(上海外高桥造船有限公司，上海 200137)

管路系统设计的优劣会影响系统的正常运行，严重的则会影响系统的功能，所以在管路系统设计的时候要综合平衡各方面因素的影响，包括泵、舱室布置、管路。以及附件，等。本文从实例出发，着重分析舱底水驳运泵调试过程中碰到的问题及解决方法。

在建项目20 000 TEU项目首制船舱底水系统调试驳运过程中发现，舱底水输送泵(单螺杆泵)有时候无法正常启动，查阅设备资料中该泵控制图纸发现，厂家在螺杆泵本体出口装有一个压力保护开关(压力设定值在1～10 bar范围之内，厂家出厂的时候默认设定置是1.5 bar)防止单螺杆泵发生干转烧坏。在泵启动的时候，如果泵出口压力在设定时间(延时继电器T2，设定时间范围5～30 s)内达不到压力设定值，出于安全考虑，压力开关会触发停泵信号，自动停泵。

调试过程中，调试人员发现这一问题后，先是检查了管路，确定管路是否连接正确，是否有泄露。经过检查确认不存在机械完工方面的问题后，遂和船东沟通，船东认为该压力开关属于过度保护装置，想直接取消该压力开关，但是生产厂家认为压力开关是保护泵的，如果出口管路压头建立不起来，可能会引起单螺杆泵干转，损坏泵，在咨询船级社后船级社也不建议取消。

随后查阅和分析舱底水输送管系原理图发现，舱底水输送泵出口有3路管路。

管路I：将舱底水舱水驳运至甲板通岸接头处；

管路II：将舱底水舱水驳运至舱底水预置柜；

管路III：舱底水舱通过泵循环。

3路管线差异非常大，包括管路长度、走向和终端布置等。由于泵出口压力和管路具体走向及终端有关，所以对三路管线进行流体力学分析。

1 计算及分析

分析的目的是确定舱底水输送泵的实际工况点。管子阻力计算已经极为成熟，计算方法很多，但是差异不大，本文仅介绍一种计算方法及有关参数的选取。

管路总阻力指管路直管段摩擦阻力与所有附件局部阻力之和。

1.1 直管段摩擦阻力

直管段摩擦阻力p1按式(1)计算[1]。

(1)

式中：λ为管子摩擦阻力系数；l为管路长度，m；di为管子内径，mm;υ为管内流体流速，m/s；g为重力加速度，9.81 m/s2；ρ为密度。

1.2 附件局部阻力

附件局部阻力按式(2)[1]计算。

(2)

式中：ξ为局部阻力系数。

1.3 摩擦阻力系数

摩擦阻力系数λ多由经验公式或由实管试验图表查取，其中摩擦阻力系数的经验公式根据流体的区段及管子的粗糙等级有不同的计算方法，根据本文流体工况及管子粗糙等级(光滑管)采用如下公式[2]计算。

λ=0.032+0.221Re-0.237

(3)

式中：Re为雷诺数，

(4)

其中：D为管路内径，mm，μ为流体黏性系数，Pa·s。

1.4 局部阻力系数

在不可压缩流体的一元流动中，当流体流经某种局部障碍时，流线将发生明显的弯曲，并出现漩涡，引起机械能的损失。该损失称为局部能量损失，或局部阻力损失。局部阻力计算的关键是进行局部阻力系数的选择，局部阻力系数主要与附件内部流体流通通路的几何形状有关，而且均通过大量的实验求得。本文的局部阻力系数均由经验数值查取。

1.5 泵进口管路分析

泵进口管路直管段大概14 m，管路吸口和泵进口之间垂直高度大约4.3 m,管路局部附件见表1。

表1 泵进口管路附件

把相关数据带入式(1)和(2)，分别计算出直管段和附件局部阻力，绘制泵和管路特性曲线[3]见图1。图中泵特性曲线数据由厂家提供，泵的额定工况点是20 m3/h,4 bar。

图1 泵和管路特性曲线

1.6 泵出口管路分析

管路I。将舱底水舱水驳运至甲板通岸接头处。管路直管段长度大概120 m，泵出口和通岸接头之间的垂直高度有27.4m，管路局部附件情况见表2。

把相关数据带入式(1)和(2)，分别计算出直管段和附件局部阻力，绘制泵和管路特性曲线，见图1中管路I曲线。舱底水输送泵实际工作点从图1可以看出是管路I和泵的交叉点，泵的实际工作压力是3.067 bar,减掉进口阻力0.555 bar(可从图1中吸入管路曲线查找)等于2.512 bar，大于舱底水输送泵出口压力开关设定值，泵可以正常工作。

表2 管路I附件

管路II。将舱底水舱水驳运至舱底水预置柜。管路直管段长度大概32 m，泵出口和舱底水预置柜之间的垂直高度约8.075 m，管路局部附件情况见表3。

表3 管路II附件[1]

把相关数据带入式(1)和(2)，分别计算出直管段和附件局部阻力，绘制泵和管路特性曲线，见图1中管路II曲线。舱底水输送泵实际工作点从图1可以看出是管路II和泵的交叉点，工作压力是1.521 bar,减掉进口阻力0.591 bar等于0.93 bar，小于舱底水输送泵压力开关设定值(1.5 bar)，也小于舱底水输送泵能够设定的最小压力值(1 bar)，舱底水输送泵无法正常启动。

管路III。舱底水舱通过泵循环。管路直管段长度约10 m，泵出口和舱底水舱之间高度-1.38 m，舱底水舱比泵出口位置要低，管路局部附件情况见表4。

表4 管路III附件[1]

把相关数据带入式(1)和(2)，分别计算出直管段和附件局部阻力，绘制泵和管路特性曲线，见图1中管路III曲线。从图1中可以看出管路III和泵没有交点，已经超出泵的工作范围，泵无法正常工作。

根据以上计算分析，舱底水输送泵只有在驳运至甲板通岸接头处才可以正常启动工作，其他两种情况舱底水输送泵都无法正常启动工作。

2 解决措施

为了解决管路背压低的原因导致压力开关停泵，对症下药，从解决管路背压低着手，在和船东沟通后，认为目前情况下在管路上增加节流孔板是最简单方便的，征得船东同意后，分别在管路II和管路III上增加固定节流孔板[4]，以增加管路背压。为了使工作点尽量靠近泵的额定工况，通过选型计算分别在管路II和管路III上增加直径为26 mm和直径为22 mm的固定节流孔板。

结合固定节流孔板规格，计算后对管路特性曲线进行优化，具体见图2。

图2 优化后舱底水输送泵和管路特性曲线

由图2可见，管路II和管路III实际工作点距离舱底水输送泵额定工况点很接近。

管路II。管路出口压力在减掉管路进口阻力后压头是26.77 m，大于舱底水输送泵压力开关设定值，泵可以正常启动运行。

管路III。管路出口压力在减掉管路进口阻力后压头是28.78 m，大于舱底水输送泵压力开关设定值，泵可以正常启动运行。

3 结论

仔细分析此类设计问题出现的原因：初始设计的时候设计人员主要是考虑管路系统功能的原理性和经济性，如此考虑设计可能就会使得原本简单的系统变的比较复杂，但是由于只是原理性的设计，所以对后续生产设计阶段管路具体走向欠缺考虑；到了后续生产设计的时候，生产设计人员由于缺乏详细设计的经验，在布置管路走向时对原理性的知识欠缺考虑，只会按照已有的原理图来布置管路，没有结合实际管路布置来考虑系统功能。为避免此类问题重复出现，可以从以下几个方面着手：①在各个设计阶段保证设计人员的连续性，保证主要设计人员贯穿整个项目，但是这种方法对设计人员掌握的知识量要求比较大，面也比较广；②可以对不同设计阶段的设计人员进行相关知识的培训，不要求能够独立设计，但是至少要做到掌握前后道知识，然后再辅以不同设计阶段交叉检查，做到查漏补缺；不同体系的设计部门可以根据自身的情况去选择适合自己的方法，但是不管选用第①种还是第②种，最后必须要做好校对工作，校对工作绝对不能少，不能把校对工作仅流于表面，而是要切切实实的付诸实施。