浮船塢調載系統故障分析

陸祥

(啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226200)

國內某大型船舶修理與改裝企業在1991年投產的15萬t級大型浮船塢，共對稱布置有8只船塢浮艙，每個浮艙調載主要通過對應1臺長傳動軸驅動的分離式水泵排水單元及相應管系來完成。浮船塢使用初期即發生了浮船塢排水系統中的NO.7排水泵殼體在運行過程中破裂。水泵安裝單位進行了技術商討，認為其他同類型的排水系統運行正常，懷疑是安裝不當造成，即重新確定技術方案、訂購原廠同型號新排水泵，安排人員再次進行安裝、調試并運行。運行近1年，此位置排水泵在運行過程中再次發生殼體破裂。因當時存在無法從根源上排除此技術工藝故障、重新選型布管又十分困難等原因，改由相鄰艙室的NO.8排水泵通過閥門控制來同時負責左右對稱的NO.7、NO.8艙2個浮艙的調載任務，相關原理見圖1。通過主排水管上控制閥的開/關次序來實現對NO.7浮艙內水的排放。這使得NO.8水泵同時承擔原NO.8及NO.7水泵的排水量，造成NO.7、NO.8浮艙排水時間比原設計延長1倍，浮船塢排水系統長期處于帶缺陷、超負荷運行狀態。

圖1 NO.7、NO.8浮艙泵、管系布置示意

隨著浮船塢使用年限的增長，管理部門急切希望能恢復NO.7排水系統，恢復浮船塢調載能力，以提升浮船塢安全運行能力和浮船塢排水抬船效率，在使用安全性與經濟性方面得到改善。

2017年，公司對浮船塢進行安全運行狀況評估，如果NO.8排水泵發生故障將會造成2個浮艙無法調載。為了控制運行安全風險、提高抬船作業效率，特成立專題攻關小組，以恢復NO.7排水泵的排水調載功能。

1 故障分析

1.1 原浮船塢排水單元安裝介紹

此浮船塢共有8只左右舷對稱布置的獨立浮艙，每只浮艙都配備1套由排水泵、電機及傳動軸組成的排水單元、電液式閥門遙控系統控制的閥門[1]及管路系統，左右舷對稱的排水單元通過連通管系進行聯接、既可單獨運行亦可通過遙控閥門實現并聯運行，當1臺水泵無法工作時，相鄰浮艙的水泵可備用運行[2]。排水單元系統由主排水泵、驅動電機、長傳動軸、控制閥，以及管系等組成的分離式長傳動軸水泵排水單元，見圖2。水泵進口端通徑為ND800 mm，安裝于浮艙內；動力端電機安裝于浮船塢邊干艙機房內；傳動軸系總長10 680 mm，分4段分別穿過干艙機房、邊深艙、主浮艙。水泵與電機通過由4段組成的傳動軸系進行聯接并實現動力傳輸。

圖2 浮船塢原排水單元安裝示意

1.2 造成NO.7排水泵殼體破裂故障原因

專題攻關小組對連續性發生泵殼破損因素進行理論分析，認為產生泵殼損壞的主要原因如下。

1)浮船塢頻繁進出塢抬船，各艙排水不均衡使塢產生中拱中垂、扭曲變形。大型浮船塢的尺寸為58 m×280 m，在水面當進行調載時，塢體結構在橫向及縱向產生彈性變形是必然現象。

2)排水抬塢過程中，由于塢底板承載塢內所抬船舶重量，塢中部承受塢墩傳遞的向下壓力、水艙承受水的向上浮力，在此二力作用下，浮船塢在左右方向也會產生中垂，邊深艙相對于塢甲板產生撓曲，使得位于塢墻高位的機房相對于深艙產生內傾，造成位于機房及邊艙的傳動軸與安裝于深艙底部的水泵之間的垂直度產生偏差，當傳動軸旋轉時對泵殼產生沖擊力。

3)浮船塢浮力穩定時，不同區域受有載荷變化時，塢體結構也會在外力作用下變形。塢吊吊運重物時在塢墻上行走，其位置變動對塢體結構產生彈性變形。

4)NO.7浮艙位置區域處于船塢艏端部，較其他位置區域受變形影響大。

5)分離式水泵排水單元，由于水泵與電機間距離超長(超過10 m)，安裝長軸對變形控制的要求較高，不易滿足。浮船塢受多種多種變形疊加時，引起長傳動軸聯接內應力集中，運行時應力通過軸傳導到泵殼上并超出泵殼強度。

6)水泵運行時，NO.7浮艙位置區域結構與傳動軸運轉產生共振，泵殼受到額外附加的轉動部分撞擊和向心力而損壞。

7)軸系轉動時扭振的影響。

8)進出口連接管安裝時存在內應力集中，無法消除。

9)其他種類因素。

2 可行的恢復方案選擇

經排查考慮，選擇的恢復方案集中在A、B二類。

方案A:繼續沿用原長傳動軸驅動的分離式水泵排水單元方案。通過故障分析可知，浮船塢受力多變，變形量測量不易[3]，造成原水泵損壞的因素復雜、應力消除成本高、施工不易，原方案安裝已失敗二次，再次選擇風險很大，應予避免。

方案B：技改選用一體臥式潛水泵排水單元方案。一體式潛水泵單元使泵與電機組合成一體，沒有長傳動軸，可以規避現實存在多種變形產生軸系應力的不利因素，只要解決好安裝位置、動能傳輸、流量匹配等問題就能實施，優選此方案。

綜合對比，決定選用方案B。電機與水泵直接連接的整體式水泵單元，安裝到浮船塢壓載艙的NO.7泵位，可有效避讓掉浮船塢變形、長軸系共振等不利因素。綜上考慮，新泵結構形式既要短軸整體式，又要滿足在現有管路可聯、直接工作于壓載水艙的實際環境，潛水泵結構滿足上述條件。當前市場上大型潛水型混流、軸流泵已發展成熟，尋找匹配的型號可以滿足使用要求。

3 選擇水泵單元的可行性調研

進口通徑800 mm、排水量4 000 m3/h左右的大型水泵生產廠家的尋找[4]。基于快速高效解決問題因素，優先在國內廠家中進行比對查找。通過市場調研、考察、對比，最終確定選型天津××泵業生產的潛水式混流泵，其優點：外形尺寸小，沒有過渡傳動軸，整體尺寸滿足現場安裝對接進排水管出口實際，可以直接改裝直角式進出，符合長期在水艙中使用的要求，額定使用電流不超出現有供電電纜載荷，到現場通過潛水電纜傳輸電力能源，技術參數和安裝工藝條件均能方便實施。

技術參數復核對比結果見表1。

4 安裝實施工藝要點

選擇確定好故障糾正方案后，專題小組借鑒半潛式鉆井平臺新型壓載系統部分思路[5]，對施工要素進行了策劃，見圖3。在編制施工策劃時，參考水泵安裝工程施工及驗收規范[6]、借鑒大型混流潛水電泵的安裝方案進行方案編制。

圖3 新排水泵系統安裝示意

一體臥式潛水泵單元安裝注意要點。

1)原管道高度優先原則。浮艙管道直徑800 mm，壁厚16 mm，靠法蘭連接，彈性接頭少，縱向橫向和高度調整余地都很小，改動施工難度大，以原管道高度為安裝基準來考慮潛水泵單元安裝底座較有利。安裝水泵的附加隔層底座應在車間進行預制、完成涂層保護后進艙安裝。

2)進口端接口在車間預制配套的法蘭短接管，保證短接管能與老管道及新水泵單元可靠剛性聯接，出口端接口法蘭短管在現場焊接配套，保證一次到位，并另加短接彈性管，保證出口端柔性連接，能承受少許變形和運行振動。注意管子內應力的消除工作，防止大的安裝應力傳遞到泵殼。

3)進入浮艙的新水泵單元在體積、重量上較原單元大，應選擇在NO.7浮艙頂板靠近水泵單元安裝位置區域開設工藝孔，以提高作業效率及降低安全風險。

4)材料選擇。

(1)潛水電纜出艙處配套適應變形和水密要求的新型電纜密封件。

(2)預制新泵支架基礎與老泵底座的中間連接隔層底座，現場定高度后，取出在車間預制；底座安裝孔與老底座現場配鉆。

(3)出口法蘭彈性短接，檢查清潔原遺留舊件，確認可用。

(4)用鍍鋅管件和網板，新裝配套檢修巡查防護走道和欄桿。

(5)新設計制作所裝艙室頂板上新泵檢修所用吊裝孔蓋和水密。

(6)潛水電纜與相鄰結構件用軟墊夾層固定保護，防止運行振動破損。

5)潛水電纜防燒焊燙傷和磨損破皮保護。

6)施工、調試安全要點。通風、照明、防滑、吊運校核、涂層防腐恢復；現場泵殼開孔燒焊出口短管，根據焊接WPS實施焊接。

7)調試測量與記錄要點。三相電纜相間及對船體絕緣檢測與記錄，振動測量與記錄，運行溫度測量與記錄，電流變化測量與記錄、進出口和焊接縫處查漏捉漏。

5 技改恢復后的運行實效

在NO.7泵位安裝了臥式潛水整體式水泵單元以后，此浮船塢的排水系統運行良好，NO.7/8浮艙排水由前期的1臺恢復到2臺排水水泵，排水時間縮短了45%，2年來運行平穩，沒有發生過故障報警，替換取得成功。

6 結論

浮船塢要保證安全運行，各艙的調載系統必須具有備用運行方案，且發生故障時須盡早恢復。在早期浮船塢、海洋平臺等水艙調載系統建設中，受當時生產技術限制，普遍采用電機通過長傳動軸把動能傳遞到安裝于水艙內的水泵進行調載。現今的潛水整體式電機水泵單元制造技術已非常成熟，本文調載系統技改案例的成功實施，驗證了浮船塢調載系統故障選用潛水型電機水泵一體化單元進行替代的有效性，無論是在安裝便利性、費用成本控制方面，還是在維護保養、運行中應對各類外部環境變化等方面，優勢明顯。