高水基液壓液管路串洗設備研究

白二亮，許 磊，徐蘇華，彭言峰

（南通遠洋船舶配套有限公司，江蘇南通 226006）

0 引言

以啟東中遠海工建造的浮式生產儲存卸貨平臺（FPSO）“Western Isles”為例，為水下生產控制系統服務的液壓系統管路在制作和安裝過程中不可避免地會有焊渣、油污、塵粒等污染物殘留在管路中，考慮該系統的設計壓力和工作壓力分別為 56.9 MPa和22.8 MPa，這么高工作壓力下任何少許的雜質都會造成系統設備的損壞。所以該液壓管路必須先串洗并達到要求的清潔度才能使用。因為船東要求管路串洗介質需與工作狀態下使用的介質相同或者類似，所以管路的串洗液使用的是船東認可的高水基液壓液（商品名稱為 Pelagic 100[1]）。

目前國內海工船舶建造項目上大多使用的還是常規的液壓油作為流體介質，很少使用高水基液壓液作為液壓系統的工作介質，船廠也很少有正式的水基液壓管路串洗工藝文件。這樣導致船廠先前準備的工藝、設備等都不符合該種液壓液的串洗要求，并造成了循環泵的損壞。所以研究高水基液壓管路的串洗很有必要。

水基液壓液系統的明顯優點是非易燃、不含毒、可生物降解等特性。傳統上水基液壓液系統已經應用到鋼鐵廠煉鐵領域，出于環境成本及建造成本的考慮，水基液壓液開始逐漸更多地應用于海工領域。液壓系統無法避免液壓液的泄漏，該水基液壓液的可其生物降解性降低了也使其環境污染，從環境保護方面成本上為項目的運行節省很多資金投入；水基液壓液可以在系統完成操作功能后，可以直接排海，不用設計液壓液的回路，在建造和設備維護成本上也節省很多。這種液壓液（Pelagic 100）最大操作溫度可達170 ℃，遠大于一般液壓油工作溫度要控制在30 ℃～80 ℃。該水基液壓液主要成分見表1，物理特征見表2。

表1 水基液壓液主要成分

表2 水基液壓液物理特征

圖1 Pelagic 100 粘度對比溫度曲線圖

由該水基液壓液的粘度與溫度曲線圖，可知當其運行在40℃～50℃時，其粘度為2 cST左右，對于串洗泵的選擇有直接影響。

1 建立串洗方案

1.1 串洗液在管道內需達到的狀態

串洗管路材質為不銹鋼，管路尺寸為外徑14 mm，壁厚為2 mm。根據NORSOK（挪威石油工業技術標準）要求，管徑小于DN25的管子，管道中串洗液的雷諾系數需大于4 000[2]，即流體處于湍流狀態。這樣才能運用湍流的液體充分沖刷管道的內壁，使雜質夾裹到串洗液體里并輸送到串洗設備經濾器過濾掉。

1.2 串洗循環泵

根據雷諾系數計算公式[3]，可反推出串洗循環泵的最小流量。

式中：Re為雷諾系數；υ為運動粘度，取2 cST；q為流量，m3/h；d為管道內徑，取10 mm。

取Re為4 000，得出最小流量q為0.22 m3/h。因為該串洗方案也需要用于別的管路系統進行串洗，所以最終選擇的循環泵的流量為0.6 m3/h，相對應的雷諾系數為10 610，流體滿足湍流狀態。根據廠家介紹，該泵的流量可以通過調整泵內斜盤的角度進行調整。

參照 1.3章節串洗管路沿程壓力損失，串洗循環泵的最小揚程需大于1.5 MPa。

理論上離心泵和容積式泵都可以選用，最終選用的是國外進口的容積式泵（柱塞泵），該容積式泵的最大揚程可達6 MPa，以備后期串洗別的管路時需要更高的泵揚程。為避免循環泵下游的串洗管路和其他附件承受超過設計壓力的高壓，泵的出口安裝了可調設定壓力的安全閥。

1.3 串洗管路沿程壓力損失

為連接串洗設備和串洗管路，需布置輔助管（通徑DN25的不銹鋼管）分別連接串洗設備和串洗管路，為減少輔助管路長度和串洗總時間，每次串洗時將 4根串洗管路用輔助管路串聯連接，這樣可以將4根串洗管路設計成1個回路，如圖2所示。按此設計，串洗管路長度約為160 m。

常用壓力管道壓降計算公式[4]為

式中：ΔP為摩擦壓力損失，kPa/m；f為摩擦系數；q為流量，取0.6 m3/h；d為管道內徑，10 mm。

圖2 串洗管路布置

因為串洗液在管道內的雷諾系數為10 610，大于4 000，處于湍流狀態，閥門、彎頭等其他管附件的壓降計算可用阻力系數K[3]計算得出。根據計算得出，整個管路的壓降約為1.5 MPa。

1.4 冷卻系統

水基液壓液本身特性粘度較低，隨著管路串洗的進行，串洗循環泵持續對水基液壓液做功，加之管路內表面與水基液壓液的摩擦，串洗液的溫度會隨之升高，致使其粘度越來越低，其潤滑性會降低，如果低于循環泵對粘度的最低要求（1 cST～3 cST），泵很容易損壞。另外考慮到該串洗工作是在10月份的江蘇省啟東市進行，天氣最高溫度大約27℃，隨著串洗的進行，其溫度可能超過40℃，那時液體的粘度太低，而且揮發出來的氣體對人員的安全極為不利。所以要盡量控制串洗液的溫度不大于30℃，這樣既保證了串洗液粘度在2.8 cST，又降低了有毒氣體的揮發。這樣就需要一套冷卻系統來冷卻串洗液。

泵對串洗液的做功，其中一部分功轉化為了熱量，理論上泵的功率損耗很大部分轉化為了熱量，然后很大部分的熱量傳遞給了串洗液，柱塞泵的有效效率假設為0.85。該泵的水功率由以下計算公式[5]計算：

式中：Ph為柱塞泵的水功率，kW；Δp為柱塞泵的揚程，1.5 MPa；q為泵的流量，取0.6 m3/h。

可得泵的水功率為0.25 kW。

考慮0.85的效率，可得泵的馬達軸功率為0.295 kW。可得大約 0.045 kW 的功率轉化為了串洗液吸收的熱能，即：每小時大約162 kJ（0.045 kW×3 600 s）的熱量傳遞給了串洗液。

由熱量計算公式可計算出每小時串洗液升高的溫度為：

式中：Q為每小時串洗液吸收的熱量，取162 kJ/h；Δt為升高的溫度，℃；Cp為串洗液比熱容，取3.445 kJ/(kg℃)；ρ為串洗液粘度，取1 050 kg/m3；

可得 0.6 m3/h的串洗液經過柱塞泵后溫度增加Δt=0.075℃。

串洗管路總容積可由下面公式計算得到：

式中：Vp為串洗管路容積，m3；l為串洗管路長度，取160 m；d為串洗管路內徑，取0.01 m；

得到Vp為0.013 m3。

由于循環柜里共注入了 8倍串洗管容積的串洗液，即0.104 m3，由式（4）可得串洗液每小時升高的溫度為0.43℃。

經咨詢空調廠家確認，功率為1匹的空調大約制冷量為2.3 kW。從保守設計考慮，該冷媒水模塊安裝了功率為3匹的空調用于串洗液的冷卻。

這套設備在實際應用中表現并不太理想，出現了串洗液溫度達到 44 ℃的情況。該串洗工作在夜晚進行，一方面是考慮高壓串洗工作有一定的危險性，盡量在人少的時候做，降低安全風險。另一方面是考慮晚上環境溫度稍微低些，易于控制串洗液溫度。如果串洗工作在較熱的天氣進行的話，液體溫度會升高更多，串洗液粘度低于循環泵工作范圍，直接導致串洗系統不能使用。所以這套設備在后期可以進一步改進。

經過分析，主要原因為氣體并不是理想的熱載體，其本身的傳熱系數也太小，冷媒水蒸發器無法盡可能多地降低其溫度，同時該氣體又無法盡可能地降低串洗液的溫度。

1.5 清潔度在線傳感器

安裝清潔度在線傳感器是為了時時監控串洗管路的清潔度是否已達到設計標準。顆粒檢測越來越趨向于選用在線檢測，使用方便又不受外界因素干擾，但是設備需要定期進行矯正。不過也可以使用人工取樣和人工檢測。但是由于人員的介入、取樣瓶清潔度、周圍環境等影響因素，可能影響到檢測的準確性。

1.6 串洗設備橇塊

串洗設備被布置在1個集裝箱大小的橇塊里，四周開設了檢修門或者供人進出的可關閉的門，另有串洗液注入接口、串洗液輸送和回流管道接口，電源需從船上接入（見圖3和圖4）。

該串洗設備橇塊包括：冷媒水模塊和管路串洗模塊（圖5）。

圖3 串洗設備橇塊外部

圖4 串洗設備橇塊內部

圖5 串洗設備工作圖

冷媒水模塊包括制冷劑（R410A）、冷媒水壓縮機、空氣冷凝器、膨脹閥和蒸發器等。該模塊利用制冷劑從液態變為氣態的過程中可以吸收周圍環境大量的熱能，從而降低蒸發器周圍空氣的溫度，然后低溫空氣被風機吹動，并經管道被輸送到水基液壓液循環柜里的冷卻盤管，低溫空氣利用循環柜里的盤管與水基液壓液進行熱交換，從而降低水基液壓液的溫度。為了較好地進行熱交換，需要盡量增加盤管在循環柜里的外表面面積。冷氣進氣管布置在循環柜的低點，冷氣出口布置在循環柜的高點。

壓縮機布置在串洗設備橇塊一端，并有可開啟的外窗供散熱。蒸發器盤管布置在密閉的帶有風機的箱子里，并有風管把冷卻后的空氣導向水基液壓液循環柜里的冷卻盤管。

管路串洗模塊包括水基液壓液循環柜、雙聯濾器、溫度計、循環泵、壓力表、安全閥、取樣點、清潔度在線檢測器和流量計等，及其他一些部件（圖5）。

該模塊里的循環泵用于輸送水基液壓液通過需要串洗的管路，并使其返回到循環柜。

安全閥保證管路壓力不超過設定值。安全閥下游的釋放管路連接到循環柜，釋放的液體可以直接回到循環柜。該釋放管路外徑20 mm，壁厚2 mm，長約5 m。假設釋放流量等同于泵的設定流量，即0.6 m3/h。管道壓降大約為0.006 MPa。因為該值不大，可以忽略。若該值較大，則需要設定安全閥設定壓力的時候減去該值，或者增大該段管子的通徑。

循環柜的容積要設計的稍微大點，這是考慮水基液壓液經串洗管路后會在循環柜里產生大量氣泡，雖然氣泡主要在柜子的上部，但是如果循環泵的吸口有吸入氣泡的可能，將會發生泵內運動件咬死的事故，所以要盡量讓泵的吸口遠離柜子里串洗液的上表面。同時船廠要請購足量的水基液壓液，增加串洗液在循環柜中的液面高度，按照經驗一般可以按照串洗管路容積的8倍以上請購。另外，可以優化循環柜的形狀，即增大柜子的高度減少柜子的直徑。

旁通閥及其管路可以實現串洗液的內部自清循環。購買的水基串洗液的清潔度為等級6B-F（清潔度標準SAE AS4059[6]）。當串洗液首次投入到循環柜后，串洗設備先運行自凈模式，以便清理串洗設備自身存在的污染物等雜質。

雙聯濾器分為粗濾器（10 μm）和精濾器（3 μm）。可以選擇前期使用粗濾器，中后期使用精濾器。管路串洗的清潔度可以用清潔度在線檢測器實時記錄，當清潔度達到等級SAE AS 4059 6B-F（表3），并繼續串洗30 min，確認清潔度沒有變化，取樣留存，可以結束串洗工作，樣品送至上海某第三方檢測中心檢測，如果檢測結果不低于等級SAE AS 4059 6B-F，可以確認串洗工作完成。

表3 清潔度表格（粒子數/100 ml）

1.7 人工檢測清潔度

為避免清潔度在線傳感器出現錯誤，現場可以定期取樣并用光學顯微鏡檢測的方式進行初步的清潔度核查，以免出現送檢第三方檢測中心后發現清潔度不達標，而又需第二次串洗，嚴重影響工期并浪費人力財力。

首先用清潔的取樣容器從串洗設備的取樣點收集100 ml的串洗液，并在潔凈的房間里把取樣液里的水除去，余下的顆粒物留在透明的精濾紙上。如圖6所示，因為精濾紙的過濾精度很高，滲水空隙很小，濾水過程很慢，為提高效率，會設置一臺真空泵直接從存水瓶里抽取空氣，即造成存水瓶里有一定的負壓，這樣精濾紙過濾水的效率大大提高。精濾紙上的殘留顆粒即可放在顯微鏡下測量其尺寸大小。

圖6 串洗液樣品除水

顯微鏡下可借助目鏡刻度尺來測量顆粒的大小。首先需要用載物臺微尺（嵌在玻璃片上的長1 mm而分為若干個小格的顯微尺）來校正目鏡刻度尺（嵌在目鏡中的有刻度的玻璃片），用載物臺微尺與目鏡刻度尺的比例確定目鏡刻度尺的每小格代表的測量長度。見圖7所示。

圖7 光學顯微鏡刻度尺校正

工程主管要負責分析水基液壓液的成分及特性，分析串洗管路的布置、管徑及長度，相應的選擇合適的串洗設備，完善串洗工藝，做好串洗工作前期準備。這樣才能保證串洗工作可以在省事、省力和省錢的情況下順利完成。

2 對目前串洗設備的改進建議

根據現場設備使用過程中遇到的問題，概括以下幾個主要改進點：

1）把目前的這種常規的空調冷氣跟液體的熱交換，改為冷媒水直接跟串洗液做熱交換，用傳熱系數大的介質可以充分發揮冷媒模塊的作用，設計出在環境溫度 40 ℃的情況下，控制串洗液運行溫度不超過30 ℃。

2）增加用作化學串洗用的離心泵，增加串洗橇塊的功能。

3）柱塞泵改為液壓隔膜泵，這樣就可以擴大該設備的對串洗液體的適用范圍，甚至可以取消冷媒水模塊。

3 結論

該高水基液壓液串洗模塊的設計和應用滿足了工作需要，其利用冷卻的方式增加液體粘度的思路也是正確的。該方法同樣適用于對傳輸介質粘度有要求的其他設備上。

為增大熱交換效率，可以進一步研究如何增大冷媒水與串洗液的熱交換面積。