船舶管路中的柔性設(shè)計(jì)

劉波

摘要：船舶管路是船舶的重要組成部分，在船舶裝卸、航行以及管路輸送介質(zhì)不同都會(huì)經(jīng)歷溫差變化。另外，船舶航行時(shí)，船舶搖擺及裝載而引起船體變形，也對(duì)管路造成不利影響。由于以上原因，從理論分析管路所受到的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力及管路的熱膨脹變化。從設(shè)計(jì)的角度，改變管路走向，增加膨脹節(jié)，使用軟管等方式增加船舶管路的柔性，降低由于溫差、船體變形、機(jī)械振動(dòng)等因素造成的管路損壞。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力;熱膨脹;柔性設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：F407.474? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）08-0030-03

0? 引言

船舶管路是船舶上用來(lái)傳送油、水、氣等相關(guān)工作介質(zhì)，使船舶上的各種機(jī)械設(shè)備的相互連接，并能完成一定的任務(wù)和滿足特定的功能。船舶管路在船舶動(dòng)力裝置中是一個(gè)重要組成部分，因此，船舶的管路設(shè)計(jì)也就是船舶設(shè)計(jì)及動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)中不可缺少的內(nèi)容。

船舶管路設(shè)計(jì)時(shí)，管路的柔性設(shè)計(jì)是不能忽視的問(wèn)題，當(dāng)管路出現(xiàn)長(zhǎng)直管（通常出現(xiàn)在主甲板面，貨艙雙層底等處所）或設(shè)計(jì)溫差較大，管道材料的膨脹收縮以及機(jī)械設(shè)備震動(dòng)會(huì)在管道中以及管道與管端設(shè)備的連接處產(chǎn)生較大的應(yīng)力。應(yīng)力過(guò)大會(huì)引起造成法蘭密封泄漏，管子焊縫或管端設(shè)備的損壞及正常運(yùn)行。所以，船舶管路設(shè)計(jì)中，使管路擁有必要的柔性就非常重要。

1? 管路的引力分析

船舶管道在使用過(guò)程中，損壞的主要原因是船舶管道應(yīng)力過(guò)大所導(dǎo)致。在對(duì)管道應(yīng)力程度進(jìn)行評(píng)判時(shí)，一般根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力的原因不同可將應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力[1]。

1.1 一次應(yīng)力

一次應(yīng)力是指由于管道受到外部載荷作用而產(chǎn)生的應(yīng)力[1]。此應(yīng)力的特點(diǎn)是：與外載荷的平衡，隨外部載荷的增大而增大。管道承受的介質(zhì)內(nèi)壓、自重、介質(zhì)重量等持續(xù)外部載荷產(chǎn)生的應(yīng)力均屬一次應(yīng)力[2]。

ASME B31.3中指出，在計(jì)算管道縱向應(yīng)力的同時(shí)應(yīng)考慮軸向力對(duì)管道的作用，因此一次應(yīng)力由壓力、附加軸向外力和彎矩引起，即[1]：

式中，？滓1為一次應(yīng)力;？滓L為管道縱向應(yīng)力;F為附加軸向力;A為管道橫截面積;P為設(shè)計(jì)壓力;D為平均直徑;S為壁厚;M為合成彎矩;W為抗彎截面模量。

一次應(yīng)力的校核標(biāo)準(zhǔn)為：

式中，[？滓]h為管道在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)，材料在預(yù)計(jì)最高溫度下的許用應(yīng)力。

1.2 二次應(yīng)力

二次應(yīng)力是指由于管道變形遭到約束而發(fā)生的應(yīng)力。此應(yīng)力的特點(diǎn)是：它與外力無(wú)關(guān)，具有自限性，即管道內(nèi)的塑性區(qū)域擴(kuò)大，達(dá)到極限狀態(tài)后，由于局部位移受到約束，從而變形不再繼續(xù)增大。因此，管道由于自身位移受到阻礙，管道的熱膨脹等產(chǎn)生的應(yīng)力都屬二次應(yīng)力。

ASME B31.3中規(guī)定的位移應(yīng)力？滓E即管道的二次應(yīng)力：

式中，？滓2為二次應(yīng)力;Mi為平面內(nèi)熱膨脹彎曲力矩;M0為平面外熱膨脹彎曲力矩;ii為平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù);i0為平面外應(yīng)力增大系數(shù);Mn為扭矩;W為抗彎截面模量。

二次應(yīng)力的校核標(biāo)準(zhǔn)為：

其中，[？滓]A為許用位移應(yīng)力;[？滓]C為在管道設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)，材料在設(shè)計(jì)最低溫度時(shí)的許用應(yīng)力;f為管道位移應(yīng)力減小系數(shù)。

2? 管道的熱膨脹

船舶管路在安裝完成后，實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，由于環(huán)境溫度的不同，介質(zhì)溫度的不同，管道的長(zhǎng)度會(huì)有一點(diǎn)的變化量。

管道的熱收縮量按下公式計(jì)算[3]：

式中：L——用于計(jì)算（或兩固定支撐）的管長(zhǎng)，單位：m;

T1——介質(zhì)溫度，單位：℃;

T2——常溫（或安裝時(shí)溫度），一般取20℃，單位：℃;

α——管材的線膨脹系數(shù)（見表1），單位：/℃。

在船舶管路中，過(guò)熱管路（如：排氣管路、燃油管路、蒸汽管路、高溫水管路……等）以及過(guò)冷管路（如：LNG管路、冷凍管路、冷媒水管路……等）一定要考慮管路的熱膨脹（收縮）對(duì)整體的影響;還有對(duì)于長(zhǎng)直管路也許要考慮環(huán)境溫度變化對(duì)管路的影響，如貨艙雙層底內(nèi)的管路、甲板面消防管、甲板面電纜管、甲板面油品輸送管……等。

3? 管路的柔性設(shè)計(jì)

3.1 船舶管路柔性設(shè)計(jì)的目的

柔性設(shè)計(jì)的目的是為了保證管道在設(shè)計(jì)條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、端點(diǎn)附加位移、管道支承設(shè)置不當(dāng)?shù)仍蛟斐上铝袉?wèn)題：

①管道應(yīng)力過(guò)大會(huì)引起管道疲勞;

②管道推力過(guò)大造成支架損壞;

③管道連接處產(chǎn)生泄漏;

④管道推力或力矩過(guò)大，影響與其相連接的設(shè)備正常運(yùn)行。

3.2 獲得管路柔性的方法

為了使船舶管路獲得一定的柔性，我們?cè)诠苈吩O(shè)計(jì)時(shí)，通?？梢愿淖児苈返淖呦騺?lái)獲得柔性、增加膨脹節(jié)及使用軟管連接來(lái)獲得柔性。

3.2.1 改變管路的走向

在管路設(shè)計(jì)中，改變管路的走向獲得柔性的方法通常有L型直角彎、Z型折角彎、π型彎以及空間立體彎幾種。

①平面L型直角彎設(shè)計(jì)。

如圖2，當(dāng)管路從A點(diǎn)到B點(diǎn)，A，B點(diǎn)均為固定支撐點(diǎn)，為了增加管路的柔性，可將管路設(shè)計(jì)為L(zhǎng)型，用L型的長(zhǎng)臂與短臂的伸縮來(lái)吸收管路對(duì)A點(diǎn)與B點(diǎn)的影響。當(dāng)長(zhǎng)臂與短臂的長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)可以增加具有導(dǎo)向作用的滑動(dòng)支撐。

②平面Z型折角彎設(shè)計(jì)。

如圖3，當(dāng)管路從A點(diǎn)到B點(diǎn)，A、B點(diǎn)均為固定支撐點(diǎn)，為了增加管路的柔性，可將管路設(shè)計(jì)為Z型，用Z型的長(zhǎng)臂與短臂的伸縮來(lái)吸收管路對(duì)A點(diǎn)與B點(diǎn)的影響。當(dāng)長(zhǎng)臂與短臂的長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)可以增加具有導(dǎo)向作用的滑動(dòng)支撐。

③平面π型彎設(shè)計(jì)。

如圖4，當(dāng)管路從A點(diǎn)到B點(diǎn)，A、B點(diǎn)均為固定支撐點(diǎn)，為了增加管路的柔性，可將管路設(shè)計(jì)為π型，用π型的長(zhǎng)臂與短臂的伸縮來(lái)吸收管路對(duì)A點(diǎn)與B點(diǎn)的影響。當(dāng)長(zhǎng)臂與短臂的長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)可以增加具有導(dǎo)向作用的滑動(dòng)支撐。（圖5）

④空間立體彎設(shè)計(jì)。

如圖6，當(dāng)管路從A點(diǎn)到B點(diǎn)，A、B點(diǎn)均為固定支撐點(diǎn)，為了增加管路的柔性，可將管路設(shè)計(jì)為空間立體彎，空間立體彎可以吸收管路上各段膨脹量對(duì)固定點(diǎn) A點(diǎn)與B點(diǎn)的影響。

3.2.2 增設(shè)膨脹節(jié)

當(dāng)設(shè)備及管路布置比較緊湊，有限的空間無(wú)法實(shí)現(xiàn)更改管路走向來(lái)增加管路柔性，或在設(shè)備與管路的接口處，或?yàn)榱烁綦x設(shè)備震動(dòng)，我們通常布置膨脹節(jié)來(lái)增加管路的柔性。管路膨脹節(jié)具有空間小、補(bǔ)償量大等特點(diǎn)，廣泛用于船舶管路中。

一般情況下，在設(shè)備進(jìn)出口，為了消除設(shè)備震動(dòng)的對(duì)管路的影響，可以在管路與設(shè)備的連接處增加橡膠膨脹節(jié)（高溫管路除外，如排氣管、熱油管），橡膠膨脹節(jié)可補(bǔ)償軸向、橫向、角向，具有無(wú)推力、消聲減振、體輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維修方便特點(diǎn)。

當(dāng)管徑加大，介質(zhì)溫差大，空間受限的情況下，我們通常選用金屬波紋膨脹節(jié)。

膨脹節(jié)一般分為金屬膨脹節(jié)和非金屬膨脹節(jié)兩類。其中金屬膨脹節(jié)又分為波紋管膨脹節(jié)和套筒式膨脹節(jié)等。

①波紋管膨脹節(jié)[4]。

波紋管膨脹節(jié)是用金屬波紋管制成，它能沿管道軸線方向伸縮，也允許一定量的彎曲。波紋管膨脹節(jié)用在管道上對(duì)管道因熱膨脹產(chǎn)生的軸向長(zhǎng)度變化進(jìn)行補(bǔ)償，也用于消除脈沖引起的震動(dòng)。

為了安裝時(shí)產(chǎn)生變形， 在波紋管兩端設(shè)置有定位螺栓， 在安裝時(shí)定位螺桿應(yīng)處于鎖緊狀態(tài)，在投入使用前將定位螺桿拆除。波紋膨脹節(jié)一般用于壓力不很高的管道上，可用在溫度較高的管路上，如電纜管、排氣管、壓載管……等。

②套筒式膨脹節(jié)。

套筒式膨脹節(jié)也稱管式伸縮節(jié)、套筒式補(bǔ)償器，主要用于直線管道上。適用于熱水、蒸氣、熱油等介質(zhì)的運(yùn)送，通過(guò)滑動(dòng)套筒對(duì)外套筒的滑移運(yùn)動(dòng)，達(dá)到補(bǔ)償熱膨脹的作用[5]。

套筒式膨脹節(jié)適用于介質(zhì)工程壓力≤2.5MPa，介質(zhì)溫度-40～600℃。

套筒式膨脹節(jié)采用的密封材料柔性石墨環(huán)，其具有強(qiáng)度大、摩擦系數(shù)小、不老化、效果好、維修方便等特點(diǎn)。

套筒式膨脹節(jié)的使用壽命大，疲勞壽命與管道相當(dāng)。

③非金屬膨脹節(jié)。

非金屬膨脹節(jié)可補(bǔ)償軸向、橫向、角向，具有無(wú)推力、簡(jiǎn)化支座設(shè)計(jì)、耐腐蝕、耐高溫、消聲減振等特點(diǎn)，用于船舶管路中起補(bǔ)償作用的連接件，連接震動(dòng)幅度較小的船舶設(shè)備。常用于油、水等介質(zhì)的管道與設(shè)備相接。

非金屬膨脹節(jié)的特點(diǎn)：1）補(bǔ)償熱膨脹：可以補(bǔ)償多方向，大大優(yōu)于只能補(bǔ)償軸向的金屬膨脹節(jié)。2）補(bǔ)償安裝誤差：非金屬膨脹節(jié)能有效的補(bǔ)償了安裝管路安裝過(guò)程中的誤差。3）消聲減振：非金屬能很好的隔離震動(dòng)傳遞的功能，能有效的減少設(shè)備震動(dòng)對(duì)管路的影響的和噪聲擴(kuò)散。4）無(wú)反推力：由于橡膠等非金屬不能傳遞推力，減少管路對(duì)設(shè)備的影響。5）耐腐蝕性：氟橡膠、有機(jī)硅等非金屬材料材料具有較好的耐溫和耐腐蝕性能。6）耐高溫性：所有的非金屬都不能不耐高溫，比金屬膨脹節(jié)差。7）體輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維修方便。

3.2.3 使用軟管連接

軟管連接是船舶管路中常用的一種柔性連接方式，一般用于連接震動(dòng)較大的船用設(shè)備、有運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)備或高壓設(shè)備等。如空壓機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)吊車、步橋等。

軟管連接的特點(diǎn)：

①安裝方便，簡(jiǎn)單，不用考慮設(shè)備及管路的誤差。

②無(wú)震動(dòng)、噪音傳遞。

③不存在任何反向的力的傳遞。

④耐腐蝕性好。

⑤不耐高溫，不能用于高溫系統(tǒng)。

4? 結(jié)束語(yǔ)

船舶管路中，在不同的管路系統(tǒng)與所處的位置選用適當(dāng)?shù)姆绞竭m當(dāng)提高管路柔性，能大大提高管路的使用壽命，減少管路對(duì)設(shè)備的損壞，并且有效的降低噪音。

參考文獻(xiàn)：

[1]ASME B31.3. ASME Code for Pressure Piping，2012[S].

[2]甘紹警，周瑞平，甘少煒，蘇陽(yáng).船用LNG儲(chǔ)罐與管道應(yīng)力計(jì)算[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018（1）：35-40.

[3]唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析[M].北京：中國(guó)石化出版社，2009：169-170.

[4]GB/T12777-2019，金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件[S].

[5]斯派莎克工程（中國(guó)）有限公司. 蒸汽和冷凝水系統(tǒng)手冊(cè)[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2007.