2 000 t瀝青運輸船液貨系統(tǒng)設計

武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院 武漢 430050

我國高速公路建設迅猛發(fā)展，大量瀝青需從國外進口，液態(tài)瀝青運輸船近年來得到了較快的發(fā)展。

華中航運集團公司先后將兩條2 300 t散貨船改造成為2 000 t的江海直達瀝青運輸船。液貨系統(tǒng)是改造的重點。

1 瀝青的運輸要求

液態(tài)瀝青在裝卸和運輸過程中，要求始終處于加熱狀態(tài)，使瀝青保持適宜的粘度。一般要求粘度在100～200 cst，此時瀝青適宜溫度一般在160 ℃左右。不同品種瀝青，其適宜溫度不同，改性瀝青適宜溫度高達175 ℃。因此，瀝青船的液貨系統(tǒng)與一般油船不同，除貨油管路外，還必須要有保溫加熱系統(tǒng)、伴熱管路、特殊的掃線管路等。此外，由于水與瀝青接觸會汽化，使瀝青起泡，因此必須防止液貨系統(tǒng)滲水。

2 保溫加熱系統(tǒng)設計

2.1 保溫設計

2 000 t瀝青運輸船在貨油區(qū)設有兩個獨立瀝青罐，每罐分為左、右兩艙，一號罐左右艙容積均為513 m3，二號罐左右艙容積均為570 m3。瀝青罐和管路外選用新型優(yōu)質(zhì)防水礦棉作絕熱包扎材料，其導熱系數(shù)小于或等于0.043 W/(m·K)。綜合考慮安裝空間、安裝工藝、保溫要求等因素，選取保溫層厚度為100 mm。經(jīng)實船測試，罐內(nèi)瀝青平均溫降小于2.5 ℃/天，保溫層厚度與保溫材料的導熱系數(shù)達到了比較理想的匹配。

2.2 加熱系統(tǒng)設計

瀝青適宜溫度最高達180 ℃，其加熱介質(zhì)溫度應在200 ℃以上，選用熱油加熱系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的蒸汽加熱系統(tǒng)比較，具有如下主要優(yōu)點：

1) 熱效率高。用熱油加熱時，系統(tǒng)介質(zhì)不存在相變，而熱油的熱載荷大大高于水蒸氣，所以熱油鍋爐的熱效率高，發(fā)熱量大；而且熱油系統(tǒng)采用閉路循環(huán)，加熱效果好，熱能損耗小。

2) 安全可靠。200 ℃時水蒸氣壓力為1.6 MPa，而在熱油加熱系統(tǒng)中，系統(tǒng)壓力可保持在0.1 MPa左右，對設備壓力等級要求低；熱油對鋼管的腐蝕性較水為小，其管路較蒸汽系統(tǒng)壽命長；水蒸氣泄漏遇到瀝青可能引起爆炸，熱油萬一泄漏，系統(tǒng)壓力會很快下降，能及時發(fā)現(xiàn)。

3) 體積小、重量輕。這對改造船尤其重要。

熱油加熱系統(tǒng)應在熱油鍋爐額定負荷的80%左右運行比較合理，考慮到船舶運輸時瀝青的短時加溫需要及一定的裕度，在選型時，熱油鍋爐額定負荷應為需熱量的1.4～1.5倍。

改裝船配備兩臺YYW-600(50)Y型燃油熱油鍋爐，額定熱功率為600 kW，一用一備，此外還配有兩臺熱油循環(huán)泵、注油泵、膨脹箱、油氣分離器、儲油艙、熱油分配器、過濾器以及管路和控制儀表、閥件等。鍋爐艙位于船首主甲板下。

2.3 加熱及伴熱管系

罐內(nèi)瀝青用蛇形盤管加熱，各艙加熱管分上、下兩層布置，每層為一回路，下層距艙底0.5 m，上層位于艙的中部距艙底3.5 m；在瀝青駁運管的吸入口附近，適當加密盤管，對吸入口處的瀝青加快升溫，以利瀝青的抽吸。加熱管必須有足夠的換熱面積(即長度)，保證在規(guī)定的溫度下，能將鍋爐滿負荷熱量傳遞給瀝青，其值由計算確定。系統(tǒng)供回油溫度為230 ℃、200 ℃，實取通徑50 mm、總長約1 200 m的加熱盤管。

為避免瀝青在裝卸管中溫度下降，瀝青粘度加大甚至失去流動性，在罐外裝卸管、瀝青泵、濾器等處設置熱油伴熱管。

伴熱管的形式有多種。第一艘船采用導熱膠泥方式，即在通徑200 mm裝卸管外下部伴以兩根通徑25 mm熱油管(如圖1所示)，伴熱管與主物料管之間填充導熱膠泥，外再敷以保溫材料。導熱膠泥有較強的粘合力，較高的傳熱系數(shù)，能極大地提高熱傳導效率，從而保證了主物料管路受熱均勻，輸送流暢。這種方式加工簡單、維修方便、可靠性高，但初投資較高。

圖1 導熱膠泥敷設斷面示意

第二艘船采用更簡單的內(nèi)插管方式，即在主物料管中插入一根通徑32 mm熱油管，熱油管靠近主物料管底部。這種方式熱效率高、初投資小，但加工復雜；還應注意提高熱油管材級別，主物料管內(nèi)的熱油管不能有焊縫和接頭，以保證可靠性。

兩種方式的實際使用效果令人滿意。

3 裝卸系統(tǒng)設計

3.1 瀝青泵組選型

螺桿泵和齒輪泵都可以作瀝青泵。

齒輪泵結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉，但振動和噪聲大，一般用于低壓、小流量的場合，目前僅在個別小型瀝青船有應用，排量在150 m3/h以下。

常用螺桿泵有單、雙、三螺桿泵[1]。單螺桿泵采用橡膠泵缸，流量小，不能用于高溫液體；三螺桿泵不宜輸送含雜質(zhì)的液體，價格也高，一般不選擇這兩種類型螺桿泵。

雙螺桿泵流量范圍大，流量均勻，工作平穩(wěn)，噪聲和振動較小，適用的粘度范圍較廣，具有較強的自吸能力；采用同步齒輪傳動，泵的轉(zhuǎn)動零件互不接觸，即使短時間干轉(zhuǎn)動也沒有危害，可以輸送含固體雜質(zhì)的液體，且能汽液混輸。因此，雙螺桿泵最適合作瀝青泵。

設計時，瀝青泵轉(zhuǎn)速應限制在1 500 r/min以下，以減小振動，增加自吸能力；流量按卸貨時間(10～20 h)要求來選取；泵的壓頭需根據(jù)裝卸港口實際情況，經(jīng)過管路阻力計算之后再確定，一般取0.6～1.5 MPa。每船配2～3臺瀝青泵。

瀝青泵組中原動機的常見類型有柴油機、多速電機、單速電機，幾種類型各有利弊。

雙螺桿泵流量與壓力或粘度無關(guān)，轉(zhuǎn)速不變，其理論流量也不變，排出壓力升高，驅(qū)動功率成比例增加，而流量變化甚微，所以，該泵不能用調(diào)節(jié)排出閥開度的大小來調(diào)節(jié)流量。

柴油機在工作范圍內(nèi)速度和功率可任意調(diào)節(jié)，用作原動機的瀝青泵組，可方便地調(diào)節(jié)流量和排出壓力，操作管理方便、適應性強；且啟動可靠、迅速，運行效率高。但柴油機初投資費用高，安裝復雜，要求較大的安裝空間。

以單速電機作原動機，泵組的流量為定量，調(diào)節(jié)流量只能采用回流調(diào)節(jié)法，即通過改變旁通回流閥開度，調(diào)節(jié)主管路實際流量。該類型泵組初投資少，安裝方便，所需空間小，設計工況效率高。缺點是操作管理復雜，啟動要求高，要有足夠的電站容量，變流量工作時，部分功率浪費于回流上，經(jīng)濟性較差。

多速電機泵組則介于柴油機和單速電機之間。

瀝青船專用程度較高，運輸品種和停靠港口相對固定，變流量工作情況較少，單速電機方案基本能滿足使用需要。

綜合考慮以上因素，選用單速電機驅(qū)動雙螺桿泵方案。實船泵艙布置在船首底部，設雙螺桿瀝青泵組兩臺，一用一備，型號W7.3Z-130-ZOMbW81，電機轉(zhuǎn)速為950 r/min，粘度為1 500 mm2/s時，排量194.6 m3/h, 揚程0.8 MPa，電機功率90 kW。該泵采用雙殼加熱套結(jié)構(gòu)型式，可對泵內(nèi)瀝青加熱。采用金屬波紋管密封裝置，工作溫度可高達320 ℃。實船營運中，曾成功地直接對載量20 m3瀝青車進行灌裝，表明該泵組完全能滿足使用需要。

3.2 裝卸管系設計

瀝青船一般為中小型船，運量、航線相對固定，因此，裝卸管系采用裝卸貨共用同一套管路的集中式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低。

管路布置有環(huán)形總管式和線形總管式兩類[2]。根據(jù)瀝青船的特點，應采用布置簡單、操作方便而機動性略差的線形總管式。線形總管式又有單線、雙線等型式。第一艘船采用艙外雙線總管式(圖2中虛線部分)，兩根總管布置在瀝青罐外，便于管系安裝、維修，可靠性較高。第二艘船則采用更簡單的艙內(nèi)單線總管式(如圖2所示)，全船設一根穿過瀝青罐的總管，一方面可以減少總管長度、節(jié)約材料；另一方面由于總管大部分在罐內(nèi)，這部分總管可不設伴熱管，既節(jié)省伴熱管及包扎材料，又節(jié)約能源。

圖2 瀝青裝卸系統(tǒng)原理

采用這種方式，罐內(nèi)管系及閥件質(zhì)量要求高，具有較高的可靠性。

由于瀝青船采用有自吸能力的螺桿泵作貨油泵，沒有設單獨掃艙系統(tǒng)，清艙工作直接由裝卸干管完成。為保證留艙殘油盡可能少，瀝青罐內(nèi)設有吸油井，吸口布置在吸油井內(nèi)，并盡可能接近井底。但應注意保證吸口周圍有足夠的流通面積。此外，操作時要執(zhí)行相關(guān)的操作規(guī)程，注意利用船舶縱傾和橫傾來掃清瀝青罐。實船營運證明，這種方式完全能滿足瀝青船掃艙需要，罐內(nèi)瀝青殘留量小于0.2%。

4 其它

瀝青裝卸完畢后，為防止殘余瀝青冷卻后堵塞管道，必須對整個裝卸管系進行清掃，即掃線。由于蒸汽會使瀝青發(fā)生乳化，嚴重影響瀝青的質(zhì)量，且高溫瀝青遇水會發(fā)泡甚至爆炸，因此，使用壓縮空氣作為裝卸管系掃線的介質(zhì)，壓縮空氣壓力一般為0.4 MPa，需要量通過計算確定，至少保證掃線空氣瓶的容量滿足一次掃線的需要。實船選用兩個容積1.0 m3，壓力1.0 MPa的掃線空氣瓶。

設計時應注意瀝青泵吸入濾器的選型，選型不當，往往會導致吸入阻力增大，以致系統(tǒng)效率下降，嚴重時系統(tǒng)甚至無法正常工作。應選擇帶加熱套的濾器，以保證濾器內(nèi)的瀝青具有較低的粘度。為防止濾器堵塞，不能使用普通油濾器的濾網(wǎng)，在滿足瀝青泵要求[3]的前提下，濾網(wǎng)的目數(shù)應盡可能小，改裝船選擇了8目規(guī)格的濾網(wǎng)。

此外，應在裝卸管路中適當處設置放氣閥，排除管路中空氣，以免瀝青泵吸入大量空氣而產(chǎn)生氣穴、振動和噪聲。裝卸管路彎頭應盡量少，尤其不要有“U”形彎管，以防瀝青在管路內(nèi)沉積。

[1] 李之義，胡國梁，胡甫才. 船舶輔助機械[M]. 北京：人民交通出版社，2002.

[2] 中國船舶工業(yè)總公司. 船舶設計實用手冊[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[3] 費 千. 船舶輔機[M]. 大連：大連海事大學出版社，1998.