(wěn)定，并且連續(xù)可調(diào)，全套裝置采用電子控制，操作簡單，使用便捷。

1 訓練裝置的設計

1.1 高壓水和蒸汽發(fā)生裝置

整套高壓水和蒸汽發(fā)生裝置(見圖1～圖2)主要包括供水系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、爐內(nèi)膽加熱系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)。供水系統(tǒng)主要用于保障訓練裝置所需的訓練管道和鍋爐用水，當使用高壓油水管路訓練時，消防水通過管路接口進入高壓水泵增壓，以穩(wěn)定的壓力進入訓練管道；當使用蒸汽管路訓練時，消防水通過管路接口進入爐內(nèi)膽進行快速加熱，并根據(jù)產(chǎn)生蒸汽的消耗量自動補水[2]。高壓水輸出和蒸汽輸出管路屬于獨立系統(tǒng)，可以獨立開展訓練，也可同時開展訓練。自動控制系統(tǒng)主要控制水泵供水量和爐膽電熱系統(tǒng)加熱時間。當使用高壓油水管路訓練時，用于控制進水量和控制輸出水的壓力，確保輸出壓力穩(wěn)定；當使用蒸汽管路訓練時，用于控制蒸汽的輸出壓力和溫度，并采用電子液位控制器控制液位高度，確保輸出壓力穩(wěn)定[3-4]。爐內(nèi)膽加熱系統(tǒng)主要用于對爐內(nèi)膽內(nèi)的水快速加熱，產(chǎn)生蒸汽。爐內(nèi)膽加熱系統(tǒng)均采用鍋爐專用無縫鋼管制成，呈細長直立式。電加熱系統(tǒng)采用的電熱管，由2根不銹鋼電熱管彎曲組合而成，而其表面負荷在20 W/cm2左右[5-6]。安全保護系統(tǒng)設置漏電保護器、強電分離板、電路過載過壓保護器和蒸汽過壓保護裝置用于漏電保護和過壓保護，并設有接地安全保護。

圖1 高壓水和蒸汽發(fā)生裝置正視圖

圖2 高壓水和蒸汽發(fā)生裝置側(cè)視圖

1.2 訓練管道系統(tǒng)

訓練管道采用模塊化設計，包含普通管路和復雜管路，管路采用法蘭連接，管路尺寸與訓練通用管路尺寸相吻合(見圖3)。

根據(jù)訓練裝置持續(xù)輸出的0～0.6 MPa蒸汽，0～2.0 MPa的高壓水供訓練人員實施管路應急處置訓練，訓練管道能實現(xiàn)如下功能。

(1)蒸汽泄漏處置訓練。

①普通管路沙眼、裂縫泄漏管路包扎訓練；

②彎管接頭沙眼包扎訓練；

③法蘭連接處泄漏訓練；

④管徑變換接頭泄漏訓練。

圖3 模塊化管道訓練系統(tǒng)

(2)油水泄漏處置訓練。

①普通管路沙眼、裂縫泄漏管路包扎訓練；

②彎管接頭沙眼、裂縫、焊縫包扎訓練；

③法蘭連接處泄漏包扎訓練；

④管徑變換接頭泄漏包扎訓練；

⑤空間受限區(qū)域管路泄漏包扎訓練；

⑥管路失效跨接訓練。

(3)各種管路包扎器材性能測試。

用于新型管路包扎器材的研制、性能試驗，對研制和配發(fā)的管路包扎器材的性能指標進行檢測，解決配置到艦艇上的器材時常會出現(xiàn)不可用和實用性差，甚至部分器材配備時性能就存在缺陷等問題。

(4)訓練成績評定。

通過數(shù)據(jù)記錄和訓練評估系統(tǒng)對訓練管道的流量、壓力等指標進行監(jiān)測記錄，用于評估訓練人員的管路包扎基本技能。

2 訓練裝置工作原理

2.1 蒸汽輸出模式

首先將消防水由進水口注入高壓水和蒸汽發(fā)生裝置訓練裝置內(nèi)，并利用一套自動控制系統(tǒng)來控制水泵向蒸汽發(fā)生器的爐內(nèi)膽注水，確保運行過程中液體控制在高、低電極探棒之間，并反饋控制水泵的開啟、關閉、供水量大小和爐內(nèi)膽加熱時間[7]。

最高蒸汽壓力由壓力繼電器設定，隨著蒸汽的不斷輸出，爐內(nèi)膽水位不斷下降，當處于低水位與中水位時，水泵自動補水，當處于高水位時水泵停止補水[8]。同時爐膽內(nèi)電熱管繼續(xù)加熱，源源不斷產(chǎn)生蒸汽，并輸送到訓練管道的破損口，供模擬蒸汽管道破損堵漏訓練。面板上部的指針式壓力表即刻顯示蒸汽壓力數(shù)值，流量表顯示破損口即刻的流量數(shù)值，溫度表顯示即刻的溫度，整個過程均有對應的指示燈自動顯示(見圖4)。

2.2 高壓水輸出模式

通過一套自動控制系統(tǒng)切斷通往蒸汽爐內(nèi)膽的供水管道和蒸汽發(fā)生器的相關電路。利用增壓泵來提高油水的輸出壓力，并通過壓力調(diào)節(jié)閥控制其壓力，輸送到訓練管道的破損口，模擬液體壓力管道破損的應急處置。面板上部的指針式壓力表即刻顯示輸出壓力的數(shù)值，流量表顯示破損口的即刻流量數(shù)值，整個過程均有對應的指示燈自動顯示(見圖5)。

圖4 便攜式訓練裝置實物圖

圖5 高壓水和蒸汽發(fā)生裝置內(nèi)部管路圖

3 訓練裝置性能實驗測試

3.1 蒸汽壓力與蒸汽溫度的關系

打開訓練裝置，設置裝置的蒸汽輸出壓力從0.1～0.7 MPa，記錄蒸汽在不同壓力條件下的溫度，如圖6所示。從圖6可以看出，蒸汽的溫度隨輸出蒸汽壓力的增大而逐漸升高，并且蒸汽溫度隨蒸汽壓力的變化近似為線性關系。

3.2 蒸汽產(chǎn)生時間與水溫之間的關系

當蒸汽輸出壓力設定為某一定值情況下，蒸汽產(chǎn)生時間與裝置輸入的水溫有關，將訓練裝置蒸汽輸出壓力分別設定為0.6 MPa和0.5 MPa，在不同水溫情況下輸出蒸汽達到設定壓力的時間如圖7所示。相同壓力條件下，溫度越高，蒸汽壓力的產(chǎn)生時間越短，并且蒸汽產(chǎn)生時間與輸入水溫基本呈線性關系。

圖6 蒸汽溫度與蒸汽壓力之間的關系

圖7 蒸汽產(chǎn)生時間與水溫的關系

3.3 管路破口大小對蒸汽輸出壓力的影響

在進行管路破損應急處置訓練時，當管路破損泄漏時，蒸汽的輸出壓力會逐漸降低。若設定蒸汽的輸出壓力為0.6 MPa，管路破口直徑在0～8 mm變化過程中，蒸汽輸出壓力的變化關系如圖8所示。通過圖8可知，可以根據(jù)訓練需要，通過調(diào)整蒸汽的額定輸出壓力滿足訓練壓力需求。

圖8 蒸汽輸出壓力隨破口直徑的變化關系

3.4 高壓水輸出性能測試

訓練管道破口的大小直接影響高壓水的輸出壓力，分別將高壓水的額定輸出壓力設定為1 MPa和2 MPa，測試訓練裝置的運行情況如下。

(1)高壓水測試，水溫為15 ℃，關閉高壓水輸出閥，啟動水泵，水泵在高負荷狀態(tài)，水壓調(diào)高至2 MPa并保持水壓，連續(xù)1 h，水泵泵體上的溫度42 ℃，水泵密封圈良好，未見異常。

(2)高壓水運行，水溫為15 ℃，啟動水泵，水壓調(diào)高至1 MPa，打開輸出閥，高壓水從訓練管道破口流出，壓力為0.9 MPa，水泵連續(xù)工作12 h，水泵密封圈良好，未見異常。

4 結(jié) 論

本文設計了一種便攜式管路應急處置訓練裝置，用于產(chǎn)生高壓水和高壓蒸汽滿足艦艇不同類型破損的應急處置訓練，高壓水和高壓蒸汽的輸出壓力可以通過一套自動控制系統(tǒng)控制，并對整套訓練裝置的性能進行了實驗測試，得出結(jié)論如下。

(1)訓練裝置可以產(chǎn)生0～2 MPa的高壓水和0～0.6 MPa的蒸汽，并且輸出壓力隨意可調(diào)，確保訓練過程中壓力穩(wěn)定，滿足訓練裝置使用需求。

(2)蒸汽的溫度隨蒸汽輸出壓力的增大逐漸升高，并且蒸汽溫度與蒸汽壓力的變化近似為線性關系。

(3)相同壓力條件下，輸入訓練裝置的水溫越高，蒸汽壓力的產(chǎn)生時間越短，并且蒸汽產(chǎn)生時間與輸入水溫基本呈線性關系。

(4)管路出現(xiàn)蒸汽泄漏時，破口輸出壓力隨破口增大而減小，可通過調(diào)整蒸汽額定輸出壓力來滿足管路應急處置訓練需求。

(5)整套訓練裝置性能測試功能正常，工作穩(wěn)定，使用便捷安全可靠，可以滿足現(xiàn)階段所有制式管路應急處置訓練器材的使用訓練。