ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЧИСТОТЫ СУДОВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ДВУХФАЗНОЙ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ ПРОМЫВКИ

ENSURING THE CLEANLINESS OF SHIP HYDRAULIC SYSTEMS: EXPERIMENTAL ASSESSMENT OF THE EFFECTIVENESS OF TWO‑PHASE PULSATING FLUSHING

Ключевые слова: судовые гидравлические системы, послемонтажная промывка, двухфазный поток, барботирование, пульсация, удаление загрязнений.

Keywords: ship hydraulic systems, post‑installation flushing, two‑phase flow, bubbling, pulsation, contaminant removal.

Финансирование: Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках научного проекта № 25-29-20053.

Funding: The study was carried out with the financial support of the Russian Science Foundation within the framework of scientific project No. 25‑29‑20053.

Введение

Чистота внутренних полостей судовых гидравлических систем — ключевое условие надёжной работы оборудования, особенно на этапе послемонтажных работ [11]. Технологические загрязнения (окалина, сварочный грат, металлическая пыль, частицы прокладочного материала) становятся причиной ускоренного износа прецизионных пар, засорения дросселирующих элементов и, как следствие, отказов гидрооборудования [12].

Для систем I группы очистки требования к чистоте регламентируются ГОСТ 17216-2001, а трудоёмкость промывки может составлять от 15–25 % до 40 % общей трудоёмкости монтажных работ. Традиционная гидродинамическая промывка однофазным потоком воды (со скоростью 3–4 м/с) эффективно удаляет крупные частицы (50–100 мкм), но слабо справляется с мелкими фракциями (5–10 мкм). Это связано с наличием вязкого пристеночного подслоя: частицы удерживаются силами адгезии и не вовлекаются в турбулентное ядро потока из-за недостаточной пульсации скоростей [2].

Для ускорения промывки применяют методы интенсификации — пассивные (оптимизация схем подключения, увеличение производительности насосов) и активные (вибрационное воздействие, ультразвуковая очистка, пульсация потока, кавитационная обработка и др.). Однако у многих методов есть ограничения: например, ультразвук затухает в протяжённых системах с диаметром труб более 50 мм и может повредить сварные соединения, а изменение направления потока сложно реализовать на смонтированных магистралях [11].

Перспективным решением считается двухфазная промывка — подача сжатого воздуха (или другого газа) в поток промывочной жидкости. Газожидкостная смесь добавочно турбулизирует поток, разрушает пристеночный подслой за счёт пульсаций в потоке и обеспечивает флотационный эффект, способствующий более интенсивному выносу мелких частиц [8]. Ранее метод считался труднореализуемым в протяжённых трубопроводах из-за риска расслоения потока и образования воздушных пробок [10].

Цель и объект исследования

Цель работы — экспериментально проверить применимость двухфазного пульсирующего потока для промывки реальной судовой системы на строящемся объекте и определить критерий эффективности метода по времени. Исследования проводились при участии специалистов АО «ПО «Севмаш», АО «ЦТСС» и АО «СПМБМ «Малахит».

Объект промывки — магистральные трубопроводы судовой системы общей протяжённостью около 250 м с максимальным внутренним диаметром DN125 мм. Выбор объекта обусловлен его доступностью для замеров и возможностью отключить штатное оборудование на время опытов при помощи технологических перемычек, чтобы исключить риск завоздушивания оборудования двухфазным потоком.

В качестве промывочного оборудования использовали стенд Q400 спроектированный АО «ЦТСС», предназначенный для промывки судовых систем с применением средств интенсификации. Стенд позволяет реализовывать как традиционную гидродинамическую промывку однофазным потоком, так и применять пульсирующую двухфазную промывку с использованием устройства барботирования промывочной воды (УБПВ) — смесителя-пульсатора двухфазного потока [3].

Методика эксперимента и схема стенда

Опытные работы выполняли по утверждённой программе и методике испытаний. Промывку проводили циклами, чередуя режимы: в нечётных циклах — однофазный поток промывочной воды, в чётных — пульсирующий двухфазный поток с применением УБПВ. Такой подход позволил получить сравнительную оценку эффективности обоих методов в сопоставимых условиях [7].

Принципиальная схема промывочного стенда, представленного на рисунке 1, включает:

- бак-накопитель с промывочной жидкостью (с возможностью слива воды и стравливания воздуха);

- два промывочных насоса (N1 и N2), работающих по отдельности или совместно (отсечение насосов производится клапанами Кл10–Кл13);

- расходомер Р1 — для измерения объёмного расхода промывочной среды;

- манометр М1 — для регистрации давления в однофазном потоке;

- систему клапанов (Кл5–Кл8) для переключения режимов и подачи воздуха Кл9;

- смеситель-пульсатор двухфазного потока, где формируется пузырьковый режим течения за счёт возникновения резонансных явлений в промывочной смеси воды и воздуха.

Поток направляли либо как однофазный (через клапаны Кл6 и Кл8, при закрытых Кл5 и Кл7), либо как двухфазный (через Кл5 и Кл7, при закрытых Кл6 и Кл8).

Подача и регулирование воздуха

1. Воздух поступал от баллона сжатого воздуха или компрессора при открытом клапане Кл9.

2. Давление воздуха понижалось до требуемого значения с помощью редукционного клапана дроссельного типа (РедКл).

3. Расход воздуха измерялся расходомером Р2, давление — манометром М3.

4. Воздух через узкую трубу подавался в узкую часть смесителя, где давление контролировалось манометром М2.

5. В смесителе за счёт совпадения частот собственных колебаний пузырьков воздуха и диффузорной части формировался пульсирующий двухфазный поток в пузырьковом режиме.

Для контроля загрязнений использовали параллельно установленные группы сливных механических фильтров (рисунок 2 и 3): одна группа работала при однофазной промывке (только вода), другая — при чередовании однофазного и двухфазного потоков (с УБПВ). Такой подход обеспечивал раздельный учёт массы вымытых загрязнений для каждого режима.

При запуске режима барботажа принимались меры по предотвращению нестационарных процессов [6]:

1)Плавная подача воздуха с поэтапным наращиванием расхода и контролем показаний манометров и расходомеров.

2)Выдержка регламентированных временных интервалов в переходных режимах (при пуске и остановке насосов, переключении клапанов).

3)Использование демпфирующих элементов и участков стабилизации потока для снижения амплитуды колебаний давления.

Организация циклов промывки и учёт продолжительности работ

Опытные работы с использованием двухфазного потока проводились в течение 4 дней. Применение двухфазного пульсирующего потока чередовалось с однофазным.

Суммарная продолжительность периодов промывки системы во всех циклах приведена в таблице 1.

Итоговая продолжительность циклов промывки составила: всего — 1120 минут (18,7 часа), без УБПВ — 560 минут, с УБПВ — 560 минут. В циклах с двухфазной смесью воздух подавался с перерывами 5–10 минут для контроля стабильности режима и предотвращения расслоения потока.

Результаты эксперимента и обработка данных

Контролируемые параметры:

- расход воды Q′ (по расходомеру Р1);

- расход воздуха Q′′ (по расходомеру блока подготовки УБПВ);

- давление в напорной магистрали и смесителях (по манометрам);

- температура промывочной среды;

- масса загрязнений, задержанных бязевыми фильтроэлементами (определялась взвешиванием после сушки в лаборатории).

Фильтроэлементы предварительно взвешивали, после каждого цикла извлекали, сушили и упаковывали в маркированные пакеты. Микроскопический анализ загрязнений позволял оценить их гранулометрический состав.

Объёмное воздухосодержание φ рассчитывали по формуле:

φ=Q′′/(Q′+Q′′)

с учётом изотермического расширения воздуха при входе в систему с меньшим давлением. Расходы измеряются в м³/час.

Общая масса вымытых загрязнений за 4 дня составила 40 270 мг:

1)при однофазной промывке — 2 940 мг;

2)при двухфазной промывке — 37 330 мг.

Таким образом, 93 % всех удалённых загрязнений вымыто именно при подаче воздуха в промывочный поток [4].

Оценка эффективности по времени

Средняя скорость вымывания частиц:

1)однофазный поток: 2940/(560/60)=315,0 мг/час;

2)двухфазный пульсирующий поток: 37330/(560/60)=3999,6 мг/час.

Предполагаемое время промывки всей массы загрязнений (40 270 мг):

1)однофазным потоком: 40270/315,0=127,84 часов;

20двухфазным потоком: 40270/3999,6=10,07 часов.

Эффективность по времени: 127,8410,07=12,7 раза. Это означает, что двухфазная пульсирующая промывка позволяет сократить время достижения требуемой чистоты более чем в 12 раз.

Ключевые закономерности:

1. Максимальная эффективность на начальном этапе. В первые дни промывки коэффициент ускорения достигал 24,2–42,4 за счёт интенсивного отрыва и выноса рыхлых загрязнений.

2. Снижение коэффициента ускорения по мере очистки. На 3–4-й день коэффициент упал до 2,9–1,9 из-за уменьшения количества доступных для удаления загрязнений.

3. Интенсивное вымывание крупных частиц. Микрофотографии фильтроэлементов показали, что в режимах с УБПВ на фильтрах присутствовали более крупные примеси (металлическая стружка, частицы абразива), которые практически не встречались при однофазной промывке.

4. Влияние расходных параметров. Оптимальные результаты получены при расходе воды 40–60 м³/ч и расходе воздуха 12–19 м³/ч (объёмное воздухосодержание составило φ=0,24–0,27). При этих значениях не наблюдалось негативных явлений — шума, вибрации труб, что говорит о стабильности процесса и отсутствии выраженных нестационарных режимов.

Анализ методом главных компонентов (МГК) подтвердил, что основной вклад в эффективность промывки вносит временной фактор [1]. Кроме того, значимое влияние оказывают:

- расход промывочной воды Q′;

- расход воздуха Q′′ (для двухфазного способа);

- время подачи воздуха;

- давление промывочной воды.

Также выявлено, что применение двухфазного потока усиливает вымывание частиц даже в периоды последующей однофазной промывки: барботирование «подготавливает» загрязнения к удалению, облегчая их отрыв в дальнейшем. Продолжение промывочных работ с применением барботажа могло способствовать дальнейшему вымыванию частиц загрязнений свыше регламентированных параметров чистоты.

Расчёт энергетической эффективности

Сравнительная характеристика энергетических параметров представлена в таблице 2.

Снижение затрат на промывку двухфазным потоком относительно однофазного составило: 3451,68−322,243451,68⋅100 %=90,66 %. Это является существенным эффектом экономии электроэнергии. Таким образом, общая энергетическая эффективность метода возросла примерно в 10,7 раза.

Выявленные ограничения и негативные явления

При внедрении технологии необходимо учитывать следующие особенности:

1. Рост уровня воды в расходном баке. При подаче воздуха объём смеси увеличивается, что может привести к переливу. Требуется дренирование части воды и осторожная подача воздуха в первые моменты.

2. Риск завоздушивания удалённых участков. В верхних точках системы возможно образование устойчивых воздушных пробок. Необходимо предусматривать устройства для стравливания воздуха.

3. Повышенные вибрационные нагрузки. Двухфазный поток создаёт дополнительные вибрации, особенно на участках с гибкими вставками. На период промывки рекомендуется технологическое раскрепление трубопроводов.

4. Ограничения для разветвлённых систем. Метод нецелесообразно применять на сильно разветвлённых системах с множеством параллельных ветвей малого диаметра (менее DN50) из-за риска неравномерного распределения воздуха и образования застойных зон. В таких конфигурациях особенно высок риск развития нестационарных процессов: резких колебаний давления и чередования режимов расслоённого и однородного течения, что снижает предсказуемость и надёжность промывки.

Выводы

Результаты опытных работ подтверждают высокую эффективность двухфазного пульсирующего потока как метода интенсификации промывки судовых гидравлических систем. По итогам исследования можно сформулировать следующие выводы:

1. Доказана работоспособность и практическая применимость устройства барботирования промывочной воды (УБПВ) в реальных условиях судостроительного производства. Смеситель-пульсатор двухфазного потока, разработанный АО «ЦТСС», обеспечивает формирование устойчивого пузырькового режима течения за счёт резонансных явлений в диффузорной части устройства.

2. Двухфазная пульсирующая промывка существенно сокращает продолжительность работ: эффективность метода по времени составила 12,7 раза (прогнозируемое время достижения требуемой чистоты системы — 10,07 часа вместо 127,84 часа при традиционной однофазной промывке).

3. Метод обеспечивает удаление широкого спектра загрязнений, включая трудновымываемые фракции (5–10 мкм) и крупные примеси (металлическая стружка, частицы абразива).

4. Подтверждена высокая энергетическая эффективность технологии: суммарное потребление электроэнергии при двухфазной промывке оказалось на 90,66 % ниже по сравнению с однофазной.

5. Выявлены оптимальные параметры режима промывки: расход воды 40–60 м³/ч, расход воздуха 12–19 м³/ч (φ=0,24–0,27), при которых не фиксировались негативные явления.

6. Установлен синергетический эффект чередования режимов: барботирование ослабляет адгезионные связи частиц со стенками, облегчая их отрыв даже в отсутствие воздуха в потоке.

7. Определены ограничения и условия безопасного применения метода, включая необходимость дренирования бака, стравливания воздуха и раскрепления трубопроводов.

Практические рекомендации

На основании полученных результатов рекомендуется:

1) внедрять двухфазную пульсирующую промывку на этапах послемонтажной очистки судовых гидравлических систем, особенно для протяжённых магистралей большого диаметра (DN100 и выше);

2) использовать циклическую схему промывки с чередованием однофазных и двухфазных режимов;

3) строго контролировать параметры режима (расход воды и воздуха, давление, продолжительность циклов) и поддерживать объёмное воздухосодержание в диапазоне φ=0,24–0,27 [5];

4) проводить предварительную оценку конфигурации системы: для разветвлённых сетей требуется адаптация методики (например, локальная промывка отдельных участков).

Перспективы дальнейших исследований

Для расширения области применения технологии целесообразно:

1) провести испытания на системах с различной геометрией (в том числе с большим количеством отводов, сужений и вертикальных участков);

2) изучить влияние параметров пульсаций (частоты, амплитуды) на эффективность удаления загрязнений разного типа;

3) разработать автоматизированную систему управления режимом промывки на основе данных о массе вымытых загрязнений и характеристиках потока.

Таким образом, двухфазная пульсирующая промывка с применением УБПВ представляет собой перспективное решение для повышения качества и сокращения трудоёмкости очистки судовых гидравлических систем, обладающее значительным технико-экономическим потенциалом для внедрения на судостроительных предприятиях [9].

Список литературы

1. Герман, Г.В. Методы оценки производственно-технологических работ в судостроении / Г.В. Герман, Н.В. Никитин // Морские интеллектуальные технологии. – 2021. – № 4⁠–⁠2 (54). – С. 135⁠–⁠139. – DOI: 10.37220/MIT.2021.54.4.079.
2. ГОСТ 17216-2001. Чистота промышленная. Классы чистоты жидкостей. – М.: Стандартинформ, 2001.
3. Канаев Д.Н., Лямин П.Л., Лебедева Е.Г., Александров Н.И., Новые средства технологического оснащения для промывки судовых водяных систем и оборудования. Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 2⁠–⁠1 (21). С. 93⁠–⁠95.
4. Кулякин, Р.Е. Результаты опытных работ по промывке систем пульсирующим двухфазным потоком / Р.Е. Кулякин // Ломоносовские научные чтения студентов, аспирантов и молодых ученых. – 2025. – С. 343⁠–⁠345.
5. Лебедева, Е.Г. Выбор оптимального газосодержания при двухфазной пульсирующей промывке / Е.Г. Лебедева // Научный форум: технические и физико-математические науки: сборник статей по материалам LXXXI международной научно-практической конференции, Москва, 09 января 2025 года. С. 10⁠–⁠17. – Москва: Общество с ограниченной ответственностью «Международный центр науки и образования», 2025. – С. 10⁠–⁠17.
6. Лебедева, Е.Г. Особенности развития гидроудара в двухфазном потоке / Е.Г. Лебедева, Е.С. Медведева // Морские интеллектуальные технологии. – 2026. – № 1⁠–⁠1 (71). – С. 79⁠–⁠85. – DOI: 10.37220/MIT.2026.71.1.007.
7. Лебедева, Е.Г. Разработка промывочного стенда с использованием пульсирующего двухфазного потока / Е.Г. Лебедева, А.А. Сомпольцева // Актуальные вопросы инновационного развития Арктического региона РФ: Сборник статей VI Всероссийской научно-практической конференции, Северодвинск, 18⁠–⁠30 ноября 2024 года. С. 396⁠–⁠400. – Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, 2025. – С. 396⁠–⁠400.
8. Лебедева Е.Г. Интенсификация технологии промывки судовых систем пульсирующим двухфазным потоком: дис. … канд. техн. наук. – СПб.: СПГУВК, 2012. – 162 с.
9. Лебедева Е.Г., Стенин В.А., Сомпольцева А.А. Патент C1 Российская Федерация, МПК B08B 9/02, B08B 9/027, B08B 9/032. Способ промывки элементов систем пульсирующим двухфазным потоком: заявл. 04.07.2025: опубл. 02.02.2026 / Е.Г. Лебедева, В.А. Стенин, А.А. Сомпольцева; заявитель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Северный // Патент. – 2026. – № 2855594. – EDN: RXJHES.
10. Санчугов В.И., Абрамов А.А., Иванов Ю.И., Мещеряков С.С. Гидродинамическая очистка внутренней поверхности трубопроводов систем гидравлики // Технология судостроения и машиностроения. – 1992. – № 5. – С. 23⁠–⁠25.
11. Соловьев Б.В. Очистка судовых систем от технологических загрязнений. – Л.: Судостроение, 1977. – 75 с.
12. Тимиркеев Р.К., Сапожников В.М. Промышленная чистота и тонкая фильтрация рабочих жидкостей летательных аппаратов. – М.: Машиностроение, 1986. – 152 с.