盾構機循環水系統換熱效率的探討

趙海罷

摘要：在盾構機的使用過程中，盾構機所使用的換熱器由于機械故障造成換熱效率下降影響機械使用，是目前較為普遍的問題。本文為了能夠提升盾構機的換熱效率，對某品牌盾構機的換熱器故障進行了分析，并結合了循環水系統的節能設計，實現了盾構機換熱效率的提升。

關鍵詞：盾構機；循環水系統；換熱效率；節能設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.023

0前言

在地下隧道的施工當中，復雜的地質和地形、較高的地下水位等都會對工程施工安全產生威脅，因此在目前的施工機械選擇中，多數施工團隊都會選擇盾構機進行隧道施工。在盾構機使用過程中，掘進需要將熱量和用水吸收，因此其換熱效率和節能要求尤其重要，需要相關設計者認真對待。

1盾構機內循環水故障和換熱效率提升

（1）故障現象。本文所調查研究的盾構機是國外著名品牌海瑞克所生產的s系列盾構機產品，在盾構機結構當中，通過齒輪箱的換熱器來進行換熱。故障發生時，工作人員檢查發現，在盾構機當中，刀盤驅動的齒輪箱開始嚴重漏油，同時，齒輪箱的油位較正常油位標準高出了0.9m，油色呈現出乳白色，同時與齒輪箱相連接的換熱器已經停止工作。

（2）原因分析。S系列的盾構機在運行的過程中，會通過刀盤運轉形成熱量，為了保證機械對于熱量的控制能夠在合理的范圍內，在設計之初，設計師即將水冷換熱器加裝于刀盤驅動系統當中，并對齒輪油進行冷卻。因此換熱器需要具備四個通道，分別為進油、出油、進水、出水。其中，進油通道和出油通道利用圓形銅管與換熱器相連接，銅管內部負責齒輪油的傳送。銅管的外側則是冷卻水的通道，冷卻水從進水通道流入換熱器中，再從排水通道排出，通過固定壓力實現循環，從而帶走齒輪油所產生的熱量。

結合這一原理可以對故障形成進行判斷。由于故障現象當中油色呈現出乳白色，則可以斷定發生了油水的混合，表明有冷卻水流入齒輪箱。因此可以推測，由于內循環冷卻水的長時間使用，并且冷卻水不是除鹽水或凝結水，導致銅管內壁遭受到腐蝕，最終導致銹透造成管道破裂，使換熱器發生損壞。除此之外，管道線路接通錯誤，也有可能造成進出水管道連接失敗，使換熱器內部壓力增加，管壁憋漏，造成損壞。

（3）故障排查。在對相關人員進行咨詢后，工作人員對冷卻水進行了檢查，發現冷卻水選用為合格水品，循環水狀態較為清澈，表明第一種推測原因可以被排除。故障排查工作轉入第二種故障推測當中。在對所有管路進行詳細檢查后，發現換熱器所使用的冷卻水管路出現了接通錯誤，其中將進水通道和出水通道都接入了進水管當中。該型號的S系列盾構機內循環水的固定壓力為5Pa，隨著接通錯誤，壓力會在水管當中逐漸升高，最終造成管路破裂。冷卻水在壓力的作用下，流入齒輪油管路中，使齒輪油液面升高，并與油混合形成乳白色液體。為了能夠使盾構機恢復工作，本文首先將主驅動齒輪箱當中的舊油排出，再認真清洗箱體，選用新的換熱器，重新安裝，保證水油管路的連接正確，加入新齒輪油，重新啟動，機器恢復正常，換熱效率得到了保障。

2盾構機外循環水系統節能設計

作為內循環水系統的代表，S系列盾構機在使用過程中，換熱器損壞較為普遍，通過更換換熱器的方式保證盾構機運行過程中的換熱效率，治標不治本。為了能夠從根本解決換熱器問題，本文從節能需求角度，設計了外循環水系統，保障換熱器的正常運行，提升換熱效率。

（1）水質和管路選擇。與前文的內循環水系統不同，外循環水系統為開放設計，水在與大氣進行接觸后，進入到循環水當中，通過水箱、水泵、氣壓罐的共同作用，在盾構機換熱器外完成循環。但是在循環過程中，冷卻水會與微生物、灰塵等發生接觸，因此對水質和管路的要求也就更高。水質方面，為了保證循環水的要求，一般要求流體溫度不超過25℃，水壓不低于0.3MPa，總硬度小于11°，pH值呈中性，在6-8之間。此外，碳酸鹽硬度、非碳酸鹽硬度、酸堿基團、微量元素含量等也都有具體要求。管路方面，通過計算，為了保證循環水能夠起到冷卻作用，外循環水量需要為每小時25m³，其最小壓力為0.3MPa，傳統銅管無法承受這一壓力，會出現泄漏損失，造成損壞，因此本文選擇DN80冷拔無縫鋼管作為外循環管路的選型。

（2）水泵設計。在盾構機的使用過程中，水泵需要進行連續運行，為了保證運行質量，本文選用三臺水泵供水方案，避免一臺水泵損壞造成停機。在水泵的系統設計中需要包含三個部分，分別為水泵機組、控制柜、官網疊壓控制系統。其中水泵機組需要根據實際的盾構機選擇揚程、轉速、流量等數據，控制柜為了適應操作，需要具備手動控制和自動控制兩種控制方式，并且需要實現多恒壓的出口變壓控制。本文在經過對盾構機的計算后，測定其揚程為130m，流量為25m³/h，因此選用由上海某公司所生產的KQD型號水泵，三臺水泵組成機組，其中兩臺作為主泵設備，一臺備用。同時選用了同由該公司生產的KQK型控制柜，該型號控制柜的液晶顯示屏除了能夠對短路、過載、缺相等信息進行分析和顯示，還具備報警功能。

官網疊壓控制系統為智能控制系統，包括多個組成部分，其中有：變頻器負責調解頻率、PID調節器負責微積分模擬運算，傳感接收器負責水壓模擬信號處理、中間繼電器幫助信號完成放大、指示燈可以利用冷光源顯示當前系統的實時狀態、保護斷路器則需要在系統發生如短路、缺相故障時，通過短路完成系統保護。通過完成的循環方案，可以保證外循環水系統能夠實現智能化的控制，提升換熱效率。

3結論

換熱效率是盾構機在工作過程中的安全保證，同時也是提升施工工人人身安全的重要前提。就目前來說，內循環水系統在盾構機的換熱器當中較為普遍，但是其弊端也同樣明顯。外循環水系統可以通過智能化的設計來使換熱效率得到保證，實現智能控制，值得引進和推廣。