【案例】船舶低温水系统混入空气故障实例

船舶冷却水系统有开式海水系统、闭式淡水冷却系统和中央冷却系统等。基于海水管系少、管路腐蚀少、船员维修工作量小、船舶所有人维修成本低等优点,中央冷却系统受到越来越多的青睐。近年来建造的大型现代化船舶大多采用中央冷却系统,因与冷却淡水相关联的设备较多,若某个设备发生故障就可能影响到系统中其他设备的正常运行,从而影响船舶的航行安全。本文介绍一起因进气引起整个船舶低温水系统冷却淡水压力低的故障案例,分析导致故障的原因及预防措施,供同行参考。  

1　故障现象及处理经过

某日0300 时,某载重吨为36 000 t 的多用途船在航行途中机舱执行无人机舱班,大管轮在房间当值,突然房间延伸警报控制面板报警,大管轮查看警报发现是备用低温水泵启动。立即前往机舱,发现3 台低温水泵都在运行(平时运行2 台,另1 台置于自动备用位置),低温水压力较低(2. 3 bar,1 bar =105 Pa)且波动较大,泵的运行声音大于往常的运行声音。大管轮通过在低温水泵出口管路上的阀给系统放气,发现有大量混水的气体吹出。几分钟后,气体量不见丝毫减少,低温水压力未见明显上升(正常时低温水系统压力在3. 6 bar 左右)。检查低温水膨胀水柜的液位,未发现有异常变化。10 min 后,2 号副机(运行机)出现低温水和高温水压力低警报,检查发现2 号副机的高温水出口温度也有上升趋势。为防止故障进一步恶化,大管轮立即向轮机长报告故障现象和已采取的措施。

轮机长来到机舱集控室,通过观察集中控制台上的各设备状态指示灯和各系统压力表,发现低温水系统压力表指针波动幅度较大,且显示1 号主空压机正在运行。轮机长判断是运行空压机的问题导致低温水系统的一系列连续警报。轮机长立即把位于集中控制台上1 号空压机的控制旋钮置于0 位(停止空压机的运行),并安排大管轮到备用副机位置较高处的淡水管路处(通过管路上的放气阀)放气。经过数次放气后,副机的高、低温水压力和低温水系统的淡水压力都恢复到正常值附近,且压力几乎无波动。30 min 后,低温水系统各项参数恢复正常,通过上述处理过程判断是空气混入低温水系统,引起低温水压力低及后续一系列的警报。因船舶航行在开阔水域,且距目的港还有几天时间,轮机长决定等白天安排二管轮检查1 号主空压机,暂时把2号主空压机置于主用自动位置,切断1 号主空压机电源(同时手动关闭1 号空压机的冷却水进出口阀)并挂牌警告。

2　低温水系统进气原因分析

梳理本船的低温淡水系统管路原理图。在低温水系统整个回路中,相关联的主要设备有低温水泵、中央冷却器、中间轴承、主机滑油冷却器、主机高温水冷却器、主机空冷器、副机、压载水处理装置、大气冷凝器、燃油供油单元、主空压机、集控室空调、伙食冰机、生活区大空调、厨房空调、低温膨胀水柜等。上述设备在本单位船舶机舱的安装位置如下:中间轴承和压载水处理装置安装在机舱底层;3 台低温水泵、2 台中央冷却器、大气冷凝器、主机空冷器、主机滑油冷却器、主机高温水冷却器、2 台主空压机安装在机舱中层;3 台副机、冰机和生活区大空调安装在机舱上层。

分析低温水系统中相关联的设备和管路布置,猜测系统进气的原因为:

(1)检修某个与低温水系统相关的设备(如空压机、副机空冷器等)时,因拆卸过淡水管路,船员在装复管路开启淡水供应时放气不彻底导致空气进入系统。本次未拆卸淡水管路,排除此可能性。

(2)低温水泵吸口某段管路上漏气(管路腐蚀性砂眼、连接法兰床垫破损或法兰紧固螺栓松动),导致空气进入系统。低温淡水泵布置在机舱中层,在系统中处于较低位置,且吸入管路上装有1 根来自膨胀水柜的给系统补水兼透气的管路。检查发现泵的吸口压力表指针一直指示在0. 5 bar 以上的正压,整个系统均未出现负压,管路或法兰处未发现泄漏,故排除此可能性。

(3)低温冷却水某段管路或某相关联设备泄漏,值班人员未及时给膨胀水箱补水导致液位极低。

空气从低温水泵吸口管路上的系统补水管路,通过运行的低温水泵被吸入低温水系统。故障发生时,管系和设备完好,未发现漏水现象,船员检查膨胀水柜液位正常,故排除此可能性。

(4)在低温淡水系统中,与低温水进行热交换并带有气体的相关设备有主机空冷器、副机空冷器、生活区大空调、伙食冰机、厨房空调及主空压机。正常情况下,主机空冷器和副机空冷器空气侧的空气压力(1. 2 ~2. 0 bar)都低于低温水压力,空气进入低温冷却水系统的可能性较低。当时在空冷器空气侧的放残阀上也未放出大量凝水,故排除主机空冷器和副机空冷器泄漏的可能性。

(5)厨房空调、生活区大空调、伙食冰机的冷凝器铜管破裂,高压冷剂从冷凝器进入低温水系统。本船使用的制冷剂是R404A,当低温水系统压力报警时,冰机及空调系统的运行参数无明显异常且无相关报警,说明即使是泄漏,漏入到淡水系统的制冷剂量也不会太多,通过从淡水管路放气可以把气体从系统中慢慢排空,低温水压力会缓慢恢复正常。这与上述现象明显不符(系统放气时,低温水系统压力一直未见上升),且大管轮当时放出的气体并无刺激性味道(R404A 有少许醚味), 排除此可能性。

( 6)主空压机冷却器盘管有砂眼或缸头床垫破裂等,使得空压机运行时产生的大量高压空气经过破损处源源不断地进入到低温水系统。低温水系统中的透气管路来不及透气,导致大量空气混入低温水中。本次故障现象发生时,1 号空压机正在运行,其嫌疑最大。人为干预停止运行1 号空压机,经过系统放气后,低温水系统压力慢慢上升至正常值,可以判定1 号空压机故障导致空气进入到低温水系统。

3　进入途径、预防措施及止漏处理

(1)由于缸头或冷却盘管端盖的床垫破损,空压机运行时,压缩过的高压空气由床垫破损处进入冷却水系统。床垫破损的原因:床垫老化、安装时密封平面未清洁干净、螺栓未均匀紧固以及密封床垫易被高压空气吹蚀等。船员可采取的预防措施包括:①缸头、端盖等密封平面严禁锤敲或用螺丝刀等金属工具敲铲;安装缸头或端盖的床垫前,密封平面要用粗、细砂纸清洁干净,床垫两面涂上高温润滑油脂。②紧固缸头盖螺栓时,应根据说明书要求分多步对角两两均匀紧固螺母,并达到规定扭矩。

(2)冷却盘管遭受腐蚀有砂眼,空压机运行时压缩过的高压空气由盘管上的砂眼进入冷却水系统。冷却盘管出现砂眼的原因:冷却盘管会出现高压气体的冲蚀和冷却水的电化学腐蚀这2 种腐蚀。

在冷却盘管中由于高压气体高速流动冲刷管壁引起的磨损称为冲蚀。这种磨损会随着流速的增加而加剧,尤其当流体介质中含有固体细粒和液体时,冲蚀速度将迅速加快,其机理与船厂喷砂相类似。特别是在气流流向改变处(冷却盘管的弯头部位),其冲蚀最严重。船员可采取的预防措施:①勤检查、更换吸气滤芯,滤芯不能有破损,以防止空压机吸入固体颗粒,提高工作介质的过滤精度;②气缸供给的润滑油量要适中,防止过多的滑油进入活塞压缩腔室;③定期清洁冷却器及附在换热盘管上的水垢,防止冷却器散热效果不佳,使得压缩空气温度过高;④勤检查清洁一、二级阀组阀片;⑤根据打气效率并结合说明书的要求,及时检查和保养缸套、活塞及活塞令。

冷却盘管水侧与冷却水溶液接触,由于冷却水中含有氯离子等,通过电极反应产生的腐蚀称为电化学腐蚀。船员可采取的预防措施:定期化验冷却水的水质,根据化验参数及时投药进行预处理,尽量降低其硬度、碱度和氯离子的含量,并减少结垢。

(3)冷却盘管与安装盘管端盖的接触处泄漏,空压机运行时,压缩过的高压空气由冷却盘管根部的外壁周围进入冷却水系统。盘管根部接触处泄漏的原因:空压机在运行过程中由于惯性力、惯性力矩的数值和方向作周期性变化,引起整个机组振动。活塞式压缩机通过气缸内容积的变化来提高气体压力,使吸排气交替进行,形成脉动气流,其也会使机组产生振动。振动或微振动会引起冷却盘管的根部与端盖产生摩擦、撞击,导致接触部位的外管壁磨损,日积月累就会引起根部泄漏。船员可采取的预防措施:①及时检查、紧固空压机与电动机的底脚螺栓,防止松动;②及时检查、更换空压机与电动机联轴器上的缓冲块;③电动机吊离检修安装固定前,确保电动机与压缩机轴线对中;④及时检查空压机停止、启动的自动卸载功能是否处于正常工作状态。

(4)缸头盖、冷却盘管端盖或缸套有穿透性裂缝,空压机运行时,压缩过的高压空气由裂缝处进入冷却水系统。制造、安装、工作等产生负荷应力、残余应力、热应力,导致缸头盖、冷却盘管端盖和缸套出现应力腐蚀而发生脆裂。负荷应力主要来自工作中的内应力或振动,残余应力来自材料加工过程中形成的应力。热应力主要来自冷却不良或结垢引起的局部壁面高温产生的温差应力。船员可采取上述(1) ~ (3)的预防措施。

本船的空压机是日本某公司生产的H 系列单活塞水冷二级压缩式空压机。二管轮拆开1 号空压机的一边冷却器端盖,发现冷却器换热铜管内部有大量水迹,说明冷却水已进入到停机状态空压机的气面。清除冷却器水侧的水垢,用细砂纸清洁后再用船上日用空气吹扫1 遍,盘管上的腐蚀性砂眼基本上能被找到(见图1)。也可通过在盘管内或反面加注淡水,再在另一面仔细观察是否有水迹而找到渗漏处。

图1　盘管上的砂眼

对于第1 种泄漏情况,可更换床垫、清洁密封面,按说明书要求的力矩紧固螺栓。对于第2、3 种泄漏情况,可用圆锥式铜塞闷住管子两端;若考虑尽量不影响压缩空气的通流面积和冷却效果,对于位置较好的泄漏部位可采用风焊焊补止漏(见图2)。对于第4 种泄漏情况,只能申请备件更换。

图2　风焊焊补止漏

4　管路改进设想

从低温水系统原理图可知,整个系统的管路上共布置3 根透气管路:3 台副机的高温水出口管路上共用1 根透气管,厨房空调、生活区大空调、伙食冰机、主空压机等设备冷却水出口汇总管路共用1根透气管,低温水泵附近吸口管路上的1 根透气管兼有补水作用。若空压机的缸头床垫或冷却器盘管等发生问题,当空压机运行时,空气会进入到空压机系统但又不能透气,就会导致大量气体混入低温水系统的其他设备冷却水管路中。由于副机在机舱的位置高于空压机在机舱的位置,混入低温水系统的空气极易进入副机的淡水管路,轻则发生副机高、低温水压力低、扫气温度稍高、滑油温度稍高等一些小故障,若副机的高低温水泵效率很低(泵壳、叶轮磨损严重),会使副机的自带水泵吸口处完全“气堵”而导致副机冷却水量严重不足,副机跳电事故时有发生。

因此,设想在2 台空压机冷却水出口总管路上增设1 根倒U 形管,在倒U 形管的顶部再分支1 根透气管到膨胀水箱。对船舶所有人而言,在造船时只增加一小段管路,其额外成本可以忽略不计;但对船员而言,就不会因工作中的疏忽(空压机冷却水出口管路上一般装有玻璃观察镜,船员可通过观察玻璃镜里流动的冷却水中是否有气泡来判断冷却水中是否混有气体)而造成被动局面。即使空压机的空气进入系统,利用倒U 形管的特性(空气密度小于水的密度,改变流体的方向,空气更易从水中分离出来),绝大部分空气会被透到膨胀水箱后通大气,小部分来不及透出去的空气会通过后部管路上的透气管透出去,减少空气混入系统中其他设备的冷却水管路而影响其他设备正常工作的风险。

5　结束语

船舶自动化程度越来越高,对轮机管理人员的综合能力要求也越来越高。轮机管理人员不但需要丰富自己的理论知识和专业知识,也需要积累足够多的专业技能和经验。对于设备的突发故障,需要要沉着冷静、缜密分析,结合经验分析相关原因,尽快解决问题,为船舶的安全航行提供保障。

作者简介：廖兴祥，轮机长，中波轮船股份公司