基于聚乙烯管的散貨船艙底壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙建宇，韓豐會

(揚(yáng)州中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225211)

0 引言

對于船舶壓載系統(tǒng)、艙底系統(tǒng)，目前國內(nèi)使用的主流材質(zhì)為無縫鋼管。企業(yè)通常采用熱浸鋅或油漆的方式對管子內(nèi)外表面進(jìn)行處理從而達(dá)到防腐蝕作用，但其處理方式成本較高且無縫鋼管重量較大，管子數(shù)量較多，焊接量較大，同時(shí)需花費(fèi)的制作及安裝工時(shí)較高。

在當(dāng)前船舶市場低迷的形勢下，精益化造船、縮短建造周期、降低造船成本是各大船舶企業(yè)爭相效仿的途徑。相比無縫鋼管，聚乙烯管憑借其重量輕、壽命長、耐蝕性好等特點(diǎn)，愈來愈受到船舶企業(yè)的青睞，可廣泛用于船舶壓載系統(tǒng)、艙底系統(tǒng)，同時(shí)可增加船舶貨物載重噸。

本文以208 000載重噸散貨船的壓載系統(tǒng)、艙底系統(tǒng)為研究對象，分析管子受力情況，計(jì)算支架設(shè)計(jì)位置、錨定點(diǎn)設(shè)計(jì)位置，給出支架及錨定點(diǎn)設(shè)置位置的推薦值。

1 聚乙烯管在船舶系統(tǒng)中的應(yīng)用優(yōu)勢

(1)重量輕，壽命長。聚乙烯管道材料密度為0.95 g/cm3，僅為鋼管的1/8，玻璃鋼管的1/2；一般聚乙烯管的壽命為50 a。

(2)耐腐蝕性好。船舶艙底壓載系統(tǒng)接觸的介質(zhì)為海水，海水對鋼管腐蝕性很大，鋼管使用前需采用熱浸鋅處理，其耐腐蝕程度遠(yuǎn)不如聚乙烯管。

(3)耐沖擊性好。玻璃鋼管較脆，受到外部沖擊后表面會產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)散，影響其承壓性能。而聚乙烯管為韌性材料，重物直接壓過管道不會破裂，安全性高。

(4)管道內(nèi)壁光滑，摩擦阻力小。因此在設(shè)計(jì)管道通徑時(shí)，可選用比鋼管小的規(guī)格。

(5)抗低溫性好。聚乙烯管在零下40 ℃的環(huán)境下使用也不會發(fā)生脆裂，而玻璃鋼管能夠承受的極限溫度僅為零下20 ℃。

(6)減輕船舶自重。由于船用聚乙烯管道重量較輕，可減輕船體總重量，同時(shí)大大增加船舶的運(yùn)載量，提高了船舶運(yùn)輸過程中的利益空間。

(7)施工成本低，節(jié)省船舶建造時(shí)間。船用聚乙烯管重量輕，施工靈活方便，免去了鋼管焊接打磨、鍍鋅處理等工序，大大縮短了船舶的管路制作及安裝周期。

2 管弄布局及斷管方案

2.1 管弄布局

208 000載重噸散貨船貨艙雙層底有管弄，結(jié)構(gòu)凈尺寸為3 800 mm×2 540 mm，壓載總管管徑公稱通徑DN600 mm，進(jìn)艙壓載管公稱通徑為DN450 mm，掃艙總管公稱通徑為DN200 mm，艙底總管公稱通徑為DN300 mm，其布置見圖1。

管系生產(chǎn)設(shè)計(jì)需充分考慮到管弄內(nèi)聚乙烯管安裝空間、遙控蝶閥安裝位置、螺栓安裝空間、管弄小車行走空間以及電纜托架布置空間[1]。

本船壓載艙艙高為25 550 mm，壓載艙內(nèi)的吸口管在壓載艙底部。當(dāng)滿艙壓載時(shí)，壓載泵抽吸艙內(nèi)水瞬時(shí)，管內(nèi)外會產(chǎn)生壓差。由于聚乙烯管外壁承受外部壓力能力較差，為避免壓差超出外壁承受的范圍從而造成聚乙烯管損壞，艙內(nèi)的管子選用無縫鋼管。鋼管的處理方式如下：壓載系統(tǒng)內(nèi)涂環(huán)氧粉末，艙底系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行熱浸鋅處理，兩個(gè)系統(tǒng)外部隨環(huán)境油漆處理。

圖1 管弄管子布置圖

遙控蝶閥的安裝需考慮雙頭螺栓及定位螺栓長度，距離船體結(jié)構(gòu)不能太近；兩壓載總管之間距離需保證管弄小車的正常通行。這兩個(gè)尺寸限制條件將壓載總管上三通、管頭、法蘭總尺寸固定。根據(jù)聚乙烯管廠家標(biāo)準(zhǔn)，彎頭、三通、法蘭的尺寸為標(biāo)準(zhǔn)件，聚乙烯管附件之間需熱熔在一起，因此最終累計(jì)長度尺寸較長，占用了較大空間，導(dǎo)致管弄空間不足，蝶閥無法安裝。聚乙烯管具有良好的可塑性，可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求，定做制定尺寸的成品部件，最終加工成整體尺寸，滿足其空間需求。

2.2 斷管方案

聚乙烯管連接采用熱熔對接或松套法蘭相組合的方式。因管弄空間限制，熱熔機(jī)無法在管弄內(nèi)施工，故選擇松套法蘭連接形式。在設(shè)計(jì)期間確定施工方案時(shí)，為避免聚乙烯管因周圍大量焊接工作遭到損壞，管支架、固定支撐、鋼管通艙件等焊接工作在預(yù)裝階段完成，聚乙烯管在總組階段安裝。管弄雙層底總段長度一般約為30 m，由兩個(gè)雙層底分段總組而成，可在分段縫處用聚乙烯管法蘭斷開，單根管子約15 m/根。總段內(nèi)固定支撐斷管形式見圖2。

圖2 總段內(nèi)固定支撐斷管形式

管弄壓載總管為聚乙烯管，總長420 m。本船聚乙烯管法蘭僅用了74塊，平均每根管子長度為12 m。該方案減少了聚乙烯管法蘭的使用量，降低了成本。

3 支架及錨定點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 支架布置

船用聚乙烯管支架形式選用板式抱箍進(jìn)行固定。鋼支架與管子之間不能直接接觸，中間用橡膠襯墊保護(hù)。

管道允許跨距取決于管材的剛度、管子截面的剛度、外載荷的大小、管道坡度的大小以及管道允許最大撓度等。管道最大允許跨距的計(jì)算通常應(yīng)按強(qiáng)度和剛度兩個(gè)條件進(jìn)行，取兩者中較小值作為推薦的最大允許跨距。

3.2 支架間距計(jì)算

本文對壓載水系統(tǒng)中公稱通徑為DN600 mm、壁厚為37.4 mm的聚乙烯管支架間距進(jìn)行計(jì)算[2]。

3.2.1 按強(qiáng)度條件計(jì)算管道允許跨距Lmax

將敷設(shè)在支架上的管道視為等跨連接梁，按強(qiáng)度條件計(jì)算管道允許跨距Lmax(對于連續(xù)敷設(shè)、均布載荷的水平單根直管)：

式中：δS為聚乙烯管許用應(yīng)力，δS=8 MPa(聚乙烯材料的固定系統(tǒng))；q為管道單位長度的荷重，包括管子自重、介質(zhì)重量；t為管道的壁厚；p為管道的內(nèi)壓；F為管內(nèi)徑；W為管道截面系數(shù)。

W=π(d4-D4)/32d

式中：d為管外徑。

經(jīng)計(jì)算：Lmax=4.86 m。

3.2.2 按剛度條件計(jì)算管道允許跨距Hmax

按剛度條件計(jì)算管道允許跨距Hmax(對于連續(xù)敷設(shè)、均布載荷的水平單根直管)：

式中：Ep為管材的彈性模量，Pa；J=π(d4-D4)/64，cm3；I為管道的敷設(shè)坡度，取0.001～0.003。

經(jīng)計(jì)算,Hmax=3.14 m。

綜上，取按強(qiáng)度及剛度兩個(gè)條件計(jì)算的最小值，該管道的最大允許管道支撐間距為3.14 m。考慮到本船船體結(jié)構(gòu)及實(shí)船肋位焊接需求，推薦布置間距為≤3 m。同理可得其他管徑支架間距值。本船船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)為1.5 m一檔，管箍固定位置正好焊接在船體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)上。

3.3 錨定點(diǎn)設(shè)計(jì)(固定支撐)

固定支撐形式見圖3。固定支撐用螺栓與聚乙烯管法蘭連接起來。

圖3 固定支撐

通常狀態(tài)下船用聚乙烯管自由段管道由季節(jié)溫差引起的縱向變形量的長度計(jì)算如下：

ΔL=αLΔT

式中：α為聚乙烯管的線膨脹系數(shù)，可取值0.15～0.20 mm/(m·℃)；L為管道縱向自由段的長度；ΔT為管道計(jì)算溫差。

208 000載重噸散貨船壓載水系統(tǒng)主管公稱通徑DN630 mm，壁厚37.4 mm。根據(jù)計(jì)算，兩管支架之間3 m距離，故L=3 m。假設(shè)溫差由20 ℃變?yōu)?0 ℃產(chǎn)生的軸向膨脹長度經(jīng)計(jì)算如下：

ΔL=αLΔT=9 mm

膨脹應(yīng)力計(jì)算如下：

F=ΔLrEcAr=αΔTEcAr

式中：F為膨脹應(yīng)力；ΔLr為相對延伸值,ΔLr=ΔL/L=αΔT；Ec為聚乙烯材料的彈性模量,Ec=850 MPa；Ar為管壁截面積。

根據(jù)上述公式，聚乙烯管路的膨脹應(yīng)力與管材長度無關(guān)。以本船壓載水聚乙烯管DN630型號為例，管道計(jì)算溫差在較大值ΔT為20 ℃的情況下，根據(jù)公式得出聚乙烯管兩端產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力為F/2=54.9 kN；而鋼管(Φ630 mm×13 mm)在同等溫差及長度條件下管兩端產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力約為F/2≈3 223 kN，聚乙烯管膨脹應(yīng)力相較于鋼管可忽略不計(jì)。聚乙烯材料的彈性模量極低，僅為850 Pa，而鋼的彈性模量為2.06×1011Pa，船用聚乙烯管支架固定兩端產(chǎn)生的軸向應(yīng)力相比于鋼管產(chǎn)生的應(yīng)力則非常小；再加上管卡緊固鎖死以致聚乙烯管的膨脹變形只會局部發(fā)生在兩個(gè)管卡之間，管卡處的受力無論膨脹和收縮都相互抵消(見圖4)，最后作用到鋼制結(jié)構(gòu)的艙壁上的應(yīng)力已經(jīng)微不足道[3]。

圖4 膨脹后示意

由于聚乙烯管柔韌性較好，一般的軸向膨脹可以通過自身輕微的彎曲予以消除吸收，故不會對船體結(jié)構(gòu)造成損傷。為了適應(yīng)船體變形和保護(hù)整個(gè)聚乙烯管路系統(tǒng)，單根壓載主管在整個(gè)管路上均勻增設(shè)4個(gè)錨定點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)管弄布局，打破管附件標(biāo)準(zhǔn)化尺寸，對管附件進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，壓縮空間，使得狹小空間布局合理。

(2)聚乙烯管采取分段總組階段安裝工藝和優(yōu)化管子斷管方案，減少了松套法蘭使用量和總組階段安裝工時(shí)。

(3)通過設(shè)計(jì)計(jì)算，推薦合適的支架及錨定點(diǎn)位置，保證聚乙烯管在船舶正常工況下運(yùn)行的安全可靠。