潛艇疏水系統發展趨勢探討

汪正清，陳小鄒，王 楠，支 平

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢430064;2.中國船舶重工集團公司第七〇四研究所，上海200031)

0 引 言

疏水系統是潛艇重要的生命力保障系統，其主要功能是進行艙底疏水和應急疏水。

1)艙底疏水:在正常水下航行時，定期排除日常艙底積水，保證潛艇正常航行;

即負責完成對艙底少量積水進行收集、轉移至污水艙儲存，在極限深度內向舷外排放，以及內部液艙、圍壁和發射管注、疏水等功能。

2)應急疏水:在戰損或者海損時，應急排除異常艙底浸水，保證潛艇的不沉性。

在水下狀態時，應急疏水條件比較復雜、多變。大深度時，需利用高壓艙底泵排出浸水，以輔助提高潛艇正浮力和調整縱傾姿態;淺深度時，系統還可利用大排量主疏水泵或其它海水泵排出浸水。在水上狀態時，應急疏水與水面艦船有著基本相同的抗沉性要求。因此，潛艇疏水系統實際上是兼具了全深度和大流量的工作特性，泵的揚程和管路承壓能力需與舷外海水壓力相匹配。而在受限的安裝空間內，由于平臺、動力、武備和輔機系統功能與物性高度集成，使得疏水系統設計較為復雜，同時，還要積極適應系統低噪聲運行、油污水環保與隱蔽排放新技術需求。

文獻［1］對國內艦船污水處理系統現狀和問題進行了介紹，提出艙底污水分類處理模式和降低污水排放噪聲要求，建議增設油污水處理功能，并使排污泵在額定點附近工作。文獻［2］介紹了美國水面艦船“油污控制系統” (OPCS)，其采用了重力/離心分離和聚結工作原理，排放海域則限制在50 n mile 以外。文獻［3］指出美國潛艇用類似裝置采用重力分離工作原理，排放海域限制在12 n mile以外。實測艙底污水處理后的含油量20 ppm。對于污水艙匯聚的油、水，因其成份和濃度更復雜，處理后排放的濃度要高出很多。

1 系統原理

疏水系統的工作原理是:

1)在正常航行中，對每個隔艙艙底、特殊部位日常積水或內部液艙，采用艙底泵及其吸入管路、濾網進行收集和疏干，轉運至污水艙暫存，油水分離處理或直排舷外;

2)在應急狀態下，對隔艙(反應堆艙除外)浸水，采用艙底泵、主疏水泵，或借用其它系統的海水泵進行快速疏水;

3)在特定工況下，借用艙底泵為武器系統發射管注水或疏水作重量平衡，以及為均衡系統輔助調整中性浮力和縱傾姿態。

文獻［4］對國外潛艇疏水系統的現狀、演變，以及系統工作原理進行了較為詳盡的闡述。

2 設計思想

2.1 滿足總體性能與系統功能新要求

2.1.1 以日常艙底疏水為主

致使日常艙底積水的三類主要因素是:空氣冷凝水、系統泄放水和油水泄漏。具體指的是基準面以下未包覆絕熱材料的殼體，艙壁底層結構和海水管路、附件等表面溫差產生的空氣冷凝水;蒸汽動力和空氣冷卻器輔機系統泄放水;系統與設備密封連接處的油水泄漏等。目前，上述3 種因素導致的積水量大、排放頻繁問題仍然是困擾潛艇使用的一大難題。對某型潛艇艙底積水量進行理論估算的結論是:

1)每天產生的艙底積水總量約為水下正常排水量▽↓的3‰，這對于1 臺艙底泵的排量Qb是足夠的。其中，空氣冷凝水、系統泄放水和油水泄漏分別約占積水總量的27%、33%和40%;

2)對于獨立密閉空間內的空氣冷凝水，70%來源于艙底積水自由表面蒸發，它是空氣與積水的循環水量;其余30%來源于人體呼吸、排汗和結構設備浸濕表面蒸發;

3)艙底積水總量估算值與實際值可能會有一定的偏差，預計應是生活人員超編、艙底違規排放，以及少量臨時性沖洗排放等造成的;

4)計入艙底積水的最低數量難以在現役艦船上得到大幅減小;

5)從使用經驗上看，主、輔機艙由于蒸汽動力和輔助設備較多，熱環境復雜，積水量相對較大，是艙底疏干重點部位，其次才是工作居住保障的艙室。比較實用的設計是盡可能地保證作為疏干用途的泵組就地布置于該艙室。

現代潛艇以水下性能為主，艙底泵是全深度下排放艙底污水或意外浸水的唯一使用手段，也是大深度下輔助均衡備用手段和應急抗沉手段。歐美國家單殼體潛艇儲備浮力10%～15%，沒有水上沉性設計要求，未設置應急疏水系統，而是以艙底疏水系統為主，適當增大單臺艙底泵的排量。美國“鱘魚”級核潛艇正常排水量為4 140 t，僅有1 臺高壓離心泵進行疏水;英國最新型“機敏”級核潛艇正常排水量為6 700 t，采用了1 臺高壓雙速艙底泵疏水，其在230 m 深度下的最大排水量為60 t/h;法國“阿哥斯塔”級常規潛艇正常排水量為1 490 t，干脆未設應急疏水系統，其活塞式艙底泵排量在潛望深度為40 m3/h，在極限深度為20 m3/h。

從總體趨勢上看，我國潛艇未來應該會越來越重視日常艙底疏水功能，尤其是其聲隱身性能的持續改進需要，污水分離裝置應加緊進行技術儲備。

高壓艙底泵的揚程Pb原則上必須按照不低于極限深度He 工作要求進行設計，這與國內外眾多工程經驗是相符合的。艙底泵總排量ΣQbi(i = 1，2，3，…)設計的一般依據:一是潛艇正常排水量和艙底積水總量需要，二是極限深度下應急疏水需要，三是分布式布置和保障功能需要。電動往復柱塞式艙底泵排量Qb往往比較小，一般不超過20 m3/h。系統上必須按設計規范要求配置多臺，采取分布式安裝和集中式控制。大深度下數臺艙底泵同時排水能力有限，在水下動力抗沉中的貢獻不明顯。盡管如此，潛艇水下正常排水量▽↓呈略有增長趨勢，總排量ΣQbi技術指標不應減小。

2.1.2 兼顧水上應急疏水

二戰早期常規潛艇下潛深度均較淺，應急疏水系統具備全深度工作能力是做得到的，疏干隔艙浸水時間一般要求水上狀態1 h，水下狀態(100 m)2 h。R 級潛艇正常排水量為1 320 t，它在C 級基礎上，由單一總管改進為艙底疏水和應急疏水雙總管設計，其應急疏水能力為:潛望深度為220 m3/h，125 m 深度為62 m3/h，極限深度為40 m3/h。

現代潛艇如果在大深度水下發生意外，艇體或通海管路產生進水，隔艙總浸水量從水上抗沉性簡化計算的角度考慮為全淹沒，而不是部分淹沒并形成空氣墊，以此對艙底泵在水下應急疏水抗沉設計上無法實現，抗沉效果也不明顯。其次，次生災害(高壓海水霧化、電氣線路短路等)難以控制，也不大具備可操性。鑒于雙殼體潛艇上采用“大分艙制”設計思想，會使得海損條件下的應急疏水設計變得愈加困難。最終，還是必須堅持“浮、堵、疏”的損管工作原則，保證最低限度的堵漏和排干隔艙浸水。

俄羅斯和其他主要歐美國家一樣，基本上放棄了水下應急疏水的苛刻要求，轉而對水面狀態應急疏水作出規定:主疏水泵排量約占總排量的70%～80%，連續工作時間為1 h;主疏水泵最大工作深度為120 m，再往深處，只有依靠艙底泵。

如此看來，在應急疏水任務使命仍然不變的約束下，我國目前仍然應該重視水上不沉性設計，設置相對獨立的艙底疏水系統和應急疏水系統是合理的，對水面應急疏水系統的能力要求也不會輕易降低。它要求潛艇在安全上浮至水面后，疏水系統的功能與其它艦艇基本相同， 《艦船建造規范》要求設計排干時間為1.5～2 h。

隔艙應急疏水應遵循流量最大化的設計原則，總排量ΣQej(j = 1，2，3，…)在相應等級破損、堵漏后，排干凈最大一個隔艙浸水的時間須滿足規范要求，據此選擇系統海水泵的配置與聯合工作組合。在某些特殊工作深度，具有自吸功能的主疏水泵能對隔艙進行應急疏水，其揚程在泵串聯時保證大于耐壓隔壁強度。考慮到實際上一旦發生海損事故，只要有條件上浮，是不可能等到整艙浸水的，這一點與理論假設條件有很大出入。綜合參照水面艦船現行設計規范和使用經驗，提出應急疏水系統設計改進建議如下:

1)在相應等級破損且堵漏成功后，排干普通隔艙浸水的時間不大于2.5 h;

2)對于大容積隔艙，考慮應急疏水總排量ΣQej不小于該艙機電設備總體積ΣV 對應的海水重量ΣW，亦即不超過本隔艙總容積的25%。

鑒于在水面上設備正常工作的有利條件，建議適當增強與其它海水系統應急互備能力，以便使可調用的海水泵數量更多。

2.1.3 兼顧水下應急救生

遵循現行設計規范，盡量將若干臺艙底泵分別布置于各救生艙，這多是出于抗沉救生方面的考慮。對本艙設閘救生疏水和鄰近隔艙應急疏水，是作為戰斗艦船生命力保障極為重要的措施。

國外潛艇通常習慣于設置若干個救生艙，并按照需要配備相應數量的水下脫險裝置，如設閘逃生裝置、快速上浮脫險裝置以及集體漂浮救生艙。

1)在安裝有設閘救生裝置時，可利用其設閘室向艇內傳遞食品和淡水，這要求在極限深度內均能有效工作。艙底泵此時用于向舷外排放來自設閘室的進水。當設閘內容物占據空間較大時，向艙底排放的外來海水量估計不會大。

特殊情況下，如果設置設閘逃生裝置的救生艙高度有限制，其頂部設閘室只能傳遞食品和淡水，人員需自主逃生時，事前須向整個艙注水形成氣墊，艙底泵此時無法起作用。

2)在采用快速上浮脫險裝置逃生時，其最大工作深度在國外一般不超過180 m。由于是單人式逃生，向艙底排放的水量和次數較多，該救生艙必須配置艙底泵，同時兼顧首艙魚雷、導彈發射管內疏水的需要。為減少同類設備規格，提高通用性和互換性，宜設置全深度工作的艙底泵。通常該裝置還具備設閘功能;

3)在中央指揮艙頂部設置多人集體漂浮救生艙，能大大提高自救脫險能力。這種干式逃生手段安全、高效和可靠，其鄰近隔艙人員在應急時可向其集結。此時，若進水時有高壓海水在隔艙內形成霧化的影響，以救人為先的原則，可以不考慮在本艙設置艙底泵對本艙或鄰艙進行應急疏水。

或可換用其它隔艙布置艙底泵排出浸水。將艙底泵向尾移至鄰近隔艙安裝后，一來可以騰出空間用于本艙其它重要系統的優化布置，二來它可與均衡系統一起放置在近浮心位置布置，減少吸入管路長度，提高均衡流量性能，解決吸入管路氣蝕問題。

2.2 著力實現艙底污水疏干高效能

我國目前多是盡可能針對一些無熱絕緣的通海系統管路、附件表面，以及內部液艙平面艙壁裸露的表面采取空氣冷凝水防護措施，對部分積水多的部位采用了可移動式污水泵汲水。電動往復式艙底泵即使能干吸、效率高，在水面艦船上也較少采用。艙底疏干采用具有一定自吸能力，且體積和重量較小的離心式泵組，在結構和效率上的優勢是明顯的。美國“鱘魚”級核潛艇上配置5 臺輔助疏干泵，俄羅斯某常規潛艇與R 級潛艇最大的不同就是，艙底疏水改為6 臺小型疏干泵。在后續產品宜居環境設計中，我們認為防止艙底積水仍有優化改進的必要。

1)繼續深入地推行“干艙底設計”理念，開展艙壁與管壁防凝水，艙底積水死區與通道等整體設計，從積水源頭和疏排手段上綜合加以改進;

2)系統須將原先“疏排一體、高低不分”單一設計，改為“疏排分離、噪聲匹配”的分級設計。

主要方法是在每個隔艙采用低功率設計的小揚程(小于0.5 MPa)和小排量(1.5 m3/h)離心式疏干泵，將艙底污水進行收集和駁運至污水艙。離心式疏干泵專門用于增強艙底疏干效果，但并不負責向舷外排放，以盡量回避使用原先功率較大和振動、噪聲難以控制的艙底泵。這一點與歐美國家和俄羅斯后續潛艇在每個隔艙各配置1 臺小型離心疏干泵的設計經驗是相符合的。但需注意的是，小型離心疏干泵對吸入管路的緊密性較為敏感，易由于空氣進入而使其工作中斷，應當盡量防止艙底雜物對支路隔離閥門密封面緊密性的破壞作用。

另外，文獻［1］還提出了適當采取小揚程排污泵，以部分替代原大功率高壓艙底泵排污，并降低排放噪聲的建議，也是值得工程上考慮的設備配置方案。

3)在積水較多的主、輔機艙，設置低壓疏干泵;

4)輔助配置少量1～2 臺的可移動、便攜式汲水裝置。

2.3 適應聲隱身疏水和污水潔凈排放新趨勢

2.3.1 聲隱身疏水

對于高揚程艙底泵，仍要采用往復柱塞式泵組，需適當減小其體積和重量，降低設備自身振動、空氣噪聲，以及管路中流體介質的壓力脈動向艇外傳遞，設備安裝在集成雙層或單層浮筏上。建議采用雙速泵，與相應等級工作深度匹配，并兼顧浮力調整排水備用的需要。

2.3.2 艙底污水潔凈排放

理論計算表明，對于以4～8 kn 低速航行的潛艇，在50～250 m 深度以內，油污上浮滯后距離理論上不超過300～3 000 m，這對于在150～300 m 低空以(300～500)km/h 速度飛行的反潛直升機來說，臨空時間很短［5］。

表1 油污水排放滯后距離/mTab.1 OWW discharging lagged distance/m

因此，艙底污水低壓淺深度排放和高壓大深度排放污水對潛艇航跡隱身的意義不大，在非安全海域航行，白天和能見度良好時，嚴格禁止進行此類操作，采用污水潔凈排放確有必要。

為滿足碼頭海區環保和水下隱蔽航行需求，研究增設潛用小型化污水分離裝置，可自然解決大深度下航跡可能暴露的問題。顯然，如能做到航跡和噪聲兩類隱蔽式排放，則對系統排水速度也可不作過高要求。污水分離裝置主要有利用油、水密度差原理的重力分離法和聚合分離法2 種類型。為增強分離效果，要在分離器中將污水加熱，以加大油、水的密度差和油滴上浮速度，降低水的運動粘度ν (m2/s)和油滴上浮阻力。加熱溫度以40℃～60℃為宜，最高不應超過70℃，防止油滴高溫破碎。采用超濾膜處理也是有效的［6］。

根據某潛艇的理論計算和實際調研，艙底積水量一般在10～20 m3/d。又據有關資料顯示，污水含油濃度700～5 000 ppm 之間［7］(以實際測定值為準)。則污水分離裝置的技術指標傾向于:污水處理量1.5～2 m3/h，排放油量為30 L/d，排放濃度為15 ppm (12 n mile 以內)和100 ppm (公海)。對于連續排污距離(L/nmile)可暫不作要求。

油污水分離設備復雜，維護麻煩，使用時有較多不便［8］。對于潛艇來產，該設備還面臨著設備體體積小型化、重量輕型化和功耗合理化等難題需要進一步深入有效地研究和解決。

3 計算方法

3.1 應急疏水系統估算

作為應急疏水用泵的排量Qe和揚程Pe估算要求如下:

1)在水面狀態下，排干工作時間T 應為排出“隔艙已浸水量Vj+ 艇體或管路破口處自由進水量(Q0× 堵漏工作時間T1)”的總時間;

式中:Qe為應急疏水泵的排量，m3/h;Q0為自由進水流量，m3/h;T為應急排干時間，h;T1為堵漏工作時間，h;Vj為隔艙已浸水量，m3;A為破口面積，A=0.785 × d2，m2;g為重力加速度，m/s2;Cq為流量系數，Cq=Cv×Cs;Cv為流速系數，取0.97;Cs為收縮系數，銳口取0.62，圓口取0.97;u0為進水流速，m/s;h 破口深度，m。

2)不考慮排水前、后的平均吃水變化和縱傾姿態，應急疏水泵的揚程Pe主要考慮克服“舷外淺水背壓壓差Δh+進、出口管路阻力損失R1”。

3.2 艙底疏水系統估算

主要計算內容是驗算系統中最不利點疏水管路阻力損失R2與艙底泵揚程Pb的匹配性。

3.3 隔艙進水流量修正公式

考慮隔艙是否進行供氣頂壓兩種情況。

1)隔艙無壓時，進水流量修正公式［9］:

式中:Q1為進水流量，m3/h;H1為破口深度，m;u1為進水流速，m/s。

2)隔艙有壓時，進水流量修正公式:

式中:Q2為進水流量，m3/h;H2為破口深度，m;u2為進水流速，m/s;Pc為隔艙反壓，，Pa;P1為人工反壓，Pa;Vc為隔艙凈容，m3;ρw為海水密度，kg/m3。

4 結 語

本文通過闡述潛艇疏水系統總體需求和功能要求，力圖較為全面地論述系統設計原則、配置標準和計算方法，并對聲隱身疏水和潔凈排放2個重點發展方向進行了探討。歸納起來的主要結論有:

1)采取“以日常艙底疏水為主、兼顧水上應急疏水和水下應急救生”的設計原則，符合未來作戰使用和技術發展總體趨勢。相關設計規范、標準，以及計算方法需進行適應性修訂;

2)積極推動和落實“疏排分離、噪聲匹配”的分級設計具有強烈的現實意義，技術上可行;

3)開展聲隱身疏水和潔凈排放技術的深入研究，可使得潛艇疏水系統重新煥發生機;

4)疏水系統與其他海水系統集成互聯互通，實現多泵異地協同疏水，可以增強系統活力。

［1］秦子明，汪正清，王曉東，等.艦船生活水處理系統現狀與展望［J］.艦船科學技術，2013，35(3):5－10.QIN Zi-ming，WANG Zheng-qing，WANG Xiao-dong，et al.Status and outlook of living water processing system on naval vessels［J］.Ship Science and Technology，2013，35(3):5－10.

［2］吳始棟.環境友好艦船及其廢物處理技術的進展［J］.艦船科學技術，2005，27(6):99－104.WU Shi-dong.The environmentally friendly ship and progress of its waste treatment techn iques［J］.Ship Science and Technology，2005，27(6):99－104.

［3］United States Environmental Protection Agency，Uniform national discharge standards for vessels of the armed forces.http://unds.bah.com.2011.11.6.

［4］王楠，余棟高，汪國祥，等.潛艇疏水系統分析研究［J］.艦船科學技術，2004，26(S):33－36.WANG Nan，YU Dong-gao，WANG Guo-xiang，et al.The analysis on the drain system in submarine［J］.Ship Science and Technology，2004，26(S):33－36.

［5］眾勰.潛艇基礎知識［M］.北京:國防工業出版社，1985.

［6］韓小波，徐筱欣，董玉海，等.船舶艙底含油污水分離試驗研究［J］.造船技術，2008，3(283):30－32.

［7］姚齊國.旋流技術在船舶油污水分離中的應用［J］.佳木斯大學學報:自然科學版，2008，26(6):770－772.

［8］李國祥，許樂平，尹衍升.船舶含油污水處理新技術探討［J］.中國水運，2012，12(4):123－124.

［9］K.吉克，R.吉克［德］.技術公式手冊［M］.北京:科學出版社，2000:N7.