新型船用排氣管氣密防火通艙裝置設計研究

沈 薔

渤海船舶職業學院，遼寧 興城 125105

船舶排氣系統是為船舶主機、發電機、燃油鍋爐等設備排除工作時產生的廢氣的管系，除了基本的工作要求，還應該滿足降低噪聲的要求。對于一些特殊船舶，比如LNG 船舶、油船等，運送的貨物均屬于易燃易爆危險品，因此要特別考慮防火防爆問題，要求排氣管系能熄滅火星。對于一些軍用艦艇，還應考慮隱蔽性。

船用的排氣管道需要輸送大量的熱廢氣甚至熱廢氣中還會存有火星，所以排氣管道通常溫度很高，經過甲板等易燃物品時，很容易點燃物品造成火災，輕則造成財產的損失，重則危及人的生命安全[1]。因此，設計一種新型的船用排氣管氣密防火通艙裝置，能有效降低排溫，對于船用排氣管的密封性以及防火性十分必要。

1 裝置結構

本裝置是為了解決現有排氣管道溫度高、易點燃物品的問題。因此，對該船用排氣管氣密防火通艙裝置進行了如下設計：裝置的主體是個環體，環體和管道固定連接，環體內腔下側設有儲水室，儲水室內壁固定連接有伸縮囊，伸縮囊內壁固定連接有彈簧，正視結構示意圖和正面剖面結構示意圖如圖1、圖2 所示。

圖1 正視結構示意圖

圖2 正面剖面結構示意圖

位于伸縮囊兩側的儲水室外壁分別開設有第一進水口和第一出水口，儲水室頂部均固定連接有水管，且水管貫穿儲水室頂部，水管靠近管道一側的側壁開設有第二出水口，儲水室頂部均開設有第二進水口。伸縮囊頂端固定連接有導熱棒，且導熱棒另一端與管道外壁相連接；伸縮囊內腔設置有液體，液體為丙酮水溶液，伸縮囊采用抗高溫柔性材料。第一進水口和第二進水口內部均設置有單向閥；第一進水口、第二進水口、第一出水口和第二出水口均等間距分布且大小相同，伸縮囊伸出的壓力大于第一出水口和第二出水口噴水所需的壓力。

2 裝置工作原理

結合本裝置例圖，對本裝置工作原理、實現過程進行清楚、完整的描述。如圖3、圖4 所示，當管道外壁溫度過高時，此時與管道外壁接觸的導熱棒206 會將溫度傳導給伸縮囊201 內腔的丙酮水溶液，接著在高溫的作用下丙酮水溶液開始氣化，伴隨著氣化的發生，伸縮囊201 內腔的壓力增大，此時伸縮囊201 開始向儲水室2 內腔伸出，此時儲水室2 內腔的壓強增大，由于第一進水口202 和第二進水口207 單向閥的阻斷作用，所以水不會從進水口噴出，同時儲水室2 內的水從第一出水口203 噴出，然后對底部的管道外壁進行降溫，接著儲水室2 內的水也會被擠壓從而流向與儲水室2 頂部固定連接的水管204，水會從水管204 側壁設置的第二出水口205 噴向管道外壁進行降溫，管道外壁的溫度會逐漸降低，從而有效避免因溫度過高而點燃管道外壁處的易燃物品，保障了生命和財產的安全。隨著管道外壁溫度開始降低，此時伸縮囊201 內腔的丙酮水溶液會開始從氣化轉為液化狀態，之后在彈簧208 回彈力的作用下伸縮囊201 會變成原先狀態，此時冷卻管道外壁后的水，會流向儲水室2的側壁和頂部，然后通過水的重力使儲水室2 側壁上開設的第一進水口202 和頂部開設的第二進水口207 打開單向閥后流入儲水室2，從而達到了循環利用的效果。

圖3 裝置正面部分剖面結構示意圖

圖4 裝置俯視剖面結構示意圖

綜上所述，當管道外壁溫度過高時，環體1內腔的儲水室2 在壓強的作用下會及時地將水噴向管道外壁，達到降溫的效果，從而使得排氣管道在使用過程中更加安全，同時儲水室2 內腔水可循環利用，也使得此裝置更具實用性。

3 技術創新性

相比現有技術，本裝置有諸多改進，裝置通過導熱棒、伸縮囊、彈簧、儲水室之間的配合，達到冷卻的效果，避免了因管道外壁溫度過高引發火災，同時儲水室可以對冷卻水進行回收，實現了循環使用[2]。

此外，第一進水口202 和第二進水口207 內部均設置有單向閥。第一進水口202、第二進水口207、第一出水口203 和第二出水口205 均等間距分布且大小相同。因此，可以保證在儲水室2 內腔壓強過大時，不會讓冷卻水從第一進水口202 和第二進水口207 噴出，確保冷卻水可以從第一出水口203 和第二出水口205 高速、高效地噴向管道外壁，增強冷卻效果。伸縮囊201 伸出的壓力大于第一出水口203 和第二出水口205 噴水所需的壓力，因管道外壁溫度過高，伸縮囊201 開始向儲水室2 內腔伸出，此時增大的壓強可以迫使儲水室2 內腔的冷卻水從第一出水口203 和第二出水口205 噴出，從而達到冷卻管道外壁的效果，提高裝置的合理性和實用性。

本裝置可以通過安裝自動監測儀表，包括溫度計、壓力表等，自動監測內部溫度、壓力。丙酮溶劑具有易揮發特性，受熱膨脹，當溫度升高時，伸縮囊膨脹擠壓儲水室；當溫度降低時，彈簧收縮將伸縮囊復位，可有效根據溫度自動調整出水量。上述情況為本裝置具體的較理想的實施方式，在實際應用中，還可在現有方案的基礎上進行改造或者升級并適用于更多領域[3]。

4 應用前景

船用柴油機排氣溫度較高，一般來說，中速柴油機會帶走熱量的30%～40%，高速柴油機會帶走熱量的35%～40%。不難看出，柴油機的高溫廢氣經排氣管排出，造成排氣管局部溫度過高，也是形成柴油機火災事故的重要隱患。由于排氣管的工作環境溫度高，根據熱脹冷縮原理，會產生橫向和縱向的變形，縱向的會被彈性膨脹節所吸收，但是橫向的不會被彈性膨脹節所吸收，將產生不平衡力，從而導致排氣管以及相關設備產生裂紋，影響船舶運行安全[4]。因此，根據《鋼質船舶造船規范》規定必須對排氣管進行包扎，要求表面溫度不能高于220℃，一旦超出該溫度，應立刻采取隔離措施。經過實踐發現，排氣管在設置時不可以設置在油柜、燃油管接頭等油氣位置，以免發生危險[5]。然而，即便做到上述要求，排溫仍然較高。因此，本裝置可以有效地降低排溫，帶走主機排氣熱量，有效預防船舶火災事故的發生，為船舶的安全航行和船員的日常生活提供有力保障。

表1 船用柴油機的熱平衡

5 結語

由于船舶機艙是船舶設備高度集中的空間，包括主機、輔機等，用油場所較多，一旦出現火災，施救困難，會使船上船員的人身安全及設備財產受到嚴重損失。所以，船舶排氣管系及時降溫可以極大地降低船舶發生火災的危險，進而保障船員生命及財產安全。

本文著重介紹了一種排氣管氣密防火通艙裝置，本裝置可針對船舶排氣管系進行有效降溫，預防火災發生。裝置安裝容易，結構簡單，故障率低。同時，由于冷卻介質主要為水，因而安全、環保、高效，可重復利用，即使滲漏也無人身傷害。該裝置外套于排氣管，不僅可應用于船舶排氣管系，而且還可應用于熱力、冶金、焊接等其他需要冷卻降溫的工程領域，具有良好的商業前景及應用價值。