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(南通中遠川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

柴油機船舶的機艙排煙管路將主機、發(fā)電機、鍋爐、焚燒爐等燃氣設(shè)備產(chǎn)生的廢氣輸送至煙囪，排向大氣，由于廢氣含有大量熱，所以排煙管路要承受由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力。燃氣設(shè)備有一定的強度極限，對熱應(yīng)力的承受范圍是有限度的。解決的辦法，通常是在排煙管路上設(shè)置金屬波紋管膨脹節(jié)，吸收管路的熱變形，消除應(yīng)力。但筆者在設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，部分設(shè)備熱應(yīng)力限制要求比較高，有必要對管路、設(shè)備的應(yīng)力情況進行分析。

1 案例

以某型船舶主機渦輪增壓器為例。要求作用在接口法蘭面上的軸向反力F1、F2不大于22 kN。

F1=(mü+mk/2)(a+g)+F1k

(1)

F2=(mü+mk/2)a+F2k

(2)

式中：mü——增壓器出口方接圓質(zhì)量，mü=525 kg；

mk——膨脹節(jié)質(zhì)量，mk=690 kg；

a——最大許可振動加速度,a=1.5 g；

g——重力加速度；

F1k、F2k——膨脹節(jié)軸向反力。

增壓器出口排煙管通徑2 000 mm，布置見圖1。

考慮到實際布置時，增壓器與豎直方向成15°角。F1k的最大值為975 N，F(xiàn)2k的最大值為4 711 N。膨脹節(jié)的軸向位移量為29 mm，橫向位移量11 mm。

圖1 增壓器出口排煙管布置

則軸向整體剛度只有33.7 N/mm，橫向整體剛度為428.3 N/mm。

上述軸向剛度和橫向剛度值，尤其是軸向剛度，對于通徑2 000 mm、長度限制在1 200 mm左右的普通復(fù)式U形無加強波紋管膨脹節(jié)，要求還是比較高的。

一方面，設(shè)備的應(yīng)力限制應(yīng)有一個合理的范圍。應(yīng)力小，對設(shè)備的運行安全、降低重量、減少成本是有幫助的。但另一方面也要考慮船舶排煙管路的實際布置情況。

為對船廠排煙管路進行合理布置、對膨脹節(jié)設(shè)計的細化分析，研究減小設(shè)備所受管路應(yīng)力，同時兼顧管路布置的簡潔，保證其內(nèi)部煙氣排放流暢、阻力小，且燃氣設(shè)備有較高的工作效率，從船廠方面展開討論。

2 合理布置排煙管

排煙管口徑粗，布置困難，在機艙布置圖的前期，就要預(yù)先考慮。一般有如下原則：①管路走向盡量簡單、平滑，避免多余的彎曲；②避讓設(shè)備的維修、服務(wù)空間，如機艙行車的行走區(qū)域等；③管路靠近船體結(jié)構(gòu)，方便后期管路支架的設(shè)置；④合理布置固定點，設(shè)置膨脹節(jié)。

本案例前3項基本符合要求。

以下討論如何合理設(shè)置管路固定點和布置膨脹節(jié)位置。

2.1 合理設(shè)置管路固定點

固定點，即相對于船體結(jié)構(gòu)固定不動的點，管路支架在此處不設(shè)腰形孔，管路向兩邊熱脹冷縮。在兩個固定點之間，或者固定點和設(shè)備之間，通過布置膨脹節(jié)吸收管路熱變形。固定點的位置設(shè)置，對膨脹量的數(shù)值大小有很大關(guān)系。

膨脹量：一般包括設(shè)備自身熱膨脹量、管路熱膨脹量，船體變形量等。設(shè)備自身熱膨脹量，一般由設(shè)備自身特性決定，不可變更；船體變形量，在船體線型確定以后，也無法改變。唯一可以改變的是管路熱變形量。

本例設(shè)備的反力限制比較高，所以，固定點的位置應(yīng)盡量靠近設(shè)備出口。這樣，膨脹量除設(shè)備自身的熱變形和船體結(jié)構(gòu)變形以外，僅有固定點和設(shè)備之間的一小段管路的熱變形，其量值較小。使得膨脹節(jié)的設(shè)計位移降到最低。位移小，相應(yīng)的反力也小。

同時，固定點承受排煙管重力、膨脹節(jié)變形的彈性反力，等。所以，在選擇固定點的時候，要注意固定點處的船體結(jié)構(gòu)一定要有足夠的強度，不能一味追求降低膨脹節(jié)彈性反力。

2.2 合理布置膨脹節(jié)位置

上述案例，將膨脹節(jié)設(shè)置在方接圓出口位置。

1)膨脹節(jié)可設(shè)計成圓形。圓形膨脹節(jié)較方形膨脹節(jié)省去了過渡角，周向的受力比較均勻，工作可靠。設(shè)計、制作比較方便。

2)直接接在方接圓出口，而不設(shè)置連接管路，可以最大限度降低管路重力對增壓器的影響。式(1)中，膨脹節(jié)之前的管路，只考慮了方接圓的重力。在某些較小的船舶柴油機上，發(fā)電機或者應(yīng)急發(fā)電機一般都會自帶膨脹節(jié)，裝在排煙出口，可有效保護柴油機，隔離排煙管路對設(shè)備影響。

3 膨脹節(jié)設(shè)計

3.1 采用復(fù)式膨脹節(jié)

單式膨脹節(jié)主要用于吸收軸向位移[1]。實際應(yīng)用過程中，也可以用來吸收小量的橫向位移。但是，單式膨脹節(jié)的橫向剛度大。橫向反力限制要求高的場合，采用單式膨脹節(jié)不合適。

復(fù)式膨脹節(jié)，由中間接管連接的兩個波紋管、導(dǎo)管等組成，可以通過波紋管的壓縮、拉伸，實現(xiàn)橫向位移，且橫向反力較低，見圖2。

圖2 復(fù)式膨脹節(jié)

上例存在一定量的橫向位移，同時橫向剛度又有限制。采用復(fù)式波紋管膨脹節(jié)較為合適。

3.2 降低膨脹節(jié)重量

將式(1)中膨脹節(jié)重量的一半計入管路對增壓器的反力。降低膨脹節(jié)重量，對降低反力有利。

降低膨脹節(jié)重量的方法有：①降低膨脹節(jié)中間接管的長度；②改變膨脹節(jié)單個導(dǎo)流筒的設(shè)計，將導(dǎo)流筒分成兩部分，分別焊接在進口短管、中間接管上；③采用平面型法蘭，替換角鋼法蘭。平面型法蘭加工難度大，焊接難度也比較大；角鋼法蘭施工方便，所以一般壓力比較低的排煙管路，都采用角鋼法蘭。但平面型法蘭重量小，以2 000 mm JIS F7805法蘭為例，單片平面型法蘭重量較角鋼法蘭質(zhì)量減少約25 kg，而且膨脹節(jié)上的接管長度也可以減小。

3.3 采用薄壁多層設(shè)計

波紋管的管壁厚度通常指根據(jù)通徑、壓力、溫度等，計算一層波紋管的名義厚度，在保證許用疲勞壽命的前提下，按最小厚度選取管壁厚度?？梢杂梢粚硬y管組成，也可由多層波紋管組成。

根據(jù)研究，采用薄壁多層膨脹節(jié)設(shè)計，能有效降低膨脹節(jié)剛度，同時增加波紋管的使用壽命[2-3]。在膨脹節(jié)的橫向反力限制占主導(dǎo)時，效果更加明顯。

3.4 采用軸向預(yù)拉伸

通常情況下，設(shè)計船舶排煙管路金屬波紋管膨脹節(jié)時，常采用軸向半拉伸方法。即，膨脹節(jié)的自由長度減去膨脹節(jié)工作時極限壓縮量的一半。

由于金屬波紋管可以看作是彈性體，既可以拉伸，又可以壓縮。預(yù)拉伸后，膨脹節(jié)在冷態(tài)時受拉伸，熱態(tài)時受壓縮，拉伸的量和壓縮的量，相對于膨脹節(jié)自由狀態(tài)的量是一樣的。即膨脹節(jié)的變形量降低了。

一方面膨脹節(jié)的設(shè)計變形小、形狀變得簡單，可降低成本；另外一方面，相同剛度下的膨脹節(jié)彈性反力也小。

但是，類似前述案例在使用條件非?？量痰膱龊希蛎浌?jié)的彈性反力幾乎沒有。那么，出于保護設(shè)備的目的，可以采用軸向全拉式。即在極限溫度情況下，膨脹節(jié)仍然處于拉升狀態(tài)。這樣膨脹節(jié)對設(shè)備沒有反力作用，即式(1)中膨脹節(jié)反力F1k=0。

3.5 采用橫向預(yù)偏置的方法

同樣，如果膨脹節(jié)的橫向反力限制非常嚴，在橫向位移確定的情況下，也可以通過對膨脹節(jié)進行橫向預(yù)偏置的方法降低膨脹節(jié)對設(shè)備的徑向反力。

如前所述，橫向反力限制比較嚴的場合，應(yīng)選用復(fù)式波紋管膨脹節(jié)。預(yù)偏置的原理同前述，即波紋管的一側(cè)壓縮、一側(cè)拉伸。只不過預(yù)偏置是在冷態(tài)時通過管路安裝預(yù)緊實現(xiàn)的。

一般情況下不采用膨脹節(jié)橫向預(yù)偏置。因為橫向預(yù)偏置對施工的要求比較高，尤其是膨脹節(jié)的對中精度難度大。

4 結(jié)論

關(guān)于船舶機艙排煙管路布置，包括排煙管路的合理布置和膨脹節(jié)的設(shè)計，可從降低設(shè)備出口熱膨脹量、增加膨脹節(jié)柔性、降低管路應(yīng)力等方面入手采用適當(dāng)?shù)拇胧畲笙薅缺Ｗo設(shè)備。

還有一些方法，也可以降低機艙排煙管路的熱應(yīng)力，如采用Ω波型膨脹節(jié)，增加膨脹節(jié)的柔性等，有待進一步的研究。

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標(biāo)準化管理委員會．GB12777-2008金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術(shù)條件[S]．北京：中國標(biāo)準出版社，2008.

[2] 林國棟，張大林，王 勇，等．金屬波紋管膨脹節(jié)在柴油機排氣系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2007(3)：19.

[3] 沈恒元.大型高爐煤氣重力除塵波紋管的失效分析[J]．理化檢驗：物理分冊，2007，43(9)：472-475.