橫向補給用高強度張力軟管設計研究

郭 奎， 黃海波， 王 琦

（92942 部隊， 北京 100161）

0 引言

自19 世紀末航行補給出現以來，海上航行補給經歷了從單一液貨補給到綜合補給，從縱向補給到橫向、垂直補給的多次重大改進。 1944 年發明了跨索法橫向加油、1953 年研制出了平衡重錘張力補償裝置、1957 年確立了綜合補給思想， 隨即出現了自動傳送補給系統（FAST），上世紀70 年代中期，開始采用FAST 系統的改進系統—標準橫向補給裝置（STREAM），90 年代以來，圍繞著進一步提高補給海況和補給速度、減少作業人員等需求，發達國家海軍又開展了張力軟管法補給裝置、 航行自動對接裝置等新型補給裝備研究[1]。

美法海軍研制的新一代張力軟管海上補給系統，由200 英尺（61m）2.5 英寸（63mm）張力軟管、液壓泵、電動機和控制系統組成，取消了原來的吊桿柱和跨索，可明顯減少設備重量和所占空間。 海上試驗表明，接收船只需3人負責牽引張力絞車釋放的跨海合成索具， 節省了大量人力。

采用張力軟管法進行海上補給作業對軟管的強度有很高的要求， 由于省去了傳統液貨補給裝置的吊桿柱和跨索，要求軟管在沒有輔助支撐裝置的情況下，能夠保持自身形狀和結構，完成液貨的傳輸和補給；由于海上補給作業環境惡劣，海水的腐蝕，使得軟管的性能和使用壽命大打折扣；在補給作業時，由于海況的變化，并行的兩船之間的距離會發生很大的變化，這就要求兩船之間保持較遠的距離， 對軟管的強度和自身形狀的維持要求較高；同時，在補給過程中，由于海況變化，兩船之間的距離突然變大并超過軟管的長度時，會使兩船相互拖拽，發生危險。

因此，研究一種新型的張力軟管，能夠大大提高軟管的抗拉、抗壓強度，不需要跨索仍能保持完整的工作形狀；提高軟管的抗腐蝕性能，延長軟管的使用壽命，并使得在發生緊急情況時，兩船能夠迅速解脫連接。

1 張力計算分析

1.1 作業時軟管張力計算

1.1.1 軟管放出長度

補給作業時站到站的距離為35～45m，計算時按最大45m 計算，允許的補給站錯位角最大30°，根據論證報告，站的高度差約2.0m，軟管的下垂為3.0m，接頭和環性拉纜的長度約0.5m，工作狀態圖，見圖1。

圖1 軟管工作狀態圖

軟管曲線按懸鏈線進行簡化計算，軟管長度為兩掛點懸鏈線弧長與環型拉纜的長度的差，經計算兩掛點懸鏈線弧長為52.5m，所以軟管的放出長度為52.5-0.5=52（m），即軟管的最大放出長度為52m，以下計算均按52m 計算。

1.1.2 受力分析

軟管作業時所受張力F 主要由以下幾種力合成：

（1）放出輸油管及接頭自重W管。

（2）放出輸油管中油重W液。

（3）風對輸油管的作用力FW。

（4）空氣阻力Fk。

（5）輸油管與導向喇叭口間的摩擦力Ff。

考慮到兩船靜止狀態下進行輸油作業， 風對輸油管的作用力、空氣阻力、輸油管與導向喇叭口的摩擦力Ff要遠小于前2 種力，故忽略不計。

張力軟管補給時的結構近似于懸鏈線結構， 故在此按懸鏈線計算。 為計算方便， 將輸油管的形狀視為拋物線，并按均布載荷計算，受力如圖2 所示。

橫向補給時，軟管橫跨兩船，由于其自身的重力以及輸送液體的重量等因素，軟管將產生一定的下垂， 如圖2 所示，軟管的下垂距離h 與軟管的張力有關， 張力F 越大，下垂距離h 越小，越利于補給作業。 但是張力增加，對兩艦船的操縱性、裝置的功率和強度都不利。 下垂距離h 增加，軟管距離水面距離減小，一旦軟管進入水中，由于水的阻力遠遠大于空氣的阻力，軟管的張力將急劇增加， 所以優化設計張力F 和下垂距離h的關系是軟管設計的關鍵技術。 軟管張力與下垂距離的關系如圖3 所示。

圖2 懸鏈線受力示意圖

圖3 軟管張力與下垂距離的關系

1.1.3 張力計算

根據懸鏈線方程可知

式中：w—單位長度載荷；r—兩補給柱間距離（跨度）；f—矢度（放出輸油管中央的下垂度）而

已知：w管—輸油管單位長度質量，w管=3.0kg/m；d—輸油管內徑，d=0.077m；γ—油料密度，γ=850kg/m3。

經計算，長度為52m 時，得出表1 所示結果。

表1 輸油軟管張力

1.1.4 不同長度下的軟管張力分析

將軟管一端固定在拉力計上， 一端用鋼索連接通過定滑輪采用手拉葫蘆施加拉力，測出不同張力下的軟管下垂距離，從而計算出不同垂度下的張荷比，見表2，根據計算和試驗的結果，當跨距為50m，垂度為2～2.5m 時，張荷比為2.5～3.3 之間[2]。 設計時采用3.5 進行設計和計算。

表2 軟管不同垂度下的張荷比

目前，張力和垂度的關系沒有精確的計算方法，對于橫向干貨補給系統，一般選擇張荷比（鋼索張力與傳輸載荷的比值）為3～5，液貨補給為多點懸掛，一般也按干貨補給的參數進行設計， 對張力軟管這樣的均勻載荷沒有計算方法，如果系數選用小，影響補給作業的安全性，系數選用過大，將增加裝備的質量、體積和系統的功率。 對于均勻載荷，當其掛接在兩個掛接點時，其形狀更接近懸鏈線，所以采用懸鏈線理論進行近似計算[3]，并設計試驗方法對計算結果進行驗證（圖4）和修正。

圖4 張力測試方法

補給作業時站到站的距離為35～45m，允許的補給站錯位角最大30°，不考慮站的高度差，則軟管的最大放出長度為：L=45/cos30°=52.0m。 即軟管的放出長度為35m～52m。

軟管垂度按2～3m 選取，張重比系數k 分別取2.5 和3.5。 補償時，當軟管張力小于該放出長度時的3m 垂度張力值時收軟管，當軟管張力大于該放出長度時的2m 垂度張力值時放軟管。 如當軟管放出長度為45m（進行檢測）時， 當軟管張力小于9866N 時收軟管， 當軟管張力大于13812N 時放軟管。 橫向補給時軟管在補給作業過程中受到的最大張力約為F=16.0kN。

1.2 軟管結構

并行的兩船補給時， 要求軟管既要具備較好的柔韌性，又要滿足軟管的抗張力、抗拉力及軸向和徑向的形變要求，因此軟管設計為內膠層、骨架層（內膠保護層、高抗拉夾布層、鋼絲螺旋層、緩沖層、夾布層）和外膠層的結構形式。

內膠層：輸送液體介質（如油料、淡水等），對所輸送的介質具有抗燃油污染性、水質無污染性、密封性。

骨架層：支撐軟管的結構，承受工作壓力、張力。由纖維層、金屬螺旋層（在張力軟管的生產過程中可以根據具體的強度要求增減纖維層的數目或添加需要的功能纖維層）構成。內膠層保證由彈性體的橡膠到剛性體結構的高強纖維和金屬絲的無縫過渡與粘結， 使之成為結構完整的統一體，提高產品的整體性能；纖維層采用0.8mm 厚的FC300 型（6×8）纖維材料承受軸向拉力，具抗拉和抗張作用；金屬螺旋層采用螺旋鋼絲作支撐，承受徑向壓力，保證管體在正負壓的條件下膠管的通徑變化都在控制范圍內。

外膠層：保護骨架層，對軟管工作環境等損害具有抗耐性。這在航行橫向補給中有很重要的作用，因海況較復雜，軟管工作環境惡劣，如沒有外膠層，軟管將很快被海水腐蝕、風化，出現老化現象，影響張力軟管的使用壽命。

軟管結構圖如圖5 所示。

圖5 軟管結構圖

1.3 橡膠軟管性能參數計算

1.3.1 膠管耐壓強度計算

式中：P爆— 膠管耐壓強度（kgf/cm2）；i—夾布層數；Kb—膠布強度，65kgf/cm；D計1— 計算，8.24cm；D計2— 計算直徑，8.84cm。

1.3.2 膠管軸向力（抗張力）計算

式中：P軸破—膠管耐壓強度（kgf）；i—夾布層數；Kb—膠布強度（kgf/cm）；D計1—計算直徑（8.24cm）；D計2— 計算直徑（8.84cm）；P壓—工作壓力（kgf/cm2），則

1.3.3 接覆張力設計

接覆采用層與層之間套接， 并覆一層高強力中間膠片實現布層之間相互張力的傳遞與延伸。

式中：P破張—接覆段最大張力（kN）；σ—膠料強力（80kgf/cm2）；b—套接寬度（4cm）；D計2—計算直徑，（8.51cm）；η—綜合修正系數（0.6～0.8）。

則P破張=51.3kN

軟管接覆張力為17.1kN， 小于管體單體張力17.5 kN，故最小張力應為接覆張力17.1kN。

由以上計算可以看出，設計計算值遠大于設計要求，設計的張力軟管能夠滿足使用要求。

2 結論

新研制的張力軟管在骨架層中添加纖維層和金屬螺旋層，提高了軟管的結構強度，在海上補給過程中省去高架索等輔助支撐裝置，簡化了液貨補給裝置的結構，極大提高了作業性能， 能夠滿足海上航行橫向油水補給的要求，可解決兩船航行期間在無高架索狀態下的橫向液貨補給。