提高艦船管路抗沖擊能力探討

肖紅林 謝最偉

摘 要：管系的抗沖擊性能是艦艇生命力、戰(zhàn)斗力不可或缺的組成要素。本文總結(jié)了目前艦船在設(shè)計、建造過程中管路系統(tǒng)在抗沖擊方面的現(xiàn)狀，并提供了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：艦船；管系；沖擊

中圖分類號：U664.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Ability of anti-shock of the pipeline system is the fundamental factor of navy ships combat capability and survivability. This paper summarizes the status of anti-shock-designing and building of the pipeline system in the navy ship， and gives some suggestions to improve the ability of anti-shock of the pipeline system.

Key words： navy ship； pipeline system； shock

1 引言

艦船是擔(dān)負(fù)國家特殊使命的一類船舶，要求能夠經(jīng)受起戰(zhàn)場嚴(yán)酷環(huán)境的考驗，如水下接觸或非接觸爆炸沖擊、自身武器發(fā)射所帶來的反座力沖擊等。我國軍標(biāo)基于設(shè)備對艦船航行安全和連續(xù)作戰(zhàn)能力的重要性，將設(shè)備抗沖擊等級分為A級、B級、C級。諸如主機(jī)、齒輪箱、軸系、通信、導(dǎo)航、火控、電子對抗等設(shè)備是對艦艇安全和戰(zhàn)斗力起決定性作用的重要設(shè)備，軍標(biāo)都將其列為A類抗沖擊設(shè)備[1]。在工程實際中，A類抗沖擊設(shè)備從論證、方案、工程設(shè)計、制造到總裝，每個環(huán)節(jié)都力求抗沖擊能力能達(dá)到實戰(zhàn)要求。顯然，這些重要設(shè)備、系統(tǒng)要發(fā)揮其戰(zhàn)斗效能，離不開保障系統(tǒng)的支持，如果動力設(shè)備無油水供給保障、武備系統(tǒng)無冷卻通風(fēng)保障，則系統(tǒng)將很快陷于癱瘓狀態(tài)，且系統(tǒng)的某個部分因受沖擊而損壞，若無冗余設(shè)計則不太可能自動恢復(fù)，也很難人為迅速排除故障，有可能導(dǎo)致延誤戰(zhàn)機(jī)，甚至影響整個戰(zhàn)局，因此這類保障系統(tǒng)對艦艇安全和戰(zhàn)斗力也起著不可忽視的作用。

2 A類抗沖擊管路及附件

軍標(biāo)規(guī)定，所有包含A類抗沖擊系統(tǒng)或子系統(tǒng)的物件均應(yīng)定為A類抗沖擊物件，如果輔助系統(tǒng)對A類抗沖擊系統(tǒng)或子系統(tǒng)為必不可少的重要保障，則此類輔助系統(tǒng)也定位為A類抗沖擊系統(tǒng)[2]。根據(jù)這一原則，大多數(shù)A類抗沖擊設(shè)備的支持保障系統(tǒng)都應(yīng)列為A類抗沖擊系統(tǒng)，主要包括泵、風(fēng)機(jī)及相應(yīng)的管路和附件。

應(yīng)滿足A級抗沖擊能力要求的管路及附件有：

燃油或滑油加熱蒸汽管系、艦船消防系統(tǒng)、主動力淡水冷卻系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、壓載水系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、燃油注人管與轉(zhuǎn)運管系、噴氣燃料注人與轉(zhuǎn)運系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、氣幕降噪系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、補(bǔ)給和接收系統(tǒng)、日用燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、汽輪機(jī)蒸汽系統(tǒng)、主鍋爐凝水和給水系統(tǒng)、主鍋爐鼓風(fēng)系統(tǒng)、主機(jī)空氣起動系統(tǒng)、主機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、重要機(jī)械處所通風(fēng)系統(tǒng)、穿水密艙壁的風(fēng)管及風(fēng)閥；重要艙室的通風(fēng)系統(tǒng)；需在三防狀態(tài)下關(guān)閉的通風(fēng)系統(tǒng)及其部件[2]，如集體防護(hù)區(qū)濾毒通風(fēng)裝置前后的風(fēng)管及附件等。

由此可以看出，艦船內(nèi)遍布了大量需滿足A類抗沖擊要求的管路，不同艦型會有不同的A類抗沖擊管路，相同艦型也會有不盡相同的A類抗沖擊管路分布。但無論什么艦型，機(jī)艙區(qū)A類抗沖擊要求的管路的分布是最密集的。

3 存在問題及建議

雖然標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確了這類保障系統(tǒng)的抗沖擊要求，但在工程實際中，抗沖擊要求往往只關(guān)注了泵、風(fēng)機(jī)等單體設(shè)備，對整個支持保障系統(tǒng)的抗沖擊能力，在設(shè)計和建造過程中都容易被忽略，有待改進(jìn)或加強(qiáng)。

以上海電器科學(xué)研究所為例，該所擁有一臺滿足美國MIL.S.901C標(biāo)準(zhǔn)的2.7 t的中型沖擊機(jī)和一臺輕型沖擊機(jī)，承擔(dān)了我海軍許多上艦設(shè)備（主要是電子設(shè)備）的沖擊測試和考核工作。但據(jù)統(tǒng)計，在近幾年的沖擊試驗中，沒有一項與管路系統(tǒng)有關(guān)[3]。由此可見在提高這類管系和附件的抗沖擊性能上，從艦船的設(shè)計到建造，存在以下四個方面的不足：

（1）根據(jù)GJB4000-2000的要求，列為A級或B級的設(shè)備、系統(tǒng)，應(yīng)按GJB150.18的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行抗沖擊考核鑒定或沖擊動力學(xué)分析計算，以確保設(shè)備、系統(tǒng)滿足相應(yīng)的抗沖擊要求。由于艦船管路繁多，其布置、走向隨意性相對較大，即使是同型號艦船，不同船廠建造的艦船的管路布置也不盡相同。鑒于管系分散、走向各異的特點，其抗沖擊能力不能像某些機(jī)電設(shè)備那樣進(jìn)行抗沖擊考核鑒定，而應(yīng)該是在完成管路三維放樣、明確了系統(tǒng)的邊界條件后，采用沖擊動力學(xué)分析計算或選用典型的局部管路做沖擊試驗考核，以此來驗證管系的抗沖擊能力。沖擊動力學(xué)分析計算是管系吊架的選型、選材及安裝工藝的基礎(chǔ)，但目前這部分工作做得還很不充分。

（2）吊架的選擇普遍要求按船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CB/T210《風(fēng)管吊架》或CB/T3780《管子吊架》配置。這兩份標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是民用船舶管路吊架結(jié)構(gòu)形式，而民用船舶與軍用艦船所面臨的環(huán)境大不相同，兩者的應(yīng)急處置能力也相距甚遠(yuǎn)，民用船舶奉行的是經(jīng)濟(jì)適用的原則，因此選用的吊架結(jié)構(gòu)形式及材料均未考慮抗沖擊要求，吊架材料均為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A，其材質(zhì)較脆，在沖擊環(huán)境下對材料的缺口比較敏感，交貨時只考核抗拉強(qiáng)度、屈服點、延伸率，必要時附加冷彎試驗的要求，而對艦艇很重要的抗沖擊性能則不作考核[4]。該材料的優(yōu)點是價格較便宜，焊接工藝性較好，很適合應(yīng)用于民船，因為民船對強(qiáng)度要求不高，也不用考慮抗沖擊要求，但對于作戰(zhàn)艦艇則值得商榷。

（3）管系的聯(lián)接形式缺乏抗沖擊考量，在總體設(shè)計時一般只明確管徑、材質(zhì)及壁厚，對連接方式基本不作要求。船廠在做生產(chǎn)設(shè)計時，一般都是根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)、工作壓力及安裝的工藝性來確定接頭形式。不同的聯(lián)接形式，抗沖擊的能力是有明顯差別的，如螺紋接頭，具有連接方便、節(jié)省安裝空間的優(yōu)點，但缺點是抗沖擊能力不足，對交變的軸向負(fù)荷也比較敏感，容易導(dǎo)致螺牙磨損而無法咬合，因此在A類抗沖擊管路系統(tǒng)中，應(yīng)盡量避免使用，但現(xiàn)實情況卻不盡其然。類似情況還有風(fēng)管中常采用“插柳”形式連接，這種連接形式強(qiáng)度低，在A類抗沖擊管路系統(tǒng)中應(yīng)絕對禁止使用。

（4）管系在確定了吊架、管徑、材料后，吊架的安裝布置形式就對管系的抗沖擊性能起決定性作用。但總體設(shè)計時對吊架的安裝形式、間隔一般都不作明確要求，多數(shù)船廠的生產(chǎn)設(shè)計（三維放樣）深度不夠，在管路放樣時不考慮吊架的安裝布置，出圖時僅要求參照船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB/Z345《船舶管系布置和安裝工藝要求》進(jìn)行安裝。將此標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于軍用艦船，缺陷顯而易見，它與CB/T210《風(fēng)管吊架》及CB/T3780《管子吊架》一樣，是不考慮抗沖擊要求的。船廠編制的管路安裝工藝，關(guān)注較多的是系統(tǒng)的清潔防護(hù)、防腐及附件的操縱性、可維性等問題，幾乎不涉及抗沖擊要求。因為圖紙、工藝均無抗沖擊工藝要求，導(dǎo)致吊架的安裝布置隨意性大，往往出現(xiàn)以下不合理的布置問題：

①吊架間距長短不一，經(jīng)常出現(xiàn)大間距吊架布置；

②出現(xiàn)較長的懸臂式吊架；

③吊架遠(yuǎn)離質(zhì)量集中點（如大的閥件、流量計）；

④吊架遠(yuǎn)離強(qiáng)度薄弱點（如接頭）。

長間距布置吊架及長懸臂式吊架對于大通徑管路的抗沖擊性能的危害特大，因為通徑大，吊架負(fù)載大，長間距布置吊架加重了吊架的受力；懸臂梁結(jié)構(gòu)惡化了構(gòu)件的應(yīng)力分布，且懸臂梁越長，力矩越大，負(fù)載亦大，故當(dāng)大通徑管路不可避免地需要使用長懸臂式吊架時，應(yīng)盡量采用三角架支撐；系統(tǒng)存在質(zhì)量集中點時，在質(zhì)量集中點附近應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，這點對于小通徑管路特別重要，因為通徑小，本身的支撐作用有限，在受沖擊時集中質(zhì)量點的連接部位會成為一個薄弱環(huán)節(jié)，管路自身容易受到損傷，也容易碰撞相鄰的設(shè)備或構(gòu)件，威脅其他設(shè)備安全，因此特別需要對吊架予以加強(qiáng)；吊架應(yīng)靠近管路強(qiáng)度的薄弱點，如管路接頭、管路分支部位等?？傊?，應(yīng)避免大間距吊架及長懸臂式吊架，吊架應(yīng)靠近質(zhì)量集中點及強(qiáng)度薄弱點布置，這是管路抗沖擊設(shè)計、安裝的重要原則。

四個方面的不足，究其原因是因為抗沖擊理論專業(yè)性很強(qiáng)，未接受專業(yè)培訓(xùn)的人員很難正確把握其要求，而目前在參與設(shè)計、建造、檢驗等重要環(huán)節(jié)的人員當(dāng)中具有相應(yīng)專業(yè)背景的不多，加上相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或技術(shù)文件比較欠缺，一般只要求靜態(tài)牢靠、航行時無異常振動即可。因此，應(yīng)盡早開發(fā)專業(yè)高效的管路系統(tǒng)動態(tài)特性分析專用軟件，這是對艦艇管路系統(tǒng)沖擊進(jìn)行模擬計算的最有效也易推廣的方法，以彌補(bǔ)設(shè)計、建造人員在抗沖擊理論上的不足。同時，也應(yīng)加快國內(nèi)相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立，加強(qiáng)設(shè)計、建造、驗收方面人員的培訓(xùn)工作，這是提高艦船管路抗沖擊能力的一項基礎(chǔ)性工作。

4 結(jié)論

綜上所述，管系的抗沖擊性能是艦艇生命力、戰(zhàn)斗力不可或缺的組成要素，但在艦船設(shè)計、建造過程中，提高管路的抗沖擊能力受到諸多環(huán)節(jié)的制約，要提高艦艇管路的抗沖擊能力，首先應(yīng)加強(qiáng)對管路抗沖擊能力重要性的認(rèn)識，系統(tǒng)的抗沖擊能力，是由相應(yīng)的設(shè)備及其支持保障系統(tǒng)共同決定的，只有全面考慮才能讓系統(tǒng)的抗沖擊能力不留短板；其次，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，強(qiáng)化管路的抗沖擊動力學(xué)分析計算，為管路的抗沖擊設(shè)計、建造提供基礎(chǔ)支撐，開發(fā)推廣專用計算軟件，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，優(yōu)化管材、吊架的選型，規(guī)范安裝、布置及連接要求；第三，應(yīng)強(qiáng)化軍用艦船抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)，從宏觀角度規(guī)范抗沖擊設(shè)計、建造工作，區(qū)別對待民用商船與軍用艦船的抗沖擊要求。要做到以上幾點，應(yīng)加大投入，從各方面保證資源需求，只有這樣才可能切實落實抗沖擊建造要求，提高艦艇的生命力和戰(zhàn)斗力。

參考文獻(xiàn)

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