機艙風管型式選擇

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

船舶建造中的機艙通風一般采用矩形風管和圓形風管(螺旋風管)兩種方式。矩形風管形式靈活，在保證截面積的情況下容易調整，尤其在一些位置復雜的區域具有優勢；螺旋風管則有著質量輕，安裝方便，價格便宜的特點。目前國內船舶機艙通風基本采用矩形風管，而國外船廠已經普遍采用螺旋風管。機艙風管量占全船通風管系統比重非常大[1]，從降低制作成本，減輕空船質量，減少振動噪聲，提升通風性能的角度考慮，有必要對機艙采用的鋼制風管和螺旋風管的制作工藝、材質質量、安裝施工、通風性能、振動噪聲等方面進行對比分析，為合理選擇機艙風管型式提供相關依據。

1 風管選材及制作工藝

1.1 矩形風管

材質按適用區域進行選取，厚度按管徑大小選取，將矩形風管截面長邊L作為板材厚度選取依據，參照國家標準，實船建造時取值見表1[2]。

表1 矩形風管壁厚取值標準

機艙區域矩形風管通常選用普通鋼板，厚度在2.5 mm以上。

選用普通鋼板進行通風管路制作時，可采用彎板、角焊、對接焊等形式，對于壓力等級較高的管路可以采用雙面角焊的形式[3]，見圖1。

圖1 矩形風管管段焊接形式

選用普通鋼板風管法蘭裝配時，需要對法蘭和風管進行焊接，焊接形式見圖2。

圖2 矩形風管法蘭焊接形式

經過焊接成型后再經表面油漆處理，作為成品管段。

1.2 螺旋風管

螺旋風管主要是在風管鐵皮上鍍鋅，對鐵皮起到保護作用。螺旋風管制作采用鍍鋅鐵帶，根據螺旋風管機的型號選擇鐵帶寬度(通常選用125 mm鐵帶)。材料厚度參照國家標準[3]，實船建造取值見表2。

表2 螺旋風管壁厚選用標準

鍍鋅白鐵皮經過風管機進行機械加工，卷制成螺旋形薄壁管。外形無縫連接，制作過程完全機械化，無需焊接，無需手工敲打，見圖3。

圖3 螺旋風管成品

為提高機艙區域風管抗腐蝕性和裝飾性，成型后的螺旋風管通常會進行表面油漆處理。

1.3 對比分析

機艙鋼制風管在制作時存在大量焊接打磨工作，制作能耗較高，自動化程度低，制作鋼制風管原材料鋼板需求量較大。

機艙螺旋圓風管的生產已高度自動化、系統化，并具有工業化的質量控制。機械制作螺旋風管快速且美觀，精巧的螺旋壓制楞筋工藝使螺旋風管具有承受壓力的最佳強度，增加螺旋型楞筋后，咬口潛縫厚度是管體的4倍，管道的剛性非常大，顯示出堅固的優越性，能承受最大的壓力負荷而無損變形，用材厚度可減小15%，降低成本。相同截面積時，長寬比為1∶3的矩形風管周長比螺旋風管的周長長40%，用材省。

選用螺旋風管制作簡單且供貨周期更短。

表3中包含從船廠建造的208KBC系列船抽取的機艙矩形風管數據，以及轉換為對應螺旋風管的相關數據。

由表3可見，改用相應螺旋風管后，總質量減輕至少12 t；在價格方面，至少節省10萬元。由此可見，選用螺旋風管代替矩形風管，有助于降低造船企業的成本，另一方面也有利于減輕船舶整體質量。

表3 質量及價格對比表

2 安裝施工對比

在不增加任何壓降的情況下，安裝空間內直徑為200 mm的圓形管道可取代250 mm×150 mm的矩形管道。在不增加額外安裝空間的前提下，數條平行的圓形管道可取代扁平矩形管道。考慮了所有的因素，在絕大多數情況下，圓形管道所占用的空間都要少于矩形管道。對同樣的壓力特性，數條圓形管道的安裝空間常常與1條矩形管道的的安裝空間相同或更少。許多矩形管道系統安裝時需要4螺栓系統，因而在管道的各個方向增加40～80 mm。

由于鋼制風管相對螺旋風管質量大很多，從風管的運輸到現場安裝，鋼制風管都需要借助機械設備吊裝圖片。而螺旋風管管段基本可以人工搬運，施工難度低，安全系數高。除此之外，螺旋風管具有一定的韌性，在一定程度上消除了因施工誤差導致無法安裝的問題。據83K VLGC實際建造采用螺旋風管統計，圓形風管的安裝時間只有相類似的矩形管道的1/2，很大程度提升船舶建造效率。

3 通風性能對比

3.1 阻力損失計算

3.1.1 沿程摩擦阻力損失

1)摩擦損失△pf[1]。

(1)

其中：A為風管截面積，mm2;P為截面周長，mm。

2)當量直徑De[2]。

(2)

式中：De為與等流量、等阻力和等長度矩形風管相當的圓管的直徑，mm；a為風管高度，mm；b為風管寬度，mm。

3.1.2 局部阻力損失

空氣流經管路附件產生的局部阻力損失Δpj[1]為

(3)

式中：ξ為局部阻力系數，查表[1]；ω為風速，m/s；ρ為空氣密度，m3/h。

3.1.3 總阻力損失

管道總阻力損失Δp為

Δp=Δpf+Δpj

(4)

3.2 算例

3.2.1 原矩形風管管段

180KBC散貨船機艙發電機位置的部分矩形風管，見圖4。相關阻力計算數值見表4。

圖4 原矩形風管管段布置示意

表4 原矩形風管阻力計算表

3.2.2 理論等效螺旋風管管段

圖5是根據圖4以相同風量及風速選取的圓形螺旋風管，相關阻力計算值見表5。

圖5 理論等效螺旋風管管段布置示意

3.2.3 實際選型螺旋風管管段

圖6是參考圖5通過廠家資料選取的相應規格螺旋風管，相關阻力計算值見表6。

圖6 實際選型螺旋風管管段布置示意

表5 理論等效螺旋風管阻力計算表

表6 實際選型螺旋風管阻力計算表

從以上表格對比分析可見，當機艙選用螺旋風管時，阻力損失減小，使機艙的通風效果更好，整體的通風性能有很大提升；與此同時，在風機的選型上如果使用螺旋風管系統，可以適當的降低風機的靜壓[4-5]，一方面可以減小風機噪音，另一方面可以達到降低成本的目的。

顯然，螺旋風管通風性能優于矩形風管。

4 噪聲對比

船舶主要噪聲源：通風系統、機器噪聲、推進系統三部分。機械設備和推進裝置自身降噪技術難，成本高。如能對船舶通風系統噪音優化設計，能起到事半功倍的效果。機艙通風管路系統噪音通常選用能力法和波動方法計算，模擬通風系統噪音模型[6]，見圖7。

在變量因數方面分殼體振動、管壁振動、管內噪聲三部分。通過控制變量法，假定風管安裝高度相同，選用當量的矩形風管和螺旋風管并對比相關屬性(系數計算根據實船模型取樣)，見表7。

圖7 通風系統風管布置模型

質量平均重心高度風管震動延程損失風管管內噪音矩形風管m0.9L強烈△p高螺旋風管0.23m0.5L一般0.85△p低

噪聲是由于振動產生的，而船舶噪聲按傳播途徑分為結構噪聲和空氣噪聲。螺旋風管自身結構振動小，一定程度上降低結構噪聲；依據壓降損失計算，矩形風管摩擦阻力所產生的沿程損失能量大于螺旋風管，通風系統空氣湍流明顯高于螺旋風管，風管內空氣動力噪音亦高于螺旋風管[7]。

結合實際建造船舶噪聲測量數據(見表8)，機艙內一些典型區域，選用螺旋風管的噪音值明顯低于選用矩形風管船型。進一步佐證了選用螺旋風管可以起到降低噪音的效果。

表8 實船試航測試數據 dB(A)

結合當下民船市場，在能滿足布置和使用要求的前提下，在機艙區域通風設計中應大力選用螺旋風管。

5 結論

相比矩形風管，螺旋風管在制作工藝、質量成本、安裝施工、通風性能、振動噪音等方面有突出的優勢。但也不應該忽視矩形風管在一些特殊船型和復雜的場合具有布置方便的優勢，同時尺寸規格也能做到靈活多變，而螺旋風管只有一些特定的規格。螺旋風管壁厚較薄，受材料性能所限，不能做到很大的尺寸，因此，在大口徑風管上，矩形風管依然無法被替代。