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摘要:基于艦船設(shè)備乏汽排放特性，構(gòu)建一套船用乏汽排放快速冷卻減壓的系統(tǒng)技術(shù)方案，通過(guò)陸上試驗(yàn)驗(yàn)證其乏汽排放時(shí)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(biāo)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行較穩(wěn)定，能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求，具備裝船條件。

關(guān)鍵詞:乏汽排放;快速冷卻減壓;艦船

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(guò)程中會(huì)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(diǎn)［1-2］，通過(guò)一定管徑內(nèi)釋放排出時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊與噪聲，如果直接排放，將對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成破壞。船用設(shè)備對(duì)乏汽排放時(shí)間和排放后管路內(nèi)背壓有特殊要求，如處置不當(dāng)，將對(duì)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(diǎn)［3-4］。結(jié)合艦船相關(guān)設(shè)備對(duì)乏汽排放的特殊處理需求，針對(duì)乏汽特點(diǎn)對(duì)冷卻技術(shù)開(kāi)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(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性并有效化解技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，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(duì)系統(tǒng)可靠性要求高，因此，考慮將高溫、高壓的乏汽通過(guò)管道直接通入裝有常溫水的液艙內(nèi)，與水接觸進(jìn)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(shí)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(guò)多設(shè)備及附件，對(duì)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(jiàn)圖1。乏汽冷卻系統(tǒng)設(shè)置1個(gè)乏汽冷卻收集艙和1圖1乏汽冷卻系統(tǒng)流程示意套乏汽冷卻裝置，采用將設(shè)備乏汽通過(guò)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(jìn)行強(qiáng)制換熱的方式，實(shí)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5300mm×4100mm×4900mm，艙容約為80m3，并在液艙頂部設(shè)置透氣管，用于降低乏汽排放對(duì)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(jìn)一出，實(shí)現(xiàn)對(duì)艙內(nèi)冷卻水與外界冷卻水源的有效置換，以加強(qiáng)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(kāi)度可調(diào)節(jié)的電控閥，用于平衡收集艙內(nèi)進(jìn)出水量，保持冷卻水液位穩(wěn)定。乏汽冷卻裝置(見(jiàn)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(kāi)有若干個(gè)直徑4～6mm的小孔;安裝支架由立柱、橫梁、加強(qiáng)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(zhǎng)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(yàn)中，乏汽冷卻裝置采用銅合金和雙相不銹鋼制造。乏汽排放管路支架均設(shè)計(jì)為滑動(dòng)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(yàn)

設(shè)備產(chǎn)生的高溫高壓乏汽汽源質(zhì)量約500kg，排汽管路(排汽閥前)壓力約為1．0MPa，排汽管路壓力對(duì)應(yīng)飽和溫度約183℃。試驗(yàn)運(yùn)行過(guò)程中，乏汽冷卻裝置多孔支管件完全浸沒(méi)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1m左右的空氣層(緩沖空間)。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中需要排放乏汽時(shí)，開(kāi)啟排放管路上的閥門，觀察系統(tǒng)的冷卻效果。試驗(yàn)中使用的儀器和儀表均在有效使用期內(nèi)，并有經(jīng)國(guó)家計(jì)量部門或有關(guān)部門校正合格的證明。

2．1乏汽排放時(shí)間及冷卻效果不同液位工況下乏汽排放時(shí)間見(jiàn)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(shí)間越長(zhǎng);從試驗(yàn)現(xiàn)象觀察可見(jiàn)，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(zhǎng)，冷凝效果有所提高。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，液位位于2．7～3．2m區(qū)間時(shí)，乏汽排放時(shí)間均不大于設(shè)備相關(guān)要求值(12s)，透氣口出口壓力最大值均遠(yuǎn)小于系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)值(0．1MPa)。考慮試驗(yàn)過(guò)程的綜合冷卻效果，通過(guò)觀察乏汽排放過(guò)程中液面蒸汽逸出情況，對(duì)比乏汽排放前后收集艙內(nèi)液位理論升高值與實(shí)際升高值之間的差異，液位高度選擇3．0～3．1m較為合適。

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(guò)水的傳遞，射流的動(dòng)能帶動(dòng)水流必將對(duì)收集艙壁面形成沖擊應(yīng)力，見(jiàn)表2。排汽小孔與收集艙壁面的距離影響蒸汽射流對(duì)壁面的沖擊，距離越近，沖擊越大;距離越遠(yuǎn)，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400mm。由表2可知，乏汽排放過(guò)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(jì)耐受強(qiáng)度(0．2MPa)，系統(tǒng)裝船后對(duì)船體安全不會(huì)產(chǎn)生影響。

2．3乏汽排放噪聲在乏汽排放噪聲試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)乏汽冷卻收集艙外圍1m處的東、西、南、北4個(gè)測(cè)點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行采集記錄，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，乏汽排放過(guò)程中，測(cè)得空氣噪聲最大值約為107dB(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(fēng)險(xiǎn)分析及可靠性措施

考慮艦船設(shè)備乏汽具有的特點(diǎn)，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(shí)乏汽冷卻系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生故障，需要維修或更換零部件。為了規(guī)避上述風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)盡量采用成熟技術(shù)，凡設(shè)計(jì)中使用的新工藝和新材料，均經(jīng)過(guò)充分論證、分析和(或)試驗(yàn)、驗(yàn)證;盡量簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，各分系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)計(jì)中采用的緊固件、連接件、管路等滿足通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化要求，減少其規(guī)格品種及數(shù)量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，綜合均衡可靠性、維修性、經(jīng)濟(jì)性的要求，盡量減少維修內(nèi)容、降低對(duì)維修技能的要求，同時(shí)要保證維修安全;多采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、集成化設(shè)計(jì)，縮短維修時(shí)間;對(duì)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(jì)技術(shù)均無(wú)法滿足對(duì)其可靠性要求或在有安全性要求時(shí)，可采用冗余設(shè)計(jì)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(guò)陸上試驗(yàn)考查乏汽排放時(shí)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(biāo)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足相關(guān)技術(shù)要求，具備裝船條件。

作者：薛敏 李秋成 王泉斌 謝承利 單位：海軍裝備部