船用電動雙螺桿泵額定工況性能試驗檢測技術研究

船用電動雙螺桿泵作為船舶系統中輸送燃油、滑油、艙底水、海水等各類介質的關鍵設備，其運行的可靠性、效率及穩定性直接關系到船舶的安全與能效。額定工況性能試驗是驗證雙螺桿泵是否達到設計指標、滿足實際工況要求的核心環節，是產品出廠檢驗和型式試驗不可或缺的組成部分。

一、 檢測項目與方法原理

額定工況性能試驗旨在全面評估泵在額定轉速、額定電壓下，以額定介質工作時的一系列關鍵性能參數。

1. 流量-揚程特性檢測

   • 檢測方法：在泵的額定轉速和介質粘度下，通過調節出口閥門開度，改變泵的出口壓力（即揚程），在從關閉點（零流量）至大流量點的范圍內，選取至少6個不同的工況點進行測量。

   • 原理：泵的揚程與流量之間存在特定的關系曲線（Q-H曲線）。通過測量不同流量下的出口壓力與進口壓力之差，換算成揚程，即可繪制該曲線，用以判斷泵的工作范圍是否滿足設計要求。

2. 軸功率與效率檢測

   • 檢測方法：在與流量-揚程特性檢測同步的各個工況點，測量泵的輸入電功率和輸出水力功率。

   • 原理：

     • 軸功率 (P_sh)：通常通過扭矩儀或電能分析法測量。扭矩儀直接測量泵輸入軸的扭矩和轉速，計算得出。電能分析法則是測量驅動電機的輸入電功率，再考慮電機效率折算得到泵的輸入功率。

     • 泵效率 (η)：為泵的輸出水力功率與輸入軸功率之比。水力功率 $P_h = \rho g Q H / 1000$ (其中ρ為介質密度，g為重力加速度，Q為體積流量，H為揚程)。泵效率 $η = P_h / P_sh \times 100\%$。繪制效率-流量曲線（Q-η曲線），其峰值即為泵的率點。

3. 必需汽蝕余量 (NPSHr) 檢測

   • 檢測方法：在額定流量和轉速下，通過逐步降低泵進口壓力（例如使用真空泵抽吸閉式試驗臺位的進口管路），直至泵的揚程下降達到規定值（通常為3%）。

   • 原理：NPSHr是泵本身抗汽蝕性能的參數，表示泵進口處單位重量液體所具有的超過汽化壓力的富余能量。通過制造汽蝕條件，記錄揚程開始下降臨界點的進口壓力，即可計算出NPSHr值。該值越小，表明泵的抗汽蝕性能越好。

4. 噪聲與振動檢測

   • 檢測方法：

     • 噪聲：在距離泵殼體1米遠、離地面高度1米處的多個方位，使用聲級計測量A計權聲壓級。

     • 振動：在泵的軸承座、驅動端等關鍵部位，安裝振動傳感器，測量振動速度的有效值（mm/s）或加速度。

   • 原理：過大的噪聲和振動是泵內部機械不平衡、流體脈動或汽蝕等現象的綜合反映。通過定量檢測，可評估泵的機械制造質量、轉子動平衡精度及運行平穩性。

5. 溫升試驗

   • 檢測方法：在額定工況下連續運行至熱平衡狀態（通常為每小時溫升不超過1℃），測量泵軸承外殼、潤滑油或定子繞組（對于電機）的溫度。

   • 原理：監測泵在長時間運行下的發熱情況，驗證其冷卻、潤滑系統及材料選擇是否合理，防止因過熱導致部件損壞或潤滑油失效。

二、 檢測范圍與應用領域

船用電動雙螺桿泵的檢測需求因其應用領域的不同而有所側重：

• 燃油輸送系統：重點檢測介質的粘度適應性、密封性能（防止泄漏）和效率。試驗介質需模擬實際燃油的粘度。

• 滑油輸送系統：側重于泵的自吸能力、低剪切特性（避免破壞潤滑油分子結構）及在變粘度介質下的性能。

• 艙底水與壓載水系統：強調泵的干轉耐受性、通過固體顆粒的能力（對于含雜質的艙底水）以及可靠性。

• 海水冷卻系統：關注泵的耐腐蝕性能、汽蝕性能（因海水易汽化）及流量穩定性。

• 化學品輸送系統：除了性能，還需進行與特定化學品相容性的材料試驗，并嚴格檢測軸封的密封性。

三、 檢測標準與規范

性能試驗必須遵循國內外公認的標準規范，以確保結果的性和可比性。

• 標準：

  • ISO 15186-1： 容積泵 - 性能試驗方法，提供了回轉容積泵（包括螺桿泵）性能測試的通用框架。

  • ISO 5198： 離心泵、混流泵和軸流泵 - 水力性能驗收試驗，其部分原理和方法（如測量精度、試驗臺布置）可供參考。

  • ABS, DNV, LR 等船級社規范： 各船級社對用于其入級船舶的泵均有具體的試驗和認證要求，通常包含型式試驗和出廠試驗標準。

• 國內標準：

  • GB/T 3215： 《石油、重化學和天然氣工業用離心泵》，雖主要針對離心泵，但其試驗臺精度、測量方法等具有重要參考價值。

  • GB/T 9063.1： 《回轉動力泵 水力性能驗收試驗 1級》，對試驗等級和允差有詳細規定。

  • CB/T 標準系列： 中國船舶行業標準中有一系列針對船用泵的專門技術條件與試驗方法。

  • CCS《鋼質海船入級規范》： 對中國籍船舶的泵設備提出了明確的性能與試驗要求。

試驗通常依據ISO 15186-1，并滿足主要船級社的規范進行。

四、 主要檢測儀器及其功能

一個完整的性能試驗臺需要集成多種高精度檢測儀器。

1. 閉式/開式試驗回路：為泵提供可控的試驗環境，包括穩壓罐、換熱器（控制介質溫度）、過濾器、閥門及管路系統。閉式回路更節能且易于控制介質狀態。

2. 功率分析儀/扭矩儀：

   • 功率分析儀：精確測量驅動電機的電壓、電流、功率因數及輸入電功率，用于計算泵的軸功率（需已知電機效率曲線）。

   • 扭矩儀：直接安裝在泵與驅動裝置之間，直接、高精度地測量泵軸的扭矩和轉速，是獲取軸功率直接的方法。

3. 電磁流量計/質量流量計：用于精確測量泵的出口體積流量。電磁流量計精度高、壓損小；質量流量計可直接測得質量流量，不受密度變化影響。

4. 壓力變送器/壓力傳感器：分別安裝在泵的進口和出口法蘭取壓口，用于測量進出口的絕對壓力或壓差，精度通常要求達到0.5%FS以上。

5. 溫度傳感器（PT100）：測量試驗介質的溫度，用于介質物性參數（如密度、粘度）的修正。

6. 粘度計：在線或離線測量試驗介質的動力粘度，確保試驗條件與實際工況相符。

7. 數據采集系統：自動、同步地采集來自所有傳感器的信號，并進行實時計算、處理和存儲，生成性能曲線和試驗報告。

8. 聲級計與振動分析儀：分別用于執行噪聲和振動檢測，提供客觀的物理量數據。

綜上所述，船用電動雙螺桿泵的額定工況性能試驗是一個系統、嚴謹的工程驗證過程。通過科學規范的檢測項目、覆蓋全面的應用范圍、嚴格遵循的標準體系以及高精度的檢測儀器，能夠準確評估泵的綜合性能，為船舶的安全、和環保運行提供堅實保障。