杨威

摘    要：本文简要介绍了JB118海上平台冲桩系统调试过程中，当平台降船处于水上浮态时，冲桩系统从海底门取水时出现冲桩泵进口真空度大、冲桩泵运行异常振动的现象。为此，对该问题进行分析并提出解决方案，最终调试成功并通过验收。

关键词：冲桩系统;冲桩泵;调试;真空度;振动

中图分类号：U664.5                                  文献标识码：A

Commissioning and Analysis of JB118 Jetting Pump for

Windmill Installation Platform

YANG Wei

（ China Merchants Heavy Industry （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 510725 ）

Abstract： This paper introduces the problems of large vacuum degree at the inlet of the jetting pump and abnormal vibration in the operation of the jetting pump occurred when the offshore windmill installation platform is in floating state and jetting piping system draws water from sea chest during the commissioning of the jetting piping system of JB118 platform， and then analyzes the problems and proposes the solutions. Finally， the commissioning is successful and accepted.

Key words： Jetting piping system; Jetting pump; Commissioning; Vacuum degree; Vibration

1     前言

CMHI-116 JB118海上风车安装平台原入ABS船级社、挂巴哈马群岛船旗，后转入CCS船级社、挂中国旗。本平台为矩形船体，4根桩腿，配备MSC液压升降系统的自升式平台：主吊机1 000 t，主要用于北海南部45 m水深范围内的风电设备安装等海洋工程建设;本平台船体总长75.9 m、 型宽40.0 m、 型深6.0 m、 设计吃水4.2 m; 四根圆柱形桩腿，长度81.55 m、 直径3.5 m;桩靴长度7 m、宽度6.8 m、高度2.28 m。

原平台未配置冲桩系统，改造增加冲桩系统。海上风电安装平台，主要由上部平台结构、升降装置、桩腿、桩靴等组成。平台的自重和载荷是通过桩腿和桩靴插入海底来承受，以保证平台工作时的稳性和安全;当某区域作业完成后，需要拔起桩腿将平台转移到下一个工作区域。由于桩靴表面积大，且海泥易吸附在桩靴表面，拔桩的阻力大。为此，风电安装平台往往配备一套冲桩系统，以高压海水冲刷掉桩靴上的泥土，破坏海泥土层对桩靴的吸附力，减小拔桩阻力，使拔桩顺利进行。

2    冲桩系统设计

增加的冲桩系统，包括：2台冲桩泵（1用1备），為桩靴冲桩系统提供高压海水进行冲桩;冲桩系统设计选用泵的参数为：流量40 m3/h，压力为6 Mpa，管路通径选型随之匹配。

冲桩系统在正常情况下，从靠右舷DN300的海水总管开DN125支管取水，同时在非常规状态下也能从缓冲舱取水进行冲桩;冲桩系统在升桩室顶部布置软管绞车，软管缠绕在绞车上，软管在桩腿顶部与桩腿内部冲桩管连接，正常情况软管不需要拆卸，绞车可以随着桩腿升降自动调整绞车张力，始终保持软管有一定恒张力，使软管不至于太松弛晃荡幅度太大，同时也不至于拉力太大导致破断，最大程度节省升降桩过程中需要的人力，见图1所示。

3    调试中出现的问题及产生原因

当平台降船至浮态，其吃水为3 m左右，而泵的安装高度距离平台的底部基线为2 m，此时水线高于冲桩泵吸口中心约1 m。冲桩泵从海水总管抽取海水，按离心泵的正常操作流程是先关闭泵的出口阀门，打开泵进口管路全部阀门，再打开泵进口处的放气旋塞进行放气，待气全部逸出后启动冲桩泵，再缓慢开启泵出口截止阀，调整泵运行工况点至系统设计工况点。

在冲桩泵调试时发现，通过操控泵出口截止阀始终无法使泵的出口压力和流量稳定并达到系统设计工况点。例如，出口阀门由完全关闭状态缓慢打开至不到1/4圈，泵组就发生异常振动，而此时泵的出口压力立即降至约3.7 Mpa，进口真空表读数约为-0.07 Mpa，显示有较大真空度，调试始终无法达到系统设计工况点，无法交验。

导致泵组吸入口高真空度出现振动现象 ，并很难通过调节泵出口阀门开度使系统达到设计工况点，其产生原因归纳如下：

（1） 泵组进水管堵塞

进口管路真空度高，可能是进口管路被杂物堵住;进口管路上阀门没全开启，导致吸口管抽水困难，进而抽真空导致高负压;

（2） 吸口管路存气未彻底排放干净，导致管路内为气和水混合状态而出口压力始终无法建立;

（3） 冲桩泵吸口的有效汽蚀余量不达标，发生汽蚀现象导致泵组异常振动。

由于设备供货期问题，选用现货意大利品牌多级离心泵，其参数为：流量123 m3/h、压力5.3 Mpa、功率315 kW、对应必需汽蚀余量3.8 m。很明显，泵的额定流量远大于管路系统设计流量，导致大泵配小系统。泵的运行特性曲线，见图2。

在图2中，系统的初始设计工况为：点流量40 m3/h、压头6 Mpa，在泵的H-Q曲线的最左侧，几乎是冲桩泵打封闭压力的工作点;调试中缓慢打开泵DN125出口阀，流量快速越过40 m3/h工作点向右侧偏移，印证了通过泵的出口阀门是很难调整到稳定流量40 m3/h、压头6 Mpa的工作点。

理论计算在不同流量下泵的有效汽蚀余量和必需汽蚀余量进行对比，分析不同流量下在吸口管路汽蚀发生的可能性。冲桩泵吸口管路布置，见图3。

管路的压力损失，包括管路沿程压力损失和局部压力损失，计算公式如下：

沿程压力损失计算公式为：

hf =λ×l×v2  /（D×2 g ）                                           （1）

式中：λ为沿程阻力系数;l为管道长度， m;D为管道内径， m;v为平均流速， m/s;g为重力加速度， m/s2。

局部压力损失计算公式为：

Hj =ξ×v2 /×2 g                                                       （2）

式中：ξ为局部阻力系数; v为平均流速， m/s;g为重力加速度， m/s2;

泵的有效汽蚀余量计算公式如下：

△ha =Hc-He- △Hs-Hv                                          （3）

式中：Hc 为作用在吸入液面的大气压力，m;He为吸入液面到基准面的垂直距离，m;

△Hs为吸入管路的阻力，m;Hv为被输送液体工作温度下的饱和蒸汽压力，m。此时，冲桩泵的安装位置处于水线下1 m，故取He =-1 m，查表取Hv=0.24 m。

泵的有效汽蚀余量大于必需汽蚀余量，不会发生汽蚀;泵的有效汽蚀余量等于必需汽蚀余量，处于临界点，汽蚀即将开始;泵的有效汽蚀余量小于必需汽蚀余量，发生汽蚀。

取4个流量点分别进行理论计算吸口管路的压力损失，并做汽蚀状态的分析，见表1。

由计算得知，当泵出口流量达到100 m3/h时，将接近发生汽蚀现场的临界点;而流量在100 m3/h ～110 m3/h之间某个点，即开始产生汽蚀现象。

4     解决方案

（1）排查吸口管路所有阀门是否能正常完全开启并保持完全开启状态，检查海底门、滤器內有无杂物，排除管路被杂物拥堵的可能;

（2）开启冲桩泵前打开滤器上方放气旋塞，直至放气结束并有海水冒出，再持续10～15 min时间，确保管路残存气体释放彻底;

（3）冲桩泵为离心泵，其工作特点是桩靴喷嘴被堵住时，压力会达到6 Mpa， 而一旦冲开喷嘴后就不再需要高压，但仍需一定的流量。泵组电机功率远大于泵组的最大轴功率，在泵组扬程降低、流量增大时，不会过载而发生跳闸现象，唯一需确保的是随着流量的增大，吸入管路流速增大，其阻力随之增加导致汽蚀。为此，需要调整泵的出口阀门开度到适当流量点并不能大于此开度，保证此时该吸口的真空度不会导致泵汽蚀，同时泵的出口流量与压头又能满足冲桩系统的使用。对比上述理论计算分析，认为泵的出口流量稳定在90 m3/h的工作点是符合要求的，而此时有效汽蚀余量为4.81 m，即吸口真空表真空度为-0.0519 Mpa，出口压力表对应约为5.7 Mpa。

调试组基于这一原则，通过调节泵出口阀门开度，确保泵的进口真空表不大于-0.05 Mpa。按正常运行系统启动冲桩泵的正规流程，然后开始进行系统的调试。

整个调试过程中保持泵运行3～5 min，若泵运行平稳无振动，数据正常，则认为冲桩系统正常，满足使用要求。但船东认为调试中阀门开度不大，系统不一定有那么充足流量，于是再利用超声波流量计实测流量，流量计安装在泵出口不远的水平管段上。

调试确定4个测试工况点，分别在各种工况下记录泵进出口压力、阀门开度、出口流量、电流及绞车处压力表压力。调试中，泵保持运行3～5 min状态下测试的稳定流量，泵的运行也一直是平稳正常无异常振动。

调试组与船东一起按议定的试验程序完成了试验，泵组运行平稳，流量正常，标定阀门最大开度位置，结果显示通过调节泵的出口阀开度，已使管路阻力曲线与泵组匹配，冲桩泵运行正常，至此JB118冲桩泵调试问题得到解决。

5    泵的选型与管路系统的匹配设计

通过对该平台冲桩泵及系统运行异常的分析与最后进行的解决措施，对泵的选型和管路系统的匹配设计，可以总结如下：离心泵是与匹配的管路系统连接起来工作的，水泵的总扬程要满足系统排水扬程的需要，能克服水流在管路中的流动阻力，所以离心泵的工作状况不仅与泵本身的特性有关，也与匹配的管路特性有关，见图4所示。由图4可知：泵在特定的管路系统中运行的状态，其扬程、流量、效率等性能指标都由水泵和管路特性曲线的交点所确定，因此最优的管路系统和离心泵的选型设计的最大目的，就是保证该水泵工作于最高效率Me点或其附近。

η-Q为水泵效率曲线;H-Q为离心泵扬程特性曲线;Hg-Q为管路的特性曲线

当选择的水泵级数远大于理论计算级数时，水泵特性即由理论计算的特性曲线水平向上移动，并且水泵的效率曲线的最高效率点也随之向右侧移动，此时如果管路要匹配泵的最高效率点运行，在保持管路最佳经济流速的原则下，选取的管径等级也要大于理论计算管径，并且在生产设计过程中吸口管路尽量不要太长，弯头附件保持最少，这样就能保证吸口管路管路阻力不会太大而导致汽蚀，同时保证泵出口管路流量可调。但是也要避免盲目增大管道规格，以免引起的水泵设备初期投资增大和运转效率偏低。

6    结束语

通过该平台的冲桩系统调试，在泵设备选型设计中，管路系统要根据泵的额定工作点选择合适管径去匹配。一般泵进出口配套管路规格应在计算结果基础上向大一些方向选取，减少吸口管路的阻力，提高抗汽蚀能力;同时出口管通过阀门调节能很容易使泵在额定工况点运行，泵一直处于高效率区运转，损耗减少，泵的过流部件使用寿命也相对较长，节约了生产成本，也使得管路系统运行更加稳定可靠。

参考文献

[1]聂静，郭玉霞，辛爱兰. 水泵与管路选型设计的优化配置[J]. 煤 COAL，1997，6（5）： 46-48.