一種超高壓泵機組的設計思路

王建強

(南通中遠海運船務工程有限公司，江蘇 南通 226006)

近年來我國承接了全球近70%的修船工程量，中國修船能力升級，大型船舶改裝能力明顯提升，加之修船價格上的競爭力，基本具備成為世界修船中心的硬件條件。但是，修船業被視為傳統的“3D”(Dangerous、Difficult、Dirty)行業，特別是噴砂作業帶來的大量粉塵被常年詬病。

曾經出現過長江沿岸一家修船企業的除銹垃圾直接落江事件，該事件引起了政府的高度關注，長江經濟帶上的多個省市開展了針對修船行業的環保整改工作。中國修船行業的綠色轉型勢在必行。

目前，國內以舟山萬邦永躍船舶修造有限公司為首的企業在超高壓水船殼表面預處理方面通過引進設備等方法已經取得一定的成效，已經基本取代了傳統的噴砂作業，應用船舶已累計超過300艘。

要想用超高壓水除銹取代傳統噴砂作業，就必須開展超高壓水射流綠色除銹成套裝備和標準研究，解決超高壓水射流除銹成套裝備配套研發，解決設備“卡脖子”的問題，才能提升我國綠色修船技術水平，加速我國船舶修理行業的轉型升級，徹底根治船舶修理除銹施工現場粉塵，實現企業發展與社會自然的友好融合。

1 綠色修船表面處理工藝技術主要類型

修船過程中的表面處理工藝技術主要有以下幾種：高壓水射流除銹、冰粒子除銹，以及激光除銹等。

高壓水射流除銹分為純高壓水和磨料射流除銹。

1.1 超高壓水射流除銹

超高壓水射流除銹是將普通自來水通過高壓泵進行加壓，然后通過特殊的噴嘴，以極高的速度(200～500 m/s)噴出能量高度集中的水流進行除銹，經過霧化以后還可以有效降低粉塵濃度，是一種非常環保的方法，該技術在對除銹后的污水進行相關處理后不會對環境造成污染[2]，見圖1。

圖1 超高壓水射流除銹

1.2 磨料水射流除銹

磨料水射流是在高壓水中加入磨料，混合形成的介質射流，利用由噴嘴小孔高速噴出只需要30～50 MPa即可達到除銹的目的，除銹后,細磨料與物面碰撞為粉末，便于隨水流排放而不沿積[1]。

1.3 激光除銹

激光除銹指利用激光的高能量、集中性高的特點，通過激光照射，使得污垢、氧化皮、銹斑、有機涂層等吸收激光能量后，以熔化、氣化揮發、瞬間受熱膨脹并被蒸氣帶動脫離基體表面，從而達到凈化基體表面目的的除銹方法。

1.4 冰粒噴射除銹

采用低溫冰粒噴射取代噴砂，是利用冰粒直接噴射以達到清洗、脫漆，以及除銹等目的。

相比較而言，高壓水射流除銹從操作角度和適用性角度來看，更適合綠色修船。高壓水射流除銹的關鍵點就在高壓泵機組。

2 綠色修船用超高壓泵機組研制

2.1 超高壓泵機組的整體設計

超高壓水射流除銹工藝的工況特點是超高壓大流量，超高速度(200～500 m/s)，超高壓泵液力端過流部件關鍵結構尺寸及運動參數需要與射流工況進行相應匹配，以實現超高壓泵液力端及相關部件的整體布局及同等零部件長壽命的詳細整體設計，其中需要解決的關鍵問題有以下幾個難點問題。

1)超高壓泵承壓部件可靠性及使用壽命問題。

2)超高壓往復泵間隙與填料組合密封結構、往復密封冷卻潤滑結構，并對密封材料選型。

3)超高壓泵進排液閥組的安裝、維護，以及修復技術問題。

4)解決超高壓泵機組全程作業的無極控制，以無級調壓與控制為內容的系統控制，集信息采集、處理、反饋、調節于一體，通過人機對話界面實現成套裝備的變工況集中控制與調節。

2.2 需要解決的技術問題

通過分析超高壓水的流場動力特性，找出超高壓工況下水介質的壓縮性、破壞性對超高壓泵過流部件結構設計的影響。針對超高壓水射流除銹工藝超高壓大流量的工況特點，開展與水射流工況匹配的超高壓泵液力端中高壓缸體、超高壓柱塞、密封副、進排液閥組等過流部件關鍵結構尺寸及運動參數的設計，進行超高壓泵液力端及相關部件的整體布局分析及同等零部件長壽命的詳細整體設計。

2.3 技術方案

設定超高壓泵機組排出壓力300 MPa、流量52 L/min的射流工況，采取理論分析和數值模擬計算相結合的方法，分析設計工況參數的超高壓水流態及流動特性，找出不同過流通徑下的超高壓水壓力損失變化規律。

描述能量損失的伯努利方程為

(1)

式中：v1、v2為管道內水流速，m/s；p1、p2為管道內水壓力，MPa；ρ為水密度，kg/m3；g為重力加速度；h為理論能量損失。

光滑管湍流超高壓水射流泵組的能量損失h1可以描述為

(2)

式中：l為管道長度，m；D為管道內徑，m；v為管道內水流速，m/s。

通過理論計算和高壓流體模擬試驗，通過對300 MPa超高壓工況下水介質的壓縮性的特性分析，分析其對超高壓泵的高壓缸體容積設計、高壓柱塞往復運動參數調整等方面的影響。

液力端作為超高壓泵產生水射流工況的核心結構，主要由多組的進排液閥、高壓缸體、高壓柱塞等關鍵部件構成。依據前述設定的300 MPa超高壓水流體特性核算，以超高壓泵設計的理論流量參數為目標，確定液力端中進排液閥組、高壓缸體、高壓柱塞等關鍵部件的相互關聯、材料與工藝、量化主參數。借助已有高壓泵及液力端的系列化開發經驗，結合超高壓泵的額定壓力參數，設計高壓柱塞的直徑參數和設定較低的高壓柱塞往復次數，把柱塞線速度降到近許用值，再根據一組高壓缸體等過流部件輸送的理論流量，設計高壓柱塞的行程和高壓缸體的有效容積；針對每組進排液閥組，根據超高壓流體特性確定閥組的過流通徑和設計閥芯的升程。

2.4 超高壓泵承壓部件可靠性及延壽

300 MPa、52 L/min超高壓泵承壓部件的強度校核，根據彈性理論，應當采用拉美公式計算，計算周向應力σt，徑向應力σr和軸向應力σx，見圖2。

圖2 超高壓泵承壓部件受力示意

(3)

式中：pi為內壓；p0為外壓；Di為內徑；D0為外徑。

通過相關計算可以得出徑比K曲線見圖3。

圖3 徑比K值曲線

表1為C.L.Kobrin按照國際標準材料強度的分級。

表1 材料強度分級

根據相應的計算對材料進行針對性的選型，對于超高強度鋼，必須經過特殊的熱處理工藝后(固溶和時效)，才能達到最大的抗拉強度及表面硬度。根據零件的工作狀況，確定合適的熱處理方法和工藝參數，以保證部件的可靠性并延長使用壽命[2]。

對于熱處理方法，可引入激光淬火技術，通過對激光功率、激光束掃描方式與速度、光束尺寸與關鍵結構件/密封件表面耐磨性提升的相關性的分析；通過激光合金化改性技術，開展合金化材料與基體材料的匹配、基體與組元的選擇、合金化程度的控制、合金化層裂紋的控制、改性層不平整度控制和表面波紋的控制等方面的攻關，使材料實現高性能表層改性，達到零件成本與工件性能的最佳結合，實現延長承壓部件的使用壽命。

2.5 超高壓泵的往復密封技術

超高壓泵可靠運行的關鍵之一是超高壓往復動密封。針對300 MPa超高壓往復密封，以一級浮動套筒間隙密封和二級填料密封相結合的往復動密封結構為基礎，使高壓流體經過套筒間隙節流降壓，利用套筒內外部壓差使得套筒彈性變形，以形成“難以加工的間隙”，使得柱塞與套筒間處于水膜狀態，形成穩態壓力降，否則會使密封副相互抱死。進而對降壓后的流量利用填料阻止密封泄露。

采用整體硬質合金制造的柱塞，優點是整體硬度高，材料均勻密實等，但是材料脆硬，加工困難，故需要采取模擬計算和試驗相結合的方法，確定浮動套筒的材料、結構、變形量及所受超高壓工況等因素與形成液膜之間的關系，找出柱塞的硬化與韌性、對中與浮動、調節與偏差等矛盾關系，分析填料往復密封尺寸、高壓柱塞往復線速度等參數對往復密封效果的影響。

柱塞速度過高，密封副摩擦生熱，形成不流動的水膜，很快就會抱死；速度過低，液力端行程長、尺寸大，而且排出端的壓力脈也大。

(4)

式中：Vm為活塞(柱塞)平均速度，m/s；S為活塞(柱塞)行程長度,m；n為泵速，r/min。

經驗表明，Vm取值范圍為0.2～0.25 m/s，這樣泵速n最好在130～150 r/min，且以小值為好[3]。

2.6 超高壓泵進排液閥組的設計與制造

根據進排液閥的受力及升程等技術指標，綜合考慮進排液閥的結構及自重，解決與閥芯導向配合的閥簧直徑、壓縮長度及有效圈數等參數與進排液閥啟閉靈敏性的影響問題，開展閥簧的材料選型及制造工藝探索，確保閥芯及閥簧的靈敏動作和降低出現閥芯卡澀的情況。針對每套進排液閥組中的閥芯與閥座，材質選用具有高強度、良好韌性及耐蝕性的硬化不銹鋼，采用配對制造和配合使用，應用特殊處理工藝實現閥芯、閥座密封面適當硬度差，保證進排液閥組的可靠密封。

2.7 無級控制超高壓泵機組的全程作業

超高壓泵機組控制系統的技術路線有恒速控制和恒壓控制兩種方式。恒速控制方式下，通過人機界面設定或更改變頻器輸出頻率，使超高壓泵在一定的頻率下恒速運行，保持恒定的流量和壓力。恒壓控制方式下，通過人機界面設定和更改高壓泵輸出壓力，由控制軟件調節變頻器的輸出頻率，使壓力達到設定的壓力值，并使超高壓泵自動保持在設定壓力下運行。恒速控制為開環控制，而恒壓控制為閉環控制。以變頻調速控制為核心，控制系統通過在泵機組的各監測點設置的壓力變送器、溫度變送器、壓差開關、液位開關等檢測元件監控泵機組的運行狀態，實時進行故障報警和保護。

2.8 超高壓泵機組長周期安全運行

針對提升超高壓泵機組安全性的技術要求，確定超高壓泵的輸出水壓、吸入水壓、往復密封潤滑、動力端油壓及油溫等關鍵狀態參數的特征安全參量合理范圍，設計關鍵狀態參數檢測接口和完成相應的傳感器選型，研發超高壓控制閥等超高壓泵機組的安全保護裝置，確定關鍵狀態參數報警條件下超高壓泵機組安全保護裝置的響應機制，制定超高壓泵機組關鍵狀態參數的檢測監測、信號輸送，以及反饋保護的控制邏輯。

3 結論

如何降低修船過程中對環境的影響，淘汰落后的打砂工藝，技術變革勢在必行，設備的研發和改進則是實現綠色修船的有力技術保障。幾種除銹方式相比較而言，超高壓水射流除銹更適合修船企業，而超高壓水射流除銹設備主體部件-超壓泵體中的承壓部件壽命、柱速與密封是關鍵工藝難點，基于對部件的可靠性及使用壽命考量，對于材料的選型、材料工藝處理方法的選擇都提出了更高的要求。本文的設計思路和方法，為相關設計提供參考。