深水起重鋪管船暖通系統(tǒng)輕量化設(shè)計研究

潘旭，張譯元

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

深水起重鋪管船在海底管線鋪設(shè)、起重打撈和海洋風(fēng)電安裝等領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。該船猶如一個海上工廠，將重型起重裝備、管子加工處理工廠、海底鋪設(shè)系統(tǒng)等集于一身，設(shè)備眾多、系統(tǒng)繁雜、船體構(gòu)造極其復(fù)雜，因此對全船重量重心控制是極大的挑戰(zhàn)。管、電、舾各專業(yè)都需竭盡所能優(yōu)化設(shè)計方案，嚴(yán)格控制重量重心。暖通系統(tǒng)作為海工裝備中重要的組成部分，輕量化設(shè)計研究也顯得尤為重要。

1 暖通系統(tǒng)主要重量構(gòu)成分析

針對暖通系統(tǒng)輕量化設(shè)計，首先要分析系統(tǒng)的主要重量構(gòu)成。

（1）設(shè)備類主要考慮滿足設(shè)計功能和相關(guān)要求，確定設(shè)備廠商和設(shè)備選型時可以提出相關(guān)減重要求，但設(shè)備商在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計和制造時為節(jié)約成本同時滿足性能參數(shù)要求，一般已經(jīng)將設(shè)備的重量和外形“瘦身”到了極致，不會留有較多余量，這項不作為本文研究的重點。

（2）閥附件類與設(shè)備類相似，在滿足設(shè)計功能及相關(guān)要求的前提下，可以在材質(zhì)、尺寸、形式等方面盡量考慮輕量化選型，但在船廠設(shè)計階段，這項的減重效果甚微。

（3）風(fēng)管是暖通系統(tǒng)的主要組成部分，在系統(tǒng)中連通設(shè)備與服務(wù)處所，負(fù)責(zé)空氣輸送和氣流組織布置。受材質(zhì)和布置方案影響，材料用量有著較大的彈性空間，重量控制的可行性較高，因此在設(shè)計階段，風(fēng)管減重可以作為重要的輕量化研究方向。

（4）支架和基座作為暖通系統(tǒng)重要的輔助部件，負(fù)責(zé)風(fēng)管、設(shè)備的支撐與固定，調(diào)整應(yīng)力和承受載荷，保證系統(tǒng)的安全可靠，這項在材質(zhì)選型、形式構(gòu)造和布置方案上有較多的設(shè)計優(yōu)化方法，因此在設(shè)計階段可以作為重要的輕量化研究方向。

（5）結(jié)構(gòu)風(fēng)道也是通風(fēng)系統(tǒng)的主要組成部分，它往往是超大型主通風(fēng)路徑和風(fēng)管穿越特殊場所的首要選擇，在機(jī)艙、泵艙、貫穿壓載艙等位置較為常見，這部分重量控制研究往往會被忽略，因為對暖通專業(yè)而言，操作起來有較大困難。結(jié)合本項目的特點和部分位置的情況，經(jīng)研究仍有可以優(yōu)化減重的方法。

2 暖通系統(tǒng)輕量化設(shè)計方向確定

根據(jù)對暖通系統(tǒng)主要重量構(gòu)成分析，在系統(tǒng)設(shè)計和建模布置階段對風(fēng)管、支架及基座、結(jié)構(gòu)風(fēng)道三個方面的設(shè)計自主掌握程度較高，有較大的優(yōu)化空間進(jìn)行輕量化方案設(shè)計，對系統(tǒng)“減重瘦身”有較大的可行性，值得重點研究。我們將重點聚焦在這三個類別上，并針對不同類別的特點,從系統(tǒng)設(shè)計、材料選型、形式構(gòu)造、方案替代等方面有針對性地采取一種或多種方法組合達(dá)到為暖通系統(tǒng)減重的目的。

3 暖通系統(tǒng)部分輕量化設(shè)計案例分析

針對上述確定的暖通系統(tǒng)輕量化重點研究方向，以在建深水鋪管船為例進(jìn)行案例分析介紹，并用對比數(shù)據(jù)予以比較優(yōu)化結(jié)果。

3.1 風(fēng)管輕量化設(shè)計

風(fēng)管作為暖通系統(tǒng)除設(shè)備外最主要重量來源，主要從以下幾個方面進(jìn)行輕量化設(shè)計。

（1）上建空調(diào)系統(tǒng)，廁所排風(fēng)系統(tǒng)等盡可能多地采用螺旋風(fēng)管。螺旋風(fēng)管具有美觀、結(jié)構(gòu)精巧、內(nèi)壁平整光滑、質(zhì)輕、強(qiáng)度高等特點，其單根風(fēng)管長度可以達(dá)到3～6m長，相對于普通風(fēng)管單個零件1～2m的長度，可以大大減少管件的連接點，且管件連接基本不需要鋼制法蘭和螺栓，相對于普通風(fēng)管整體減重比例可達(dá)20%以上。同時，由于螺旋風(fēng)管本身的質(zhì)量減輕和強(qiáng)度增加，相應(yīng)的風(fēng)管支架型材規(guī)格可減小，且支架間距可加大到3m左右，支架數(shù)量的減少同樣對輕量化設(shè)計有利。

（2）矩形風(fēng)管除需要滿足特殊的穿艙、防火、水密要求及部分焊接位置外，一律減少厚壁鋼制風(fēng)管的使用。以往項目單邊長超過一米的風(fēng)管，壁厚基本均采用3～5mm鋼板制成，主要考慮風(fēng)管強(qiáng)度及運輸安裝過程中的風(fēng)管變形問題。按照風(fēng)管實際工作環(huán)境要求采用普通的鍍鋅白鐵皮就可以滿足。本項目風(fēng)管數(shù)量多且尺寸較大，參考國內(nèi)外海工項目及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定了風(fēng)管材質(zhì)選用標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 矩形鍍鋅風(fēng)管材質(zhì)選用表

同時，考慮到大尺寸風(fēng)管容易變形的問題，可在風(fēng)管內(nèi)壁沿氣流方向或在風(fēng)管外壁平行于風(fēng)管法蘭增加筋板加強(qiáng)，用此方式可以將大型風(fēng)管制作材料由厚壁鋼制風(fēng)管替換為鍍鋅薄鋼板，單個零件減重比例可達(dá)50%以上。

（3）風(fēng)管走向設(shè)計時，通過氣流組織模擬，多種設(shè)計方案對比，選定最佳最簡潔的設(shè)計方案。風(fēng)管布置方面也要綜合考慮，3D建模階段要與各專業(yè)協(xié)調(diào)平衡，減少繞道等冗余布置，盡量簡化風(fēng)管路徑以達(dá)到輕量化設(shè)計目標(biāo)。

3.2 支架及基座輕量化設(shè)計

（1）海工項目暖通系統(tǒng)風(fēng)管支架及小型設(shè)備基座大多采用角鋼形式。本項目從減重、方便現(xiàn)場施工、便于調(diào)節(jié)建造誤差減少修改廢返的因素考慮，采用多孔角鋼材料。通過對多孔角鋼材料進(jìn)行應(yīng)力分析與形變計算，確定同型號的多孔角鋼支架的強(qiáng)度和剛度與普通角鋼支架無異，根據(jù)角鋼多孔形式和數(shù)量排布的不同，多孔角鋼的重量可減輕 10%～ 20%。

（2）3D建模時，在一些空間緊張、多專業(yè)密集布置的場所，比如，鋪管區(qū)挑高空間綜合管系、電纜、風(fēng)管的合理布置，充分利用空間，通過組合支架共用的方式以節(jié)省多專業(yè)支架數(shù)量，減少吊裝總支撐型材用量以達(dá)到輕量化設(shè)計目標(biāo)。如圖1，自上而下分別為電纜托架，管系、三路風(fēng)管。

圖1 組合支架典型圖

（3）海工裝備暖通系統(tǒng)中較大型的冷水機(jī)組、空氣處理機(jī)組、大型風(fēng)機(jī)風(fēng)帽等重量一般也在五噸以下，設(shè)計師較多參考以往項目或者根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計基座，這往往使得設(shè)計留有較大余量。可以通過優(yōu)化基座構(gòu)造及材料選擇，運用拓?fù)浠瘧?yīng)用等方法實現(xiàn)輕量化設(shè)計目標(biāo)。對于暖風(fēng)機(jī)、小型風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管等小型設(shè)備，重量一般在幾十到幾百千克，這類輕型設(shè)備基座可參考風(fēng)管支架的設(shè)計方法，對基座形式和型材選擇加以優(yōu)化，例如，使用簡潔的構(gòu)造減少型材用量，使用多孔角鋼材料等。

3.3 結(jié)構(gòu)風(fēng)道輕量化設(shè)計

本項目船型巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于主甲板中段要作為物料堆場，尾段有大型起重機(jī)底座占據(jù)大部分空間，首段是上層建筑，所以用于風(fēng)口風(fēng)帽設(shè)置的空間極其受限。送排風(fēng)口位置密集布置于局部特定位置，使得風(fēng)管貫穿通往各服務(wù)場所受限嚴(yán)重，需要使用大量結(jié)構(gòu)風(fēng)道。但是，結(jié)構(gòu)風(fēng)道大量使用也會有不利影響。例如，結(jié)構(gòu)風(fēng)道會依據(jù)原有結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計，尺寸會較通風(fēng)原理需求有所放大，且需要設(shè)計風(fēng)道加強(qiáng)構(gòu)建，會造成暖通系統(tǒng)重量大大增加。結(jié)構(gòu)風(fēng)道內(nèi)部一般不光順，局部急轉(zhuǎn)急變現(xiàn)象較為常見，內(nèi)部有結(jié)構(gòu)加強(qiáng)部件，造成路徑上的突縮突擴(kuò)，增加阻力影響氣體流動，如設(shè)置大量導(dǎo)流板不僅會增加內(nèi)部施工難度，也會額外增加重量。通過研究發(fā)現(xiàn)，在綜合考慮貫穿艙室水密和防火要求，空間需求、現(xiàn)場施工便利及輕量化設(shè)計目標(biāo)的前提下，發(fā)現(xiàn)很多特定位置可以用無縫鋼管來代替結(jié)構(gòu)風(fēng)道。本項目經(jīng)研究對比和論證，將風(fēng)道截面積小于0.4㎡的結(jié)構(gòu)風(fēng)道，用最大直徑為720mm的無縫鋼管替代。無縫鋼管制作標(biāo)準(zhǔn)為GBT 8163-08，法蘭制作標(biāo)準(zhǔn)為GBT 9119-2010 板式平焊鋼制管法蘭，設(shè)計壓力為PN6.0。

如圖2所示，A位置兩路風(fēng)道需要從主甲板貫通到雙層底，長度超過16m。如果做成結(jié)構(gòu)風(fēng)道，需要利用原有船體結(jié)構(gòu)并考慮人員施工及風(fēng)道后期油漆、維護(hù)等工作，風(fēng)道最小需要做到700mm寬。根據(jù)風(fēng)量計算，此處風(fēng)管用無縫鋼管325×9.5即可滿足要求。

通過對比計算：

A位置兩路結(jié)構(gòu)風(fēng)道連體并利用原有結(jié)構(gòu)艙壁，長度為16m，用于計算新增結(jié)構(gòu)風(fēng)道板材為圖2所示1～5新增結(jié)構(gòu)壁，壁厚為8mm,取鋼材密度為7850kg/m3，則結(jié)構(gòu)增加重量為3516.8kg,若包含結(jié)構(gòu)加強(qiáng)筋等總重約4000kg。替換為兩路325×9.5規(guī)格的無縫鋼管后，查得該規(guī)格無縫鋼管每米重量為73.92kg,則兩根16m長度的無縫鋼管重量為2365.44kg,若包含管路附件、支架，總重約2600kg。

圖2 A位置水密風(fēng)管替代結(jié)構(gòu)風(fēng)道俯視圖

數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，此替代方案可減重約1400kg,減重比例達(dá)35%。根據(jù)測算其他位置減重比例也大多集中在25%～40%，本項目最終全船實際用于替代結(jié)構(gòu)風(fēng)道的無縫鋼管重量為71.5t，按減重比例低值25%估算比原有結(jié)構(gòu)風(fēng)道減重約24t以上。結(jié)構(gòu)風(fēng)道受具體位置和尺寸大小影響并非完全可以替代，比如，機(jī)艙泵艙主結(jié)構(gòu)風(fēng)道尺寸過大，無法用無縫鋼管替代。

4 結(jié)語

海工裝備的重量控制一直是比較重要的問題，不僅關(guān)系到裝備的整體性能與使用安全，也關(guān)系到建造和運營成本，國內(nèi)各大型船廠近年來也一直在探索改進(jìn)。輕量化設(shè)計理念需要在設(shè)計和建造階段綜合考慮，需要項目參與的每個人共同努力去研究，從每個細(xì)小的切入點入手。本文介紹的一些方法在本項目中對暖通系統(tǒng)的重量控制起到了積極的作用，希望可以對其他海工項目的暖通系統(tǒng)輕量化設(shè)計提供思路。