曹 云，邵 凱

（新世紀(jì)船舶設(shè)計(jì)研發(fā)（上海）有限公司，上海 201203）

0 引 言

船舶管路（特別是貨艙區(qū)甲板上的縱向管路）在管內(nèi)流體介質(zhì)（如蒸汽系統(tǒng)、化學(xué)品船熱油系統(tǒng)）的溫度發(fā)生變化的影響下會(huì)發(fā)生縱向伸縮變形，同時(shí)在結(jié)構(gòu)受力變形（如在海上航行過(guò)程中因波浪引起的結(jié)構(gòu)變形和在裝卸貨過(guò)程中引起的中拱垂）作用下會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)變形。為抵消這些變形，在設(shè)計(jì)管路時(shí)需考慮適當(dāng)布置膨脹節(jié)或膨脹彎。對(duì)于大型油輪主甲板面縱向管路而言，一般在每個(gè)貨油艙位置處布置一個(gè)膨脹節(jié)或膨脹彎。

在設(shè)計(jì)管路過(guò)程中，對(duì)于船舶主甲板上縱向管路通徑大于等于100mm的管路，通過(guò)在船舶縱向方向上布置滑動(dòng)式膨脹節(jié)來(lái)補(bǔ)償管路的伸縮量；對(duì)于縱向管路通徑小于100mm的管路（如雜用淡水管、雜用壓縮空氣管等），出于降低成本和提高施工工藝考慮（如液壓管工作時(shí)管路內(nèi)部壓力大、化學(xué)品船液貨管路連接不允許使用法蘭等），多采用膨脹彎進(jìn)行補(bǔ)償。

目前膨脹彎通常由設(shè)計(jì)人員憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或參考其他船舶的布置情況來(lái)設(shè)計(jì)，其中因設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致管路在壓力試驗(yàn)過(guò)程中受到損壞或在船舶使用過(guò)程中受到損壞的情況時(shí)有發(fā)生。為給設(shè)計(jì)人員提供參考依據(jù)，本文利用結(jié)構(gòu)力學(xué)模型計(jì)算出膨脹彎在允許受力情況下的變形量，校核膨脹彎在船體變形和設(shè)計(jì)溫差環(huán)境下能否安全工作。

1 管路變形量

1.1 溫差引起的管路變形量

當(dāng)管路受熱膨脹時(shí)，其長(zhǎng)度和直徑均隨著管路的尺寸和管子材料的線膨脹系數(shù)成正比例增大。當(dāng)管路的直線長(zhǎng)度很大時(shí)，其因熱膨脹而引起的伸長(zhǎng)量會(huì)很大[1]。

溫差引起的鋼管伸縮量為

式(1)中：ΔL1為鋼管伸縮量，mm；t2-t1為溫差，K；L為直鋼管長(zhǎng)度，m。

例如：對(duì)于溫差t2-t1=40K、直管長(zhǎng)度L=33.6m（蘇伊士油輪每個(gè)貨艙的最大長(zhǎng)度）的低碳鋼管，其伸縮量ΔL1=15.31mm。

1.2 因船體結(jié)構(gòu)受力變形引起的管路變形量

主甲板縱向管路上有錨定或通艙件固定在船體結(jié)構(gòu)上，且一般都平行于結(jié)構(gòu)甲板，若管路上沒(méi)有膨脹節(jié)或膨脹彎，則錨定間的縱向管路會(huì)隨著結(jié)構(gòu)甲板一起發(fā)生中拱或中垂變形。由于船體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且為連續(xù)的整體，因此很難精確快速地計(jì)算出船體在受力情況下的變形量。通常需借助結(jié)構(gòu)有限元來(lái)對(duì)各工況進(jìn)行計(jì)算，且各位置處的變形量不一樣。蘇伊士油船項(xiàng)目通過(guò)有限元計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)甲板最大變形量與以上溫差引起的變形量的數(shù)量級(jí)相同，因此通常將因結(jié)構(gòu)受力引起的管路變形量考慮為不超過(guò)第1.1節(jié)示例中因溫差引起的管路變形量。

例如：蘇伊士油輪主甲板縱向錨定間的管路長(zhǎng)度L=33.6m，因船體結(jié)構(gòu)甲板受力的最大管路變形量按不超過(guò)ΔL2=15.31mm來(lái)考慮。

2 膨脹彎設(shè)計(jì)

船舶甲板縱向管路上通常每隔30m左右設(shè)置1個(gè)固定點(diǎn)或錨定點(diǎn)，2個(gè)固定點(diǎn)之間的管路通常用膨脹節(jié)或膨脹彎來(lái)抵消變形。膨脹節(jié)通常根據(jù)《管路松套伸縮接頭》（GB/T 12465—1996）來(lái)選用，而膨脹彎根據(jù)實(shí)際管路長(zhǎng)度、管路直徑和具體介質(zhì)的工作溫差來(lái)設(shè)計(jì)。

對(duì)于膨脹彎的允許變形量，目前還沒(méi)有公認(rèn)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或計(jì)算公式，但可通過(guò)受力分析進(jìn)行計(jì)算，一般認(rèn)為只要其允許變形量大于管路實(shí)際的最大變形量，就可選用該規(guī)格的膨脹彎。假定膨脹彎的一端固定，另一端作用拉應(yīng)力，可通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)中的懸臂梁集中載荷自由端模型進(jìn)行計(jì)算。

2.1 懸臂梁集中載荷自由端最大擾度模型

在力學(xué)模型中，懸臂梁集中載荷作用自由端（見(jiàn)圖1）引起的最大擾度[2]為

式(2)中：Wmax為自由端最大擾度，m；FP為作用在自由端的力，N；l為懸臂梁長(zhǎng)度，m；E為碳鋼彈性模量，MPa，常用206000MPa；I為鋼管慣性矩，I= π(D4-d4)/64，D為管子外徑，d為管子內(nèi)徑。

2.2 膨脹彎受力變形量計(jì)算

圖2為船舶主甲板縱向管路膨脹彎典型布置，其中E點(diǎn)和F點(diǎn)為固定點(diǎn)（或錨定點(diǎn)），整個(gè)管段的變形量通過(guò)寬度為L(zhǎng)t的膨脹彎來(lái)吸收。參考懸臂梁集中載荷作用自由端模型，膨脹彎允許的伸縮量實(shí)際是2Wmax，管段在受力情況下，可假設(shè)A點(diǎn)和C點(diǎn)為固定點(diǎn)，B點(diǎn)和D點(diǎn)同時(shí)受力。

例如：尺寸為114mm×9mm的碳鋼管，膨脹彎寬度Lt=0.8m，管子屈服強(qiáng)度為245MPa，屈服強(qiáng)度安全系數(shù)為 1.6，根據(jù)管路截面積的力作用在管路的B點(diǎn)和D點(diǎn)往縱向拉伸，整個(gè)膨脹彎的允許變形量為

圖1 懸臂梁集中載荷作用自由端

圖2 船舶主甲板縱向管路膨脹彎典型布置

第1.1節(jié)中的示例和第1.2節(jié)中的示例的溫差t2-t1=40K，尺寸為114mm×9mm的直管路的錨定間管路長(zhǎng)度L=33.6m的碳鋼管，因溫差引起的變形量ΔL1=15.31mm，因結(jié)構(gòu)甲板受力引起的最大變形量ΔL2=15.31mm，總的變形量 ΔL2=ΔL1+ΔL2= 30.62 mm 。若選用以上寬度Lt=0.8m的膨脹彎，能抵消管路的2種變形。

根據(jù)以上計(jì)算方式和膨脹彎使用慣例，得到膨脹彎的寬度Lt（Lt≥xDN），表1為式中x的取值。

表1 膨脹彎的寬度Lt

通常要求膨脹彎的A點(diǎn)與C點(diǎn)之間的距離不小于0.5Lt。

3 結(jié) 語(yǔ)

船舶在實(shí)際航行過(guò)程中或裝卸貨過(guò)程中，其管路不僅受拉應(yīng)力的作用，而且受剪應(yīng)力、扭力和流體內(nèi)部的沖擊力等力的作用，但這些力引起的管路變形相比溫差引起的管路變形要小很多，故本文綜合考慮疊加溫差情況和結(jié)構(gòu)甲板受力情況對(duì)管路造成的變形量，進(jìn)行變形量計(jì)算和膨脹彎設(shè)計(jì)。

采用本文給出的計(jì)算方法，可使設(shè)計(jì)人員快速判斷出膨脹彎能否抵消管路實(shí)際變形量，從而判斷選用的膨脹彎能否保證船舶在實(shí)際航行過(guò)程中和裝卸貨過(guò)程中安全運(yùn)行。同時(shí)，根據(jù)上述計(jì)算方法整理出的常用通徑和常用長(zhǎng)度的膨脹彎設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可供管路設(shè)計(jì)人員參考。此外，本文的計(jì)算方法可供校核其他特殊管路的膨脹彎時(shí)參考。