秦歡，樊紅，董勇

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；2.廣州航通船業(yè)有限公司，廣州 510290)

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4 500 t半潛駁船壓載水管路水錘計(jì)算與分析

秦歡1，樊紅1，董勇2

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063；2.廣州航通船業(yè)有限公司，廣州 510290)

為了解決4 500 t半潛駁船壓載水管路試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的故障，分析管路破損情況，初步推斷管路中膨脹節(jié)損壞的原因是產(chǎn)生了較大水錘力，計(jì)算水錘力，在管道應(yīng)力分析軟件CAESAR Ⅱ中建立壓載水管路的有限元模型并進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷計(jì)算，驗(yàn)證膨脹節(jié)損壞的原因，提出增大關(guān)閥時(shí)間的解決措施，并獲得試驗(yàn)成功。

半潛駁船；壓載水管路；水錘；動(dòng)態(tài)分析；膨脹節(jié)

半潛駁船是海洋運(yùn)輸中一種重要的運(yùn)輸工具，可以運(yùn)送大型鋼結(jié)構(gòu)件、海上平臺(tái)，以及可移動(dòng)性的海上建筑等超大超重件。得益于它強(qiáng)大的壓載水系統(tǒng)，半潛駁船可以快速下潛和上浮進(jìn)行作業(yè)。與一般民用船舶相比，半潛駁船的壓載水系統(tǒng)更為復(fù)雜，在裝卸貨物時(shí)，需要精確調(diào)節(jié)各壓載艙的壓載水量使船舶保持平衡。

某4 500 t半潛駁船在第一次壓載水系統(tǒng)效用試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)壓載水管路中的金屬波紋管膨脹節(jié)嚴(yán)重破損，膨脹節(jié)損壞原因，為此，對(duì)管路展開(kāi)分析尋找。

1 工程背景

該4 500 t半潛駁船上的壓載艙沿船長(zhǎng)方向左右對(duì)稱(chēng)布置，左右舷各有2個(gè)壓載泵，位于船舶中部，分別負(fù)責(zé)船艏和船艉的壓載艙。壓載泵Q=935.00 m3/h，工作壓力p=0.137 MPa。管子的材質(zhì)是ST10號(hào)鋼，E=206 GPa。尺寸有3種，見(jiàn)表1。支管上裝有金屬波紋管膨脹節(jié)。

表1 管材尺寸 mm

第一次壓載水效用試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓載情況異常，多個(gè)支管上膨脹節(jié)嚴(yán)重變形甚至破裂，見(jiàn)圖1。

圖1 第一次試驗(yàn)時(shí)部分損壞的膨脹節(jié)

在確定膨脹節(jié)無(wú)質(zhì)量問(wèn)題情況下，初步判斷管路中可能出現(xiàn)了較大水錘力。

水錘事故產(chǎn)生的原因很多[1-2]，在船舶行業(yè)，有學(xué)者對(duì)船舶生活水管路[3]和核動(dòng)力裝置給水回路[4]的水錘現(xiàn)象及管路系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲[5]進(jìn)行了分析，關(guān)于船舶壓載水管路的水錘危害，報(bào)道較少。

1.1 半潛駁船壓載水管路特點(diǎn)

水錘是由于液體速度變化而產(chǎn)生的慣性力。當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，正常流動(dòng)的液體流速突然變?yōu)?，這種流速的突變最終導(dǎo)致管路中產(chǎn)生一個(gè)來(lái)回震蕩的水擊波，這就是水錘。

通常出現(xiàn)水錘現(xiàn)象的管路特點(diǎn)是：長(zhǎng)距離、多起伏、壓頭高、以及流體溫度變化大。船舶壓載水管路相對(duì)于普通陸上輸水、送氣管道長(zhǎng)度短很多，并且管路布置基本沒(méi)有起伏，壓載水溫度也不會(huì)改變，且壓頭較低。所以對(duì)于普通船舶，其壓載水管路很少會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重水錘故障，導(dǎo)致船舶管路設(shè)計(jì)人員對(duì)水錘問(wèn)題的認(rèn)識(shí)不足。但對(duì)于半潛駁船，其壓載水管路壓載水流量大、流速高，存在出現(xiàn)水錘現(xiàn)象的可能。

1.2 壓載水系統(tǒng)水錘現(xiàn)象原因

壓載水系統(tǒng)的任務(wù)是通過(guò)壓載水泵、閥箱和壓載管路將壓載水注入各個(gè)壓載艙，將壓載水從各個(gè)壓載艙中排出和進(jìn)行各個(gè)壓載艙之間的調(diào)駁。在作業(yè)中，半潛駁船通過(guò)控制壓載水的進(jìn)出控制船舶縱傾、橫傾、吃水以保證平穩(wěn)作業(yè)，閥門(mén)會(huì)頻繁的開(kāi)關(guān)，導(dǎo)致出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。此時(shí)管路中流體流速急劇改變，管路中瞬變水流的瞬時(shí)壓力出現(xiàn)反復(fù)迅速的變化，其瞬間壓力能達(dá)到正常工作壓力的幾十倍，并且在三通彎頭等處對(duì)管路系統(tǒng)造成劇烈沖擊，使管路出現(xiàn)位移并產(chǎn)生劇烈振動(dòng)[6-7]。在該半潛駁船的壓載水管路系統(tǒng)中，膨脹節(jié)是管路中最薄弱的部位，當(dāng)水錘現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，管路的壓力或位移值超過(guò)膨脹節(jié)的失穩(wěn)極限，膨脹節(jié)就可能損壞。

2 壓載水管路水錘力計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

對(duì)整個(gè)壓載水管系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。水錘大小與管路長(zhǎng)度有直接關(guān)系，根據(jù)總管到壓載水艙之間的距離，所有含有膨脹節(jié)的支管可以分為三類(lèi)：到尾尖艙，5號(hào)壓載艙和4號(hào)壓載艙的支管。簡(jiǎn)化后的部分壓載水管路見(jiàn)圖2。圖2中總管與壓載泵相連，支管通到各壓載艙，V1～V5為控制各個(gè)支管的干式液壓蝶閥，J1～J8為金屬波紋管膨脹節(jié)。P1，P2，P3分別表示到尾尖艙，5號(hào)壓載艙，4號(hào)壓載艙的支管類(lèi)型，P1情況管子通徑200 mm，彎頭到閥門(mén)距離L=31.21 m；P2管子通徑250 mm，L=21 m；P3情況管子通徑250 mm，L=10.32 m。1010,1350,1720為3種支管彎頭處的節(jié)點(diǎn)號(hào)。

管路中閥門(mén)關(guān)閥時(shí)間可調(diào)，第一次實(shí)船試驗(yàn)時(shí)設(shè)置的閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間為0.4 s，工作狀態(tài)為全開(kāi)或全閉，閥門(mén)開(kāi)度隨時(shí)間的變化基本是直線變化，且初始值為1。

海水密度為ρ=1 025 kg/m3，海水體積模量為K=2 350 MPa。

圖2 部分壓載水管路布置示意

2.2 計(jì)算步驟

水錘力在彎頭處作用在管路上，使管路產(chǎn)生位移，計(jì)算時(shí)考慮從閥門(mén)到彎頭之間的這段管路。主要計(jì)算步驟[8]如下。

水錘力計(jì)算首先需要判斷是直接水錘還是間接水錘，它取決于關(guān)閥時(shí)間ts和水錘波在管路中傳遞一個(gè)來(lái)回的時(shí)間tr的大小。

(1)

式中:L為管路長(zhǎng)度，m；α為水錘波速，m/s。當(dāng)ts≤tr時(shí)，產(chǎn)生的是直接水錘，反之是間接水錘。

由于tr遠(yuǎn)小于關(guān)閥時(shí)間，壓載水管路中發(fā)生的水錘都是間接水錘。

由于管壁具有彈性和水體的壓縮性，水錘力以彈性波的形式沿管道傳播，水錘波在管道中的傳播速度為

(2)

式中：K為液體體積模量，MPa；ρ為流體密度，kg/m3；D為管道內(nèi)徑，mm；E為管道材料彈性模量，MPa；δ為管道壁厚，mm。

對(duì)于間接水錘的求解，需要求得管道特性常數(shù)和水錘常數(shù)，其中管道特性常數(shù)為

(3)

式中:α為水錘波速，m/s；v為管路中流體速度，m/s；h為管路中靜壓頭，m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

水錘常數(shù)為

(4)

式中:L為彎頭到閥門(mén)間的距離，m；v為管路中流體速度，m/s；h為管路中靜壓頭，m；ts為關(guān)閥時(shí)間，s；g為重力加速度，9.8 m/s2。

極限水錘的水錘壓力P為

(5)

式中:P0為管路中初始?jí)毫?，Pa。

水錘作用在管道上的力為

F=AP

(6)

式中：A為管道截面積，m2；P為水錘壓力，Pa。

由此求得

P1：F=131 872 N，p=4.1 MPa；

P2：F=42 328 N，p=0.9 MPa；

P3：F=17 797 N，p=0.4 MPa。

3 膨脹節(jié)損壞原因分析

對(duì)于該壓載水管路，水錘造成的直接危害是膨脹節(jié)損壞。在效用試驗(yàn)時(shí)P1和P2情況下波紋管全部損壞嚴(yán)重；P1損壞情況最嚴(yán)重，部分甚至破裂；P3情況波紋管部分變形。

3.1 內(nèi)壓失穩(wěn)情況分析

膨脹節(jié)波紋承受過(guò)大的內(nèi)壓或外壓，都會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，此時(shí)波距發(fā)生較大變化，改變了膨脹節(jié)原來(lái)性能，使得其疲勞壽命、承壓能力以及吸收位移能力降低。在膨脹節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)平面失穩(wěn)壓力應(yīng)大于1.5倍設(shè)計(jì)壓力，柱失穩(wěn)壓力應(yīng)大于2倍設(shè)計(jì)壓力[9]。該船所用膨脹節(jié)平面失穩(wěn)壓力為1.5 MPa，柱失穩(wěn)壓力為2.0 MPa。P1、P2、P3 3種情況下水錘最大計(jì)算壓力分別為4.1、0.9、0.4 MPa。4.1 MPa遠(yuǎn)大于平面失穩(wěn)和柱失穩(wěn)壓力極限，因此P1情況下膨脹節(jié)會(huì)由于管內(nèi)壓力過(guò)大而導(dǎo)致膨脹節(jié)失穩(wěn)破壞。

3.2 管道運(yùn)動(dòng)

管道的運(yùn)動(dòng)有橫向位移和軸向位移。因?yàn)楣苈分信蛎浌?jié)附近都有橫向約束，水錘力作用在管道中會(huì)使管道發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)引起膨脹節(jié)性能下降。

用CAESAR II軟件分析軸向位移。通過(guò)建立壓載水管路的有限元模型，分析在承受水錘力情況下管路的位移情況[10]。

管道為剛性元件，管道的位移全部由膨脹節(jié)吸收，可以將彎頭處的位移值作為膨脹節(jié)的位移量。該金屬波紋管膨脹節(jié)在軸向的最大位移量為24 mm[11]。超出這個(gè)值后管路就很可能會(huì)失穩(wěn)。

載荷的持續(xù)時(shí)間為

(7)

式中，L為彎頭到閥門(mén)間的距離，m；α為水錘波速，m/s。

不平衡動(dòng)載荷的上升時(shí)間為5 ms。3種情況下壓載水管路的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 壓載水管部分參數(shù)值

選擇力的作用位置在彎頭處，力的方向背離彎頭。分別定義3種情況下的DLF頻譜值，其中P1情況的頻譜見(jiàn)圖3。設(shè)置力組，見(jiàn)表3。

圖3 P1情況DLF頻譜圖

表3 3種管道受力情況

設(shè)置DLF頻譜、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力的組合工況，然后進(jìn)行計(jì)算，得到彎頭節(jié)點(diǎn)處的位移值報(bào)告，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4～6。

圖4 P1情況下彎頭處位移值

圖5 P2情況下彎頭處位移值

圖6 P3情況下彎頭處位移值

從圖中可知P1，P2，P3情況彎頭處的位移值分別為68，30，16 mm。P1和P2情況彎頭處的位移值已經(jīng)超過(guò)了膨脹節(jié)伸縮的限度，P3情況彎頭處的位移值沒(méi)有超過(guò)膨脹節(jié)的限度。

由上述分析確定P1情況下膨脹節(jié)由于壓力和位移均超過(guò)限度而損壞；P2情況膨脹節(jié)損壞主要是由于變形超過(guò)彈性限度而損壞；P3情況下的壓力和位移值都沒(méi)有超過(guò)限制，變形情況較輕。

4 解決水錘問(wèn)題的措施

4.1 解決措施

影響水錘力最大的4個(gè)因素為:彎頭到閥門(mén)間的距離；管路中流體速度；管路中靜壓頭；關(guān)閥時(shí)間。其中總管到壓載艙的距離已經(jīng)是最短，因此彎頭到閥門(mén)間的距離無(wú)法減少；壓載泵為大流量低揚(yáng)程泵，管路中靜壓頭變化的幅度非常??；管路中流量一定，想要降低流速必須要增大管徑，重新更換管路的成本大，不可取。壓載水管路中閥門(mén)的關(guān)閥時(shí)間可調(diào)，因此認(rèn)為減少水錘力最便捷有效的方法是增大閥門(mén)的關(guān)閥時(shí)間。

4.2 分析計(jì)算

綜合考慮實(shí)際情況，設(shè)置關(guān)閥時(shí)間為t=5 s。重新計(jì)算水錘力的大小。

P1：F=5 484 N,p=0.17 MPa；

P2：F=8 418 N,p=0.15 MPa；

P3：F=6 782 N,p=0.14 MPa。

管道中壓力與正常工作時(shí)的壓力相比增加很少，管路安全。通過(guò)CAESAR Ⅱ軟件計(jì)算位移量進(jìn)行檢驗(yàn)。t=5 s時(shí)壓載水管部分參數(shù)值見(jiàn)表4。

表4 t=5 s時(shí)壓載水管部分參數(shù)值

由表3可見(jiàn),與t=0.4 s時(shí)相比,作用在彎頭上的水錘力大幅減小。同樣,計(jì)算出彎頭處的位移值，得到的計(jì)算結(jié)果為P1、P2、P3情況彎頭處的位移值分別為3,4,2 mm。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于膨脹節(jié)的失效值，管路安全。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

找到解決措施后，更換了新的膨脹節(jié)并選擇在相同的水域進(jìn)行第二次下潛試驗(yàn)。第二次試驗(yàn)時(shí)設(shè)置液壓閥的關(guān)閥時(shí)間為5 s，其他條件與第一次試驗(yàn)時(shí)一致。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中所有膨脹節(jié)沒(méi)有損壞。該船交付使用1年多以來(lái)，再也沒(méi)有出現(xiàn)此類(lèi)故障。說(shuō)明在壓載水管路無(wú)法進(jìn)行大的更改情況下，通過(guò)增大關(guān)閥時(shí)間可以很好的解決水錘問(wèn)題。

5 結(jié)論

1)半潛駁船壓載水系統(tǒng)工作時(shí)由于流量大，較普通民用船舶更易出現(xiàn)水錘現(xiàn)象。

2)半潛駁船壓載水管路關(guān)閥時(shí)間過(guò)短，會(huì)導(dǎo)致水錘故障發(fā)生。通過(guò)增大關(guān)閥時(shí)間即可有效避免水錘故障。

3)半潛駁船壓載工作時(shí)關(guān)閥時(shí)間也不能無(wú)限延長(zhǎng)，因而在壓載水管路設(shè)計(jì)時(shí)，還可以從以下方面考慮進(jìn)一步降低水錘影響，如在膨脹節(jié)處增加固定支架的強(qiáng)度，提高管路的穩(wěn)定性；對(duì)于較長(zhǎng)距離管路，在設(shè)計(jì)時(shí)管徑不能過(guò)小等。

在船舶壓載水管路設(shè)計(jì)時(shí)，通?？紤]的是泵和管道的流量能否滿足船舶設(shè)計(jì)要求，以及管路如何布置最為合理，很少會(huì)考慮水錘動(dòng)態(tài)載荷的影響，因而可能導(dǎo)致管系損壞。對(duì)于半潛駁船等船舶，壓載水系統(tǒng)是船上最重要的部分，在管路設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)水錘問(wèn)題做一些針對(duì)性的設(shè)計(jì)，并對(duì)壓載水管路進(jìn)行水錘動(dòng)態(tài)載荷校核，確定能夠保證安全的關(guān)閥時(shí)間，并寫(xiě)入船舶操作規(guī)程。同時(shí)對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)，增強(qiáng)他們對(duì)水錘危害的重視程度，避免由于操作不當(dāng)導(dǎo)致破壞性水錘問(wèn)題發(fā)生。

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The Water Hammer Calculation and Research of 4 500 t Semi-submersible Barge Ballast Water Pipeline

QIN Huan1, FAN Hong1, DONG Yong2

(1.School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063,China;2.Guangzhou Hangtong Shipbuilding and Shipping Co. Ltd., Guangzhou 510290, China)

In order to solve the failure problem of a 4 500 t semi-submerged barge during the ballast water pipeline test, the damage of the pipeline was analyzed, which can be concluded that the water hammer force leads to the damage of the expansion joint. After calculating water hammer force, the FE model of the ballast water pipeline under dynamic load was established in CAESAR Ⅱto verify the causes of the expansion joint damage. The solution was put forward to increase the valve closing time, which was proved to be successful by experiment.

semi-submersible barge; ballast water pipeline; water hammer; dynamic analysis; expansion joint

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.006

2016-11-15

國(guó)家自然科學(xué)基金(51479154)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2014BAG04B02)

秦歡(1992—)，男，碩士生

研究方向：振動(dòng)與噪聲控制

U664.84

A

1671-7953(2017)04-0025-05

修回日期：2016-11-30