導讀

　　船舶箱式冷卻器(以下簡稱“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，箱冷具有結構簡單、易維護和使用壽命長等優(yōu)點，近年來受到了船舶所有人的青睞。

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

　　盧鋒[1]對箱冷管束防腐和生物防污進行了分析。

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

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

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

　　同時，以某20000T轉載駁為例，對船廠發(fā)現(xiàn)的箱冷泄漏問題進行分析，并提出相應解決方法，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立箱式箱冷2種[3-5]，其中：箱式龍骨夾腔式箱冷具有結構簡單、成本低和易施工等優(yōu)點，但其冷卻效率較低，受龍骨結構的限制，適用于單機功率小且具有獨立箱式龍骨結構的船舶;

　　舷外獨立箱式箱冷結構相對復雜，但其換熱效率遠高于箱式龍骨夾腔式箱冷，且適用于所有類型船舶。

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

　　箱冷主要由1個密閉的箱體和內部有序排列的管道組成，見圖1。

　　

▲圖1 箱冷結構圖

　　箱冷無需像常規(guī)海水冷卻系統(tǒng)一樣配置海水管系及相關閥件(同時，需要一些控制精準且敏感的流量調節(jié)閥件)、海水冷卻泵和艙內板式(或管殼式)冷卻器機械輸送海水冷卻相關淡水系統(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淡水系統(tǒng)。

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

　　此外，若無特殊情況，箱冷幾乎不需要維護。

　　因此，從上述分析巾不難看出，箱冷的配置簡單，運營成本較低。

　　另外，從圖1中可看出，箱冷結構簡單，安裝非常方便。

　　當然，箱冷也存在一些缺點，例如：在海底閥箱內增加箱冷管束會導致流動阻力增加;

　　熱交換時海水流速受船舶航速、洋流流速和流向的影響;

　　箱冷冷卻通過與海底閥箱內的海水進行熱交換實現(xiàn)，而海水溫度很難控制，導致溫度調節(jié)困難。[7]

　　箱冷可利用船舶靜止時的自然對流或航行時的強制循環(huán)達到冷卻降溫的目的。

　　船舶靜止時，熱源冷卻水通過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通過海底門和冷卻器管束的海水形成自然對流。

　　在船舶航行期間，海水與箱冷之間產生相對運動，冷卻海水通過底部入水口格柵流向海底門，然后流向冷卻管束外部進行熱交換，完成熱交換之后的海水從頂部出水口格柵流出。

　　冷卻器可設計成在1個單元上支持多個熱源，見圖2。

　　當有額外的設備需要冷卻時，也能滿足要求。

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

　　

　　▲圖2 多熱源設計圖

　　二、常見故障分類及特征描述

　　箱冷在使用過程巾可能會出現(xiàn)各種故障，導致船舶相關設備冷卻不良，溫度過高，影響船舶的正常航行和安全。

　　下面根據(jù)故障的特征對其進行分類和描述，幫助相關人員了解這些故障，并及時采取措施解決,確保設備正常運行,延長設備的使用壽命。

　　1、管道堵塞

　　(1)內部雜質堵塞

　　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,形成積垢。

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

　　因此，若箱冷長時間運行或操作不當，其管道內部可能會積聚污垢，導致管道堵塞。

　　在這種情況下，箱冷冷卻管束內無法正常流通熱介質，從而影響整個箱冷的正常運行。

　　(2)外部污泥堵塞

　　內海作業(yè)水域水質較為渾濁，易造成海底門內表面積聚泥垢，出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，導致海底門內的熱水出不去，冷水進不來，箱內溫度升高，冷卻效果受到影響。

　　同時，污泥易附著在管束上，影響熱交換效率,導致冷卻效果下降。

　　(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

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

　　通常，箱冷會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，需首先檢查相關防海洋生物系統(tǒng)是否正常。

　　2、泄漏問題

　　(1)物理破壞導致的泄漏

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

　　與箱冷相比，傳統(tǒng)換熱器采用的單個密封面更小，能避免出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，整體結構更緊湊，便于拆卸和檢查，降低破壞風險。

　　同時，箱冷的管束位于海底閥箱內部，依靠外部海水冷卻，當船舶航速較高時，海水的高速沖擊可能會對管束造成損害。

　　此外，箱冷管束在熱交換過程中存在明顯的溫度梯度和壓力變化，這會增加其遭到物理破壞的風險。

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

　　極端天氣條件、碰撞和物體進人海水箱等因素也會使箱冷管束損壞，進而導致管道泄漏。

　　(2)電化學腐蝕導致的泄漏

　　海水是一種導電性很強的電解質，易產生電偶腐蝕，對大多數(shù)金屬材料都有很強的腐蝕性。

　　當不純的金屬與電解質溶液接觸時，二者之間會發(fā)生氧化還原反應，金屬會被氧化，這種腐蝕叫做電化學腐蝕。

　　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，在工作過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，其局部電化學環(huán)境會發(fā)生改變[8] ，因此極易產生電化學腐蝕。

　　在電化學腐蝕中，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電性較好的銅合金制成，船上的焊接電流和外加電流保護系統(tǒng)等產生的雜散電流極易從冷卻管束經(jīng)過，雜散電流流經(jīng)的地方會發(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)測溫度和壓力等參數(shù)，并通過控制系統(tǒng)進行調節(jié)和保護。

　　若某臺傳感器失效，則無法準確獲取相關數(shù)據(jù)，進而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

　　電氣元件失靈是一個常見且易被忽視的問題。

　　若長時間使用或所處環(huán)境較為惡劣，電氣元件可能會出現(xiàn)損壞或老化問題，導致無法正常工作。

　　當發(fā)現(xiàn)箱冷在啟動或運行過程中出現(xiàn)異常情況時，應先檢查電氣元件是否存在故障，若是，應及時更換或修復。

　　箱冷在工作過程中需維持適當?shù)膲毫?，以確保流體能正常循環(huán)和換熱。

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

　　此時應立即對箱冷進行檢查，并根據(jù)具體情況采取合適的應對措施。

　　三、案例分析

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

　　2臺443 kW的箱冷供公共冷卻系統(tǒng)使用。

　　船舶下水之后停靠在船廠碼頭，幾個月之后發(fā)現(xiàn)其6臺箱冷已出現(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)箱底無泥沙積聚，箱冷管束表面也無污泥和海生物附著。

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

　　2、泄漏問題排查

　　(1)物理破壞導致的泄漏排查

　　經(jīng)現(xiàn)場檢查，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)督指導下安裝的，不存在管路安裝工藝問題。

　　對箱冷各安裝環(huán)節(jié)進行排查，也未發(fā)現(xiàn)問題。

　　(2)電化學腐蝕導致的泄漏排查

　　經(jīng)現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)箱冷冷卻管束外部存在嚴重的腐蝕現(xiàn)象，有很多綠銅附著，且部分管束腐蝕嚴重，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腐蝕導致的。

　　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)周圍海水或內部淡水水質有問題，導致管束被腐蝕;

　　2)隔離防護沒做好，造成了電化學腐蝕。

　　為確定箱冷腐蝕原因，需針對這2種原因開展相關檢查和分析。

　　1)水質檢測：

　　從圖4中可看出，箱冷腐蝕是由外部向內部延伸的，說明腐蝕原因在管束外，因此排除內部淡水水質原因，主要檢測外部海水水質。

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

　　對箱冷管束附近海水中的氯離子進行檢測，因為在海水中，合金表面會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，海水中的氯離子具有使金屬發(fā)生電化學腐蝕的性質，導致腐蝕速度加快。

　　對海水進行檢測發(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，因此排除海水水質問題導致腐蝕的情況，海水檢測結果見圖5。

　　

　　▲圖5 海水檢測結果

　　2)電化學腐蝕檢查：

　　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極易產生電偶腐蝕，因此需施加絕緣保護[9]。

　　先檢查箱冷的隔離情況，發(fā)現(xiàn)隔離很好。

　　無論是否安裝維卡防護罩，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，看起來很好，應該沒有問題。

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

　　防護罩也已正確安裝，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)安裝箱冷的轉載駁在下水期間曾只通過2根細電纜與?？吭诖a頭的船舶“XHCherry”相連，“XHCherry”也只通過2根細電纜與碼頭地面相連。

　　此外，在對“XHCherry"進行改裝時，有很多焊接工作同步開展，電纜接地不良導致焊接產生的電流對地傳導不暢，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，銅和鎳都是高導電性材料，焊接產生的雜散電流很有可能流過箱冷冷卻管束;

　　同時，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，導致焊接產生的雜散電流流向箱冷冷卻管束，引發(fā)電化學腐蝕。

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

　　因此，在日后的建造工程中要注意以下幾點：

　　1)安裝箱冷之后，避免在船上進行大量焊接作業(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)若焊接工作無法避免，可采用焊接設備整體上船法、雙線路供電焊接法、排流導線法和犧牲陽極排流法等方法[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，還是應對其進行檢查。

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

　　四、結 語

　　本文對箱冷故障進行了系統(tǒng)性分類總結，同時結合實船案例進行了故障分析，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箱冷的損害，提升箱冷的使用壽命，減少船廠的損失。

　　在對船舶進行修理時極易出現(xiàn)本文所述船舶并排?？看a頭的情況，本文的分析可供后續(xù)箱冷故障的排查和應對參考。

　　參考文獻：

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　　[3] 陳鐵銘,王文齊.舷外水自然冷卻系統(tǒng)的設計計算[J].江蘇船舶,2001(2):19-20.

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　　[11]張安明,曲本文,孫小舟,等.船舶雜散電流腐蝕研究現(xiàn)狀[J].全面腐蝕控制,2015,29(11):51-54..

　　

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