便攜式管路應(yīng)急處置訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究

劉 輝，李志輝，吳向君，李其修

(海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

近年來，隨著海軍裝備快速發(fā)展和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型建設(shè)，艦艇遂行多樣化軍事任務(wù)和實(shí)戰(zhàn)化演練數(shù)量逐漸增多，遭受損害的概率逐漸增大。由于艦艇管路系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，并且呈多種工質(zhì)、高壓力、大口徑和異型等特點(diǎn)，管路一旦發(fā)生破損和泄漏，若不能及時(shí)有效處置，將會影響裝備和設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，降低艦艇的生命力和戰(zhàn)斗力[1]。

本文設(shè)計(jì)一種便攜式高壓油水和蒸汽發(fā)生訓(xùn)練裝置，用于艦艇部隊(duì)開展管路破損應(yīng)急處置訓(xùn)練，提升艦員的快速處置能力和裝備生命力。訓(xùn)練裝置要求體積小，功能齊全，操作簡單，使用安全，集成高溫高壓蒸汽(0～0.6 MPa)和高壓水(0～2 MPa)。為保證艦艇訓(xùn)練過程中便攜式、小型化的使用需求，實(shí)驗(yàn)裝置采用高壓變頻水泵，爐內(nèi)膽快速加熱系統(tǒng)確保訓(xùn)練過程中油水蒸氣壓力穩(wěn)定，并且連續(xù)可調(diào)，全套裝置采用電子控制，操作簡單，使用便捷。

1 訓(xùn)練裝置的設(shè)計(jì)

1.1 高壓水和蒸汽發(fā)生裝置

整套高壓水和蒸汽發(fā)生裝置(見圖1～圖2)主要包括供水系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、爐內(nèi)膽加熱系統(tǒng)和安全保護(hù)系統(tǒng)。供水系統(tǒng)主要用于保障訓(xùn)練裝置所需的訓(xùn)練管道和鍋爐用水，當(dāng)使用高壓油水管路訓(xùn)練時(shí)，消防水通過管路接口進(jìn)入高壓水泵增壓，以穩(wěn)定的壓力進(jìn)入訓(xùn)練管道；當(dāng)使用蒸汽管路訓(xùn)練時(shí)，消防水通過管路接口進(jìn)入爐內(nèi)膽進(jìn)行快速加熱，并根據(jù)產(chǎn)生蒸汽的消耗量自動補(bǔ)水[2]。高壓水輸出和蒸汽輸出管路屬于獨(dú)立系統(tǒng)，可以獨(dú)立開展訓(xùn)練，也可同時(shí)開展訓(xùn)練。自動控制系統(tǒng)主要控制水泵供水量和爐膽電熱系統(tǒng)加熱時(shí)間。當(dāng)使用高壓油水管路訓(xùn)練時(shí)，用于控制進(jìn)水量和控制輸出水的壓力，確保輸出壓力穩(wěn)定；當(dāng)使用蒸汽管路訓(xùn)練時(shí)，用于控制蒸汽的輸出壓力和溫度，并采用電子液位控制器控制液位高度，確保輸出壓力穩(wěn)定[3-4]。爐內(nèi)膽加熱系統(tǒng)主要用于對爐內(nèi)膽內(nèi)的水快速加熱，產(chǎn)生蒸汽。爐內(nèi)膽加熱系統(tǒng)均采用鍋爐專用無縫鋼管制成，呈細(xì)長直立式。電加熱系統(tǒng)采用的電熱管，由2根不銹鋼電熱管彎曲組合而成，而其表面負(fù)荷在20 W/cm2左右[5-6]。安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置漏電保護(hù)器、強(qiáng)電分離板、電路過載過壓保護(hù)器和蒸汽過壓保護(hù)裝置用于漏電保護(hù)和過壓保護(hù)，并設(shè)有接地安全保護(hù)。

圖1 高壓水和蒸汽發(fā)生裝置正視圖

圖2 高壓水和蒸汽發(fā)生裝置側(cè)視圖

1.2 訓(xùn)練管道系統(tǒng)

訓(xùn)練管道采用模塊化設(shè)計(jì)，包含普通管路和復(fù)雜管路，管路采用法蘭連接，管路尺寸與訓(xùn)練通用管路尺寸相吻合(見圖3)。

根據(jù)訓(xùn)練裝置持續(xù)輸出的0～0.6 MPa蒸汽，0～2.0 MPa的高壓水供訓(xùn)練人員實(shí)施管路應(yīng)急處置訓(xùn)練，訓(xùn)練管道能實(shí)現(xiàn)如下功能。

(1)蒸汽泄漏處置訓(xùn)練。

①普通管路沙眼、裂縫泄漏管路包扎訓(xùn)練；

②彎管接頭沙眼包扎訓(xùn)練；

③法蘭連接處泄漏訓(xùn)練；

④管徑變換接頭泄漏訓(xùn)練。

圖3 模塊化管道訓(xùn)練系統(tǒng)

(2)油水泄漏處置訓(xùn)練。

①普通管路沙眼、裂縫泄漏管路包扎訓(xùn)練；

②彎管接頭沙眼、裂縫、焊縫包扎訓(xùn)練；

③法蘭連接處泄漏包扎訓(xùn)練；

④管徑變換接頭泄漏包扎訓(xùn)練；

⑤空間受限區(qū)域管路泄漏包扎訓(xùn)練；

⑥管路失效跨接訓(xùn)練。

(3)各種管路包扎器材性能測試。

用于新型管路包扎器材的研制、性能試驗(yàn)，對研制和配發(fā)的管路包扎器材的性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，解決配置到艦艇上的器材時(shí)常會出現(xiàn)不可用和實(shí)用性差，甚至部分器材配備時(shí)性能就存在缺陷等問題。

(4)訓(xùn)練成績評定。

通過數(shù)據(jù)記錄和訓(xùn)練評估系統(tǒng)對訓(xùn)練管道的流量、壓力等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測記錄，用于評估訓(xùn)練人員的管路包扎基本技能。

2 訓(xùn)練裝置工作原理

2.1 蒸汽輸出模式

首先將消防水由進(jìn)水口注入高壓水和蒸汽發(fā)生裝置訓(xùn)練裝置內(nèi)，并利用一套自動控制系統(tǒng)來控制水泵向蒸汽發(fā)生器的爐內(nèi)膽注水，確保運(yùn)行過程中液體控制在高、低電極探棒之間，并反饋控制水泵的開啟、關(guān)閉、供水量大小和爐內(nèi)膽加熱時(shí)間[7]。

最高蒸汽壓力由壓力繼電器設(shè)定，隨著蒸汽的不斷輸出，爐內(nèi)膽水位不斷下降，當(dāng)處于低水位與中水位時(shí)，水泵自動補(bǔ)水，當(dāng)處于高水位時(shí)水泵停止補(bǔ)水[8]。同時(shí)爐膽內(nèi)電熱管繼續(xù)加熱，源源不斷產(chǎn)生蒸汽，并輸送到訓(xùn)練管道的破損口，供模擬蒸汽管道破損堵漏訓(xùn)練。面板上部的指針式壓力表即刻顯示蒸汽壓力數(shù)值，流量表顯示破損口即刻的流量數(shù)值，溫度表顯示即刻的溫度，整個(gè)過程均有對應(yīng)的指示燈自動顯示(見圖4)。

2.2 高壓水輸出模式

通過一套自動控制系統(tǒng)切斷通往蒸汽爐內(nèi)膽的供水管道和蒸汽發(fā)生器的相關(guān)電路。利用增壓泵來提高油水的輸出壓力，并通過壓力調(diào)節(jié)閥控制其壓力，輸送到訓(xùn)練管道的破損口，模擬液體壓力管道破損的應(yīng)急處置。面板上部的指針式壓力表即刻顯示輸出壓力的數(shù)值，流量表顯示破損口的即刻流量數(shù)值，整個(gè)過程均有對應(yīng)的指示燈自動顯示(見圖5)。

圖4 便攜式訓(xùn)練裝置實(shí)物圖

圖5 高壓水和蒸汽發(fā)生裝置內(nèi)部管路圖

3 訓(xùn)練裝置性能實(shí)驗(yàn)測試

3.1 蒸汽壓力與蒸汽溫度的關(guān)系

打開訓(xùn)練裝置，設(shè)置裝置的蒸汽輸出壓力從0.1～0.7 MPa，記錄蒸汽在不同壓力條件下的溫度，如圖6所示。從圖6可以看出，蒸汽的溫度隨輸出蒸汽壓力的增大而逐漸升高，并且蒸汽溫度隨蒸汽壓力的變化近似為線性關(guān)系。

3.2 蒸汽產(chǎn)生時(shí)間與水溫之間的關(guān)系

當(dāng)蒸汽輸出壓力設(shè)定為某一定值情況下，蒸汽產(chǎn)生時(shí)間與裝置輸入的水溫有關(guān)，將訓(xùn)練裝置蒸汽輸出壓力分別設(shè)定為0.6 MPa和0.5 MPa，在不同水溫情況下輸出蒸汽達(dá)到設(shè)定壓力的時(shí)間如圖7所示。相同壓力條件下，溫度越高，蒸汽壓力的產(chǎn)生時(shí)間越短，并且蒸汽產(chǎn)生時(shí)間與輸入水溫基本呈線性關(guān)系。

圖6 蒸汽溫度與蒸汽壓力之間的關(guān)系

圖7 蒸汽產(chǎn)生時(shí)間與水溫的關(guān)系

3.3 管路破口大小對蒸汽輸出壓力的影響

在進(jìn)行管路破損應(yīng)急處置訓(xùn)練時(shí)，當(dāng)管路破損泄漏時(shí)，蒸汽的輸出壓力會逐漸降低。若設(shè)定蒸汽的輸出壓力為0.6 MPa，管路破口直徑在0～8 mm變化過程中，蒸汽輸出壓力的變化關(guān)系如圖8所示。通過圖8可知，可以根據(jù)訓(xùn)練需要，通過調(diào)整蒸汽的額定輸出壓力滿足訓(xùn)練壓力需求。

圖8 蒸汽輸出壓力隨破口直徑的變化關(guān)系

3.4 高壓水輸出性能測試

訓(xùn)練管道破口的大小直接影響高壓水的輸出壓力，分別將高壓水的額定輸出壓力設(shè)定為1 MPa和2 MPa，測試訓(xùn)練裝置的運(yùn)行情況如下。

(1)高壓水測試，水溫為15 ℃，關(guān)閉高壓水輸出閥，啟動水泵，水泵在高負(fù)荷狀態(tài)，水壓調(diào)高至2 MPa并保持水壓，連續(xù)1 h，水泵泵體上的溫度42 ℃，水泵密封圈良好，未見異常。

(2)高壓水運(yùn)行，水溫為15 ℃，啟動水泵，水壓調(diào)高至1 MPa，打開輸出閥，高壓水從訓(xùn)練管道破口流出，壓力為0.9 MPa，水泵連續(xù)工作12 h，水泵密封圈良好，未見異常。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種便攜式管路應(yīng)急處置訓(xùn)練裝置，用于產(chǎn)生高壓水和高壓蒸汽滿足艦艇不同類型破損的應(yīng)急處置訓(xùn)練，高壓水和高壓蒸汽的輸出壓力可以通過一套自動控制系統(tǒng)控制，并對整套訓(xùn)練裝置的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，得出結(jié)論如下。

(1)訓(xùn)練裝置可以產(chǎn)生0～2 MPa的高壓水和0～0.6 MPa的蒸汽，并且輸出壓力隨意可調(diào)，確保訓(xùn)練過程中壓力穩(wěn)定，滿足訓(xùn)練裝置使用需求。

(2)蒸汽的溫度隨蒸汽輸出壓力的增大逐漸升高，并且蒸汽溫度與蒸汽壓力的變化近似為線性關(guān)系。

(3)相同壓力條件下，輸入訓(xùn)練裝置的水溫越高，蒸汽壓力的產(chǎn)生時(shí)間越短，并且蒸汽產(chǎn)生時(shí)間與輸入水溫基本呈線性關(guān)系。

(4)管路出現(xiàn)蒸汽泄漏時(shí)，破口輸出壓力隨破口增大而減小，可通過調(diào)整蒸汽額定輸出壓力來滿足管路應(yīng)急處置訓(xùn)練需求。

(5)整套訓(xùn)練裝置性能測試功能正常，工作穩(wěn)定，使用便捷安全可靠，可以滿足現(xiàn)階段所有制式管路應(yīng)急處置訓(xùn)練器材的使用訓(xùn)練。