JB118海上風(fēng)車安裝平臺(tái)沖樁泵調(diào)試與分析

楊威

摘? ? 要：本文簡(jiǎn)要介紹了JB118海上平臺(tái)沖樁系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)平臺(tái)降船處于水上浮態(tài)時(shí)，沖樁系統(tǒng)從海底門取水時(shí)出現(xiàn)沖樁泵進(jìn)口真空度大、沖樁泵運(yùn)行異常振動(dòng)的現(xiàn)象。為此，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析并提出解決方案，最終調(diào)試成功并通過(guò)驗(yàn)收。

關(guān)鍵詞：沖樁系統(tǒng);沖樁泵;調(diào)試;真空度;振動(dòng)

中圖分類號(hào)：U664.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Commissioning and Analysis of JB118 Jetting Pump for

Windmill Installation Platform

YANG Wei

（ China Merchants Heavy Industry （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 510725 ）

Abstract： This paper introduces the problems of large vacuum degree at the inlet of the jetting pump and abnormal vibration in the operation of the jetting pump occurred when the offshore windmill installation platform is in floating state and jetting piping system draws water from sea chest during the commissioning of the jetting piping system of JB118 platform， and then analyzes the problems and proposes the solutions. Finally， the commissioning is successful and accepted.

Key words： Jetting piping system; Jetting pump; Commissioning; Vacuum degree; Vibration

1? ? ?前言

CMHI-116 JB118海上風(fēng)車安裝平臺(tái)原入ABS船級(jí)社、掛巴哈馬群島船旗，后轉(zhuǎn)入CCS船級(jí)社、掛中國(guó)旗。本平臺(tái)為矩形船體，4根樁腿，配備MSC液壓升降系統(tǒng)的自升式平臺(tái)：主吊機(jī)1 000 t，主要用于北海南部45 m水深范圍內(nèi)的風(fēng)電設(shè)備安裝等海洋工程建設(shè);本平臺(tái)船體總長(zhǎng)75.9 m、 型寬40.0 m、 型深6.0 m、 設(shè)計(jì)吃水4.2 m; 四根圓柱形樁腿，長(zhǎng)度81.55 m、 直徑3.5 m;樁靴長(zhǎng)度7 m、寬度6.8 m、高度2.28 m。

原平臺(tái)未配置沖樁系統(tǒng)，改造增加沖樁系統(tǒng)。海上風(fēng)電安裝平臺(tái)，主要由上部平臺(tái)結(jié)構(gòu)、升降裝置、樁腿、樁靴等組成。平臺(tái)的自重和載荷是通過(guò)樁腿和樁靴插入海底來(lái)承受，以保證平臺(tái)工作時(shí)的穩(wěn)性和安全;當(dāng)某區(qū)域作業(yè)完成后，需要拔起樁腿將平臺(tái)轉(zhuǎn)移到下一個(gè)工作區(qū)域。由于樁靴表面積大，且海泥易吸附在樁靴表面，拔樁的阻力大。為此，風(fēng)電安裝平臺(tái)往往配備一套沖樁系統(tǒng)，以高壓海水沖刷掉樁靴上的泥土，破壞海泥土層對(duì)樁靴的吸附力，減小拔樁阻力，使拔樁順利進(jìn)行。

2? ? 沖樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)

增加的沖樁系統(tǒng)，包括：2臺(tái)沖樁泵（1用1備），為樁靴沖樁系統(tǒng)提供高壓海水進(jìn)行沖樁;沖樁系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用泵的參數(shù)為：流量40 m3/h，壓力為6 Mpa，管路通徑選型隨之匹配。

沖樁系統(tǒng)在正常情況下，從靠右舷DN300的海水總管開(kāi)DN125支管取水，同時(shí)在非常規(guī)狀態(tài)下也能從緩沖艙取水進(jìn)行沖樁;沖樁系統(tǒng)在升樁室頂部布置軟管絞車，軟管纏繞在絞車上，軟管在樁腿頂部與樁腿內(nèi)部沖樁管連接，正常情況軟管不需要拆卸，絞車可以隨著樁腿升降自動(dòng)調(diào)整絞車張力，始終保持軟管有一定恒張力，使軟管不至于太松弛晃蕩幅度太大，同時(shí)也不至于拉力太大導(dǎo)致破斷，最大程度節(jié)省升降樁過(guò)程中需要的人力，見(jiàn)圖1所示。

3? ? 調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題及產(chǎn)生原因

當(dāng)平臺(tái)降船至浮態(tài)，其吃水為3 m左右，而泵的安裝高度距離平臺(tái)的底部基線為2 m，此時(shí)水線高于沖樁泵吸口中心約1 m。沖樁泵從海水總管抽取海水，按離心泵的正常操作流程是先關(guān)閉泵的出口閥門，打開(kāi)泵進(jìn)口管路全部閥門，再打開(kāi)泵進(jìn)口處的放氣旋塞進(jìn)行放氣，待氣全部逸出后啟動(dòng)沖樁泵，再緩慢開(kāi)啟泵出口截止閥，調(diào)整泵運(yùn)行工況點(diǎn)至系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。

在沖樁泵調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)操控泵出口截止閥始終無(wú)法使泵的出口壓力和流量穩(wěn)定并達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。例如，出口閥門由完全關(guān)閉狀態(tài)緩慢打開(kāi)至不到1/4圈，泵組就發(fā)生異常振動(dòng)，而此時(shí)泵的出口壓力立即降至約3.7 Mpa，進(jìn)口真空表讀數(shù)約為-0.07 Mpa，顯示有較大真空度，調(diào)試始終無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，無(wú)法交驗(yàn)。

導(dǎo)致泵組吸入口高真空度出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象 ，并很難通過(guò)調(diào)節(jié)泵出口閥門開(kāi)度使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，其產(chǎn)生原因歸納如下：

（1） 泵組進(jìn)水管堵塞

進(jìn)口管路真空度高，可能是進(jìn)口管路被雜物堵住;進(jìn)口管路上閥門沒(méi)全開(kāi)啟，導(dǎo)致吸口管抽水困難，進(jìn)而抽真空導(dǎo)致高負(fù)壓;

（2） 吸口管路存氣未徹底排放干凈，導(dǎo)致管路內(nèi)為氣和水混合狀態(tài)而出口壓力始終無(wú)法建立;

（3） 沖樁泵吸口的有效汽蝕余量不達(dá)標(biāo)，發(fā)生汽蝕現(xiàn)象導(dǎo)致泵組異常振動(dòng)。

由于設(shè)備供貨期問(wèn)題，選用現(xiàn)貨意大利品牌多級(jí)離心泵，其參數(shù)為：流量123 m3/h、壓力5.3 Mpa、功率315 kW、對(duì)應(yīng)必需汽蝕余量3.8 m。很明顯，泵的額定流量遠(yuǎn)大于管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，導(dǎo)致大泵配小系統(tǒng)。泵的運(yùn)行特性曲線，見(jiàn)圖2。

在圖2中，系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)工況為：點(diǎn)流量40 m3/h、壓頭6 Mpa，在泵的H-Q曲線的最左側(cè)，幾乎是沖樁泵打封閉壓力的工作點(diǎn);調(diào)試中緩慢打開(kāi)泵DN125出口閥，流量快速越過(guò)40 m3/h工作點(diǎn)向右側(cè)偏移，印證了通過(guò)泵的出口閥門是很難調(diào)整到穩(wěn)定流量40 m3/h、壓頭6 Mpa的工作點(diǎn)。

理論計(jì)算在不同流量下泵的有效汽蝕余量和必需汽蝕余量進(jìn)行對(duì)比，分析不同流量下在吸口管路汽蝕發(fā)生的可能性。沖樁泵吸口管路布置，見(jiàn)圖3。

管路的壓力損失，包括管路沿程壓力損失和局部壓力損失，計(jì)算公式如下：

沿程壓力損失計(jì)算公式為：

hf =λ×l×v2? /（D×2 g ）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：λ為沿程阻力系數(shù);l為管道長(zhǎng)度， m;D為管道內(nèi)徑， m;v為平均流速， m/s;g為重力加速度， m/s2。

局部壓力損失計(jì)算公式為：

Hj =ξ×v2 /×2 g? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：ξ為局部阻力系數(shù); v為平均流速， m/s;g為重力加速度， m/s2;

泵的有效汽蝕余量計(jì)算公式如下：

△ha =Hc-He- △Hs-Hv? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中：Hc 為作用在吸入液面的大氣壓力，m;He為吸入液面到基準(zhǔn)面的垂直距離，m;

△Hs為吸入管路的阻力，m;Hv為被輸送液體工作溫度下的飽和蒸汽壓力，m。此時(shí)，沖樁泵的安裝位置處于水線下1 m，故取He =-1 m，查表取Hv=0.24 m。

泵的有效汽蝕余量大于必需汽蝕余量，不會(huì)發(fā)生汽蝕;泵的有效汽蝕余量等于必需汽蝕余量，處于臨界點(diǎn)，汽蝕即將開(kāi)始;泵的有效汽蝕余量小于必需汽蝕余量，發(fā)生汽蝕。

取4個(gè)流量點(diǎn)分別進(jìn)行理論計(jì)算吸口管路的壓力損失，并做汽蝕狀態(tài)的分析，見(jiàn)表1。

由計(jì)算得知，當(dāng)泵出口流量達(dá)到100 m3/h時(shí)，將接近發(fā)生汽蝕現(xiàn)場(chǎng)的臨界點(diǎn);而流量在100 m3/h ～110 m3/h之間某個(gè)點(diǎn)，即開(kāi)始產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。

4? ? ?解決方案

（1）排查吸口管路所有閥門是否能正常完全開(kāi)啟并保持完全開(kāi)啟狀態(tài)，檢查海底門、濾器內(nèi)有無(wú)雜物，排除管路被雜物擁堵的可能;

（2）開(kāi)啟沖樁泵前打開(kāi)濾器上方放氣旋塞，直至放氣結(jié)束并有海水冒出，再持續(xù)10～15 min時(shí)間，確保管路殘存氣體釋放徹底;

（3）沖樁泵為離心泵，其工作特點(diǎn)是樁靴噴嘴被堵住時(shí)，壓力會(huì)達(dá)到6 Mpa， 而一旦沖開(kāi)噴嘴后就不再需要高壓，但仍需一定的流量。泵組電機(jī)功率遠(yuǎn)大于泵組的最大軸功率，在泵組揚(yáng)程降低、流量增大時(shí)，不會(huì)過(guò)載而發(fā)生跳閘現(xiàn)象，唯一需確保的是隨著流量的增大，吸入管路流速增大，其阻力隨之增加導(dǎo)致汽蝕。為此，需要調(diào)整泵的出口閥門開(kāi)度到適當(dāng)流量點(diǎn)并不能大于此開(kāi)度，保證此時(shí)該吸口的真空度不會(huì)導(dǎo)致泵汽蝕，同時(shí)泵的出口流量與壓頭又能滿足沖樁系統(tǒng)的使用。對(duì)比上述理論計(jì)算分析，認(rèn)為泵的出口流量穩(wěn)定在90 m3/h的工作點(diǎn)是符合要求的，而此時(shí)有效汽蝕余量為4.81 m，即吸口真空表真空度為-0.0519 Mpa，出口壓力表對(duì)應(yīng)約為5.7 Mpa。

調(diào)試組基于這一原則，通過(guò)調(diào)節(jié)泵出口閥門開(kāi)度，確保泵的進(jìn)口真空表不大于-0.05 Mpa。按正常運(yùn)行系統(tǒng)啟動(dòng)沖樁泵的正規(guī)流程，然后開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試。

整個(gè)調(diào)試過(guò)程中保持泵運(yùn)行3～5 min，若泵運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)振動(dòng)，數(shù)據(jù)正常，則認(rèn)為沖樁系統(tǒng)正常，滿足使用要求。但船東認(rèn)為調(diào)試中閥門開(kāi)度不大，系統(tǒng)不一定有那么充足流量，于是再利用超聲波流量計(jì)實(shí)測(cè)流量，流量計(jì)安裝在泵出口不遠(yuǎn)的水平管段上。

調(diào)試確定4個(gè)測(cè)試工況點(diǎn)，分別在各種工況下記錄泵進(jìn)出口壓力、閥門開(kāi)度、出口流量、電流及絞車處壓力表壓力。調(diào)試中，泵保持運(yùn)行3～5 min狀態(tài)下測(cè)試的穩(wěn)定流量，泵的運(yùn)行也一直是平穩(wěn)正常無(wú)異常振動(dòng)。

調(diào)試組與船東一起按議定的試驗(yàn)程序完成了試驗(yàn)，泵組運(yùn)行平穩(wěn)，流量正常，標(biāo)定閥門最大開(kāi)度位置，結(jié)果顯示通過(guò)調(diào)節(jié)泵的出口閥開(kāi)度，已使管路阻力曲線與泵組匹配，沖樁泵運(yùn)行正常，至此JB118沖樁泵調(diào)試問(wèn)題得到解決。

5? ? 泵的選型與管路系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)該平臺(tái)沖樁泵及系統(tǒng)運(yùn)行異常的分析與最后進(jìn)行的解決措施，對(duì)泵的選型和管路系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)，可以總結(jié)如下：離心泵是與匹配的管路系統(tǒng)連接起來(lái)工作的，水泵的總揚(yáng)程要滿足系統(tǒng)排水揚(yáng)程的需要，能克服水流在管路中的流動(dòng)阻力，所以離心泵的工作狀況不僅與泵本身的特性有關(guān)，也與匹配的管路特性有關(guān)，見(jiàn)圖4所示。由圖4可知：泵在特定的管路系統(tǒng)中運(yùn)行的狀態(tài)，其揚(yáng)程、流量、效率等性能指標(biāo)都由水泵和管路特性曲線的交點(diǎn)所確定，因此最優(yōu)的管路系統(tǒng)和離心泵的選型設(shè)計(jì)的最大目的，就是保證該水泵工作于最高效率Me點(diǎn)或其附近。

η-Q為水泵效率曲線;H-Q為離心泵揚(yáng)程特性曲線;Hg-Q為管路的特性曲線

當(dāng)選擇的水泵級(jí)數(shù)遠(yuǎn)大于理論計(jì)算級(jí)數(shù)時(shí)，水泵特性即由理論計(jì)算的特性曲線水平向上移動(dòng)，并且水泵的效率曲線的最高效率點(diǎn)也隨之向右側(cè)移動(dòng)，此時(shí)如果管路要匹配泵的最高效率點(diǎn)運(yùn)行，在保持管路最佳經(jīng)濟(jì)流速的原則下，選取的管徑等級(jí)也要大于理論計(jì)算管徑，并且在生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中吸口管路盡量不要太長(zhǎng)，彎頭附件保持最少，這樣就能保證吸口管路管路阻力不會(huì)太大而導(dǎo)致汽蝕，同時(shí)保證泵出口管路流量可調(diào)。但是也要避免盲目增大管道規(guī)格，以免引起的水泵設(shè)備初期投資增大和運(yùn)轉(zhuǎn)效率偏低。

6? ? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)該平臺(tái)的沖樁系統(tǒng)調(diào)試，在泵設(shè)備選型設(shè)計(jì)中，管路系統(tǒng)要根據(jù)泵的額定工作點(diǎn)選擇合適管徑去匹配。一般泵進(jìn)出口配套管路規(guī)格應(yīng)在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上向大一些方向選取，減少吸口管路的阻力，提高抗汽蝕能力;同時(shí)出口管通過(guò)閥門調(diào)節(jié)能很容易使泵在額定工況點(diǎn)運(yùn)行，泵一直處于高效率區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)，損耗減少，泵的過(guò)流部件使用壽命也相對(duì)較長(zhǎng)，節(jié)約了生產(chǎn)成本，也使得管路系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠。

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