導(dǎo)讀

　　船舶箱式冷卻器(以下簡(jiǎn)稱“箱冷”)是一種直接安裝在海水箱中的船舶冷卻器，相比其他類型冷卻器，省去了海水開式循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的海水泵、濾器、海水管路和閥件等，能有效節(jié)省機(jī)艙空間和電站功率，起到節(jié)能減排的作用。

　　此外，箱冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易維護(hù)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了船舶所有人的青睞。

　　然而，箱冷在安裝和使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種問題，易給船舶所有人和船廠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

　　盧鋒[1]對(duì)箱冷管束防腐和生物防污進(jìn)行了分析。

　　張濤[2]對(duì)某箱冷海生物防治系統(tǒng)易發(fā)生的故障進(jìn)行了分析，并給出了解決方案。

　　由已有研究可知，目前針對(duì)箱冷故障的研究以海生物防污系統(tǒng)為主，缺乏對(duì)箱冷故障的全面分析。

　　本文針對(duì)箱冷在安裝和使用過(guò)程中易出現(xiàn)的問題，對(duì)箱冷故障進(jìn)行系統(tǒng)性分類總結(jié);

　　同時(shí)，以某20000T轉(zhuǎn)載駁為例，對(duì)船廠發(fā)現(xiàn)的箱冷泄漏問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)解決方法，避免后續(xù)船舶出現(xiàn)同類問題，減少船廠和船舶所有人的損失。

　　一、箱冷原理

　　箱冷主要有箱式龍骨夾腔式箱冷和舷外獨(dú)立箱式箱冷2種[3-5]，其中：箱式龍骨夾腔式箱冷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和易施工等優(yōu)點(diǎn)，但其冷卻效率較低，受龍骨結(jié)構(gòu)的限制，適用于單機(jī)功率小且具有獨(dú)立箱式龍骨結(jié)構(gòu)的船舶;

　　舷外獨(dú)立箱式箱冷結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但其換熱效率遠(yuǎn)高于箱式龍骨夾腔式箱冷，且適用于所有類型船舶。

　　因此，舷外獨(dú)立箱式箱冷在船舶舷外冷卻系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[6]，本文主要對(duì)該型箱冷進(jìn)行研究。

　　箱冷主要由1個(gè)密閉的箱體和內(nèi)部有序排列的管道組成，見圖1。

　　

▲圖1 箱冷結(jié)構(gòu)圖

　　箱冷無(wú)需像常規(guī)海水冷卻系統(tǒng)一樣配置海水管系及相關(guān)閥件(同時(shí)，需要一些控制精準(zhǔn)且敏感的流量調(diào)節(jié)閥件)、海水冷卻泵和艙內(nèi)板式(或管殼式)冷卻器機(jī)械輸送海水冷卻相關(guān)淡水系統(tǒng)，只需將本體浸沒于開式海水箱中，直接讓自然聯(lián)通的舷外海水冷卻相關(guān)淡水系統(tǒng)。

　　從配置上看：常規(guī)海水冷卻系統(tǒng)需要的設(shè)備和附件較多，且需要額外消耗動(dòng)能維持海水冷卻功能;箱冷配置簡(jiǎn)單，且不需要額外消耗動(dòng)能維持海水冷卻功能。

　　此外，若無(wú)特殊情況，箱冷幾乎不需要維護(hù)。

　　因此，從上述分析巾不難看出，箱冷的配置簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本較低。

　　另外，從圖1中可看出，箱冷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝非常方便。

　　當(dāng)然，箱冷也存在一些缺點(diǎn)，例如：在海底閥箱內(nèi)增加箱冷管束會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力增加;

　　熱交換時(shí)海水流速受船舶航速、洋流流速和流向的影響;

　　箱冷冷卻通過(guò)與海底閥箱內(nèi)的海水進(jìn)行熱交換實(shí)現(xiàn)，而海水溫度很難控制，導(dǎo)致溫度調(diào)節(jié)困難。[7]

　　箱冷可利用船舶靜止時(shí)的自然對(duì)流或航行時(shí)的強(qiáng)制循環(huán)達(dá)到冷卻降溫的目的。

　　船舶靜止時(shí)，熱源冷卻水通過(guò)懸浮在海底門中的冷卻器管束冷卻，熱量從冷卻器的管束傳遞到海水中，由于被加熱的海水密度較小，導(dǎo)致海水上升，冷的海水從下格柵流向海底門，被加熱的海水從上格柵流出海底門，形成自然的冷卻循環(huán)。

　　海底門底部和上部的開口有助于引導(dǎo)通過(guò)海底門和冷卻器管束的海水形成自然對(duì)流。

　　在船舶航行期間，海水與箱冷之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，冷卻海水通過(guò)底部入水口格柵流向海底門，然后流向冷卻管束外部進(jìn)行熱交換，完成熱交換之后的海水從頂部出水口格柵流出。

　　冷卻器可設(shè)計(jì)成在1個(gè)單元上支持多個(gè)熱源，見圖2。

　　當(dāng)有額外的設(shè)備需要冷卻時(shí)，也能滿足要求。

　　若因熱負(fù)荷較大需要多個(gè)箱冷，箱冷可并聯(lián)或串聯(lián)連接。

　　

　　▲圖2 多熱源設(shè)計(jì)圖

　　二、常見故障分類及特征描述

　　箱冷在使用過(guò)程巾可能會(huì)出現(xiàn)各種故障，導(dǎo)致船舶相關(guān)設(shè)備冷卻不良，溫度過(guò)高，影響船舶的正常航行和安全。

　　下面根據(jù)故障的特征對(duì)其進(jìn)行分類和描述，幫助相關(guān)人員了解這些故障，并及時(shí)采取措施解決,確保設(shè)備正常運(yùn)行,延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

　　1、管道堵塞

　　(1)內(nèi)部雜質(zhì)堵塞

　　由于箱冷管束的分布較為密集，其流通直徑相比傳統(tǒng)板式冷卻器更大，水流速度較慢，尤其是靠近管壁位置水流速度較小，使得水中攜帶的懸浮顆粒更易沉淀下來(lái),形成積垢。

　　同時(shí)，傳統(tǒng)換熱器可通過(guò)拆卸板片清洗，而箱冷的結(jié)構(gòu)較為固定，難以像傳統(tǒng)換熱器一樣徹底清洗。

　　因此，若箱冷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或操作不當(dāng)，其管道內(nèi)部可能會(huì)積聚污垢，導(dǎo)致管道堵塞。

　　在這種情況下，箱冷冷卻管束內(nèi)無(wú)法正常流通熱介質(zhì)，從而影響整個(gè)箱冷的正常運(yùn)行。

　　(2)外部污泥堵塞

　　內(nèi)海作業(yè)水域水質(zhì)較為渾濁，易造成海底門內(nèi)表面積聚泥垢，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致海底門內(nèi)的熱水出不去，冷水進(jìn)不來(lái)，箱內(nèi)溫度升高，冷卻效果受到影響。

　　同時(shí)，污泥易附著在管束上，影響熱交換效率,導(dǎo)致冷卻效果下降。

　　(3)外部海生物附著

　　海洋生物(尤其是繁衍速度快的貝殼類海洋生物)易附著在箱冷上，見圖3。

　　

　　▲圖3 附著在箱冷上的海洋生物

　　當(dāng)冷卻器表面和管束被海洋生物附著之后，管束會(huì)被堵塞，影響箱冷的換熱性能。

　　通常，箱冷會(huì)配置防海洋生物系統(tǒng)，例如外加電流防海洋生物系統(tǒng)，保護(hù)冷卻器管束，使其不被海洋生物附著。

　　因此，若箱冷出現(xiàn)冷卻性能下降的情況，需首先檢查相關(guān)防海洋生物系統(tǒng)是否正常。

　　2、泄漏問題

　　(1)物理破壞導(dǎo)致的泄漏

　　受振動(dòng)和熱膨脹收縮等因素影響，箱冷系統(tǒng)中的管板連接點(diǎn)和密封件可能會(huì)出現(xiàn)金屬疲勞和管子松動(dòng)等問題。

　　與箱冷相比，傳統(tǒng)換熱器采用的單個(gè)密封面更小，能避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)更緊湊，便于拆卸和檢查，降低破壞風(fēng)險(xiǎn)。

　　同時(shí)，箱冷的管束位于海底閥箱內(nèi)部，依靠外部海水冷卻，當(dāng)船舶航速較高時(shí)，海水的高速?zèng)_擊可能會(huì)對(duì)管束造成損害。

　　此外，箱冷管束在熱交換過(guò)程中存在明顯的溫度梯度和壓力變化，這會(huì)增加其遭到物理破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

　　泄漏問題不僅會(huì)造成能源浪費(fèi)和環(huán)境污染，而且會(huì)使設(shè)備本身遭到損壞。

　　極端天氣條件、碰撞和物體進(jìn)人海水箱等因素也會(huì)使箱冷管束損壞，進(jìn)而導(dǎo)致管道泄漏。

　　(2)電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的泄漏

　　海水是一種導(dǎo)電性很強(qiáng)的電解質(zhì)，易產(chǎn)生電偶腐蝕，對(duì)大多數(shù)金屬材料都有很強(qiáng)的腐蝕性。

　　當(dāng)不純的金屬與電解質(zhì)溶液接觸時(shí)，二者之間會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，金屬會(huì)被氧化，這種腐蝕叫做電化學(xué)腐蝕。

　　箱冷的冷卻管束通常是由合金制成的，合金中含有很多雜質(zhì)，在工作過(guò)程中直接浸泡在海水中，受海水中泥沙和微生物附著的影響，其局部電化學(xué)環(huán)境會(huì)發(fā)生改變[8] ，因此極易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

　　在電化學(xué)腐蝕中，還有一類特殊情況需注意，即雜散電流腐蝕。

　　箱冷冷卻管束通常由導(dǎo)電性較好的銅合金制成，船上的焊接電流和外加電流保護(hù)系統(tǒng)等產(chǎn)生的雜散電流極易從冷卻管束經(jīng)過(guò)，雜散電流流經(jīng)的地方會(huì)發(fā)生腐蝕。

　　3、傳感器及電氣元件失效

　　箱冷通常配備有各種傳感器，用于監(jiān)測(cè)溫度和壓力等參數(shù)，并通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和保護(hù)。

　　若某臺(tái)傳感器失效，則無(wú)法準(zhǔn)確獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

　　電氣元件失靈是一個(gè)常見且易被忽視的問題。

　　若長(zhǎng)時(shí)間使用或所處環(huán)境較為惡劣，電氣元件可能會(huì)出現(xiàn)損壞或老化問題，導(dǎo)致無(wú)法正常工作。

　　當(dāng)發(fā)現(xiàn)箱冷在啟動(dòng)或運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)異常情況時(shí)，應(yīng)先檢查電氣元件是否存在故障，若是，應(yīng)及時(shí)更換或修復(fù)。

　　箱冷在工作過(guò)程中需維持適當(dāng)?shù)膲毫Γ源_保流體能正常循環(huán)和換熱。

　　若發(fā)現(xiàn)壓力明顯偏離預(yù)設(shè)范圍，則說(shuō)明箱冷可能存在管道堵塞、閥門失效和系統(tǒng)泄漏等問題。

　　此時(shí)應(yīng)立即對(duì)箱冷進(jìn)行檢查，并根據(jù)具體情況采取合適的應(yīng)對(duì)措施。

　　三、案例分析

　　某20000t轉(zhuǎn)載駁安裝有10臺(tái)Weka公司的箱冷，分別放置在船舶兩側(cè)海底門內(nèi)，其中：8臺(tái)630kW的箱冷供4臺(tái)主發(fā)電機(jī)使用;

　　2臺(tái)443 kW的箱冷供公共冷卻系統(tǒng)使用。

　　船舶下水之后?？吭诖瑥S碼頭，幾個(gè)月之后發(fā)現(xiàn)其6臺(tái)箱冷已出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

　　需分析故障原因，處理存在泄漏現(xiàn)象的箱冷，防止后續(xù)系列船出現(xiàn)箱冷泄漏問題。

　　1、管道堵塞問題排查

　　首先將箱冷吊出，檢查箱冷及周圍環(huán)境，發(fā)現(xiàn)箱底無(wú)泥沙積聚，箱冷管束表面也無(wú)污泥和海生物附著。

　　隨后檢查箱冷內(nèi)部，未發(fā)現(xiàn)堵塞，且內(nèi)部水質(zhì)清澈無(wú)雜質(zhì)。因此，箱冷沒有出現(xiàn)管道堵塞問題。

　　2、泄漏問題排查

　　(1)物理破壞導(dǎo)致的泄漏排查

　　經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，箱冷未出現(xiàn)物理破壞現(xiàn)象，且箱冷是在廠家工程師的監(jiān)督指導(dǎo)下安裝的，不存在管路安裝工藝問題。

　　對(duì)箱冷各安裝環(huán)節(jié)進(jìn)行排查，也未發(fā)現(xiàn)問題。

　　(2)電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的泄漏排查

　　經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)箱冷冷卻管束外部存在嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，有很多綠銅附著，且部分管束腐蝕嚴(yán)重，已出現(xiàn)漏洞。

　　腐蝕箱冷圖見圖4。

　　

　　▲圖4 腐蝕箱冷圖

　　因此，管束泄漏問題很有可能是箱冷遭受電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致的。

　　需找出箱冷腐蝕原因，防止后續(xù)船舶出現(xiàn)類似問題。

　　通過(guò)分析可知，箱冷腐蝕可能是由以下2種原因造成的：

　　1)周圍海水或內(nèi)部淡水水質(zhì)有問題，導(dǎo)致管束被腐蝕;

　　2)隔離防護(hù)沒做好，造成了電化學(xué)腐蝕。

　　為確定箱冷腐蝕原因，需針對(duì)這2種原因開展相關(guān)檢查和分析。

　　1)水質(zhì)檢測(cè)：

　　從圖4中可看出，箱冷腐蝕是由外部向內(nèi)部延伸的，說(shuō)明腐蝕原因在管束外，因此排除內(nèi)部淡水水質(zhì)原因，主要檢測(cè)外部海水水質(zhì)。

　　雖然Weka公司的箱冷冷卻管束采用的銅鎳合金材料是國(guó)際上公認(rèn)的耐海水腐蝕性能優(yōu)良的合金，但若海水水質(zhì)有問題，也會(huì)使其產(chǎn)生腐蝕。

　　對(duì)箱冷管束附近海水中的氯離子進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)樵诤Ｋ校辖鸨砻鏁?huì)形成一層減緩合金腐蝕的鈍化膜，而海水中的氯離子易滲入金屬表面的鈍化膜，使金屬發(fā)生腐蝕。

　　同時(shí)，海水中的氯離子具有使金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕的性質(zhì)，導(dǎo)致腐蝕速度加快。

　　對(duì)海水進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，其氯化物的體積濃度為14200mL/L，而海水中氯離子的體積濃度通常約為19000mL/L，箱冷管束周圍海水中的氯離子含量正常，因此排除海水水質(zhì)問題導(dǎo)致腐蝕的情況，海水檢測(cè)結(jié)果見圖5。

　　

　　▲圖5 海水檢測(cè)結(jié)果

　　2)電化學(xué)腐蝕檢查：

　　由于箱冷管束采用的銅鎳合金(高電位)與冷卻系統(tǒng)中的低電位金屬連接時(shí)極易產(chǎn)生電偶腐蝕，因此需施加絕緣保護(hù)[9]。

　　先檢查箱冷的隔離情況，發(fā)現(xiàn)隔離很好。

　　無(wú)論是否安裝維卡防護(hù)罩，箱冷與船體之間的電阻讀數(shù)都明顯高于500s，不存在問題。

　　檢查海底門涂層，看起來(lái)很好，應(yīng)該沒有問題。

　　測(cè)量箱冷與船體的電位差，每臺(tái)箱冷與船體的電位差約為600 mV，讀數(shù)正確。

　　防護(hù)罩也已正確安裝，因此箱冷本身的隔離是正確的，發(fā)生電偶腐蝕的概率極低。

　　然而，在高電位金屬與低電位金屬之間施加絕緣之后，易引發(fā)雜散電流腐蝕問題。

　　檢查船舶周圍環(huán)境，發(fā)現(xiàn)安裝箱冷的轉(zhuǎn)載駁在下水期間曾只通過(guò)2根細(xì)電纜與?？吭诖a頭的船舶“XHCherry”相連，“XHCherry”也只通過(guò)2根細(xì)電纜與碼頭地面相連。

　　此外，在對(duì)“XHCherry"進(jìn)行改裝時(shí)，有很多焊接工作同步開展，電纜接地不良導(dǎo)致焊接產(chǎn)生的電流對(duì)地傳導(dǎo)不暢，電流流向其他地方。

　　由于箱冷冷卻管束采用的材料是銅鎳合金，銅和鎳都是高導(dǎo)電性材料，焊接產(chǎn)生的雜散電流很有可能流過(guò)箱冷冷卻管束;

　　同時(shí)，有1條接地電纜位于箱冷上方，更易將電流引入箱冷，造成箱冷出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

　　有研究表明，船舶出現(xiàn)雜散電流腐蝕的主要原因是在船上進(jìn)行焊接作業(yè)[10]。

　　由上述分析可知，造成箱冷管束腐蝕的主要原因是電纜接地不良，導(dǎo)致焊接產(chǎn)生的雜散電流流向箱冷冷卻管束，引發(fā)電化學(xué)腐蝕。

　　造成電纜接地不良的主要原因是忽視了雜散電流產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，其極易對(duì)箱冷造成損害。

　　因此，在日后的建造工程中要注意以下幾點(diǎn)：

　　1)安裝箱冷之后，避免在船上進(jìn)行大量焊接作業(yè);

　　2)船舶搭地線需確保與地面可靠連接;

　　3)盡可能地避免與其他船舶共用搭地線;

　　4)若焊接工作無(wú)法避免，可采用焊接設(shè)備整體上船法、雙線路供電焊接法、排流導(dǎo)線法和犧牲陽(yáng)極排流法等方法[11]避免引發(fā)雜散電流腐蝕問題。

　　3、傳感器及電氣元件排查

　　雖然箱冷是新的，才安裝到船上不久，出現(xiàn)傳感器和電氣元件老化等問題的可能性很低，但為全面排查箱冷故障，還是應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢查。

　　經(jīng)過(guò)船廠排查，未發(fā)現(xiàn)傳感器和電氣元件老化問題。

　　四、結(jié) 語(yǔ)

　　本文對(duì)箱冷故障進(jìn)行了系統(tǒng)性分類總結(jié)，同時(shí)結(jié)合實(shí)船案例進(jìn)行了故障分析，發(fā)現(xiàn)該船箱冷泄漏的原因是雜散電流電化學(xué)腐蝕，這是極易被忽視的。

　　在日后的建造工程中，需高度重視雜散電流對(duì)箱冷的損害，提升箱冷的使用壽命，減少船廠的損失。

　　在對(duì)船舶進(jìn)行修理時(shí)極易出現(xiàn)本文所述船舶并排停靠碼頭的情況，本文的分析可供后續(xù)箱冷故障的排查和應(yīng)對(duì)參考。

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