劉波

摘要：船舶管路是船舶的重要組成部分，在船舶裝卸、航行以及管路輸送介質不同都會經歷溫差變化。另外，船舶航行時，船舶搖擺及裝載而引起船體變形，也對管路造成不利影響。由于以上原因，從理論分析管路所受到的一次應力、二次應力及管路的熱膨脹變化。從設計的角度，改變管路走向，增加膨脹節(jié)，使用軟管等方式增加船舶管路的柔性，降低由于溫差、船體變形、機械振動等因素造成的管路損壞。

關鍵詞：應力;熱膨脹;柔性設計

中圖分類號：F407.474? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0030-03

0? 引言

船舶管路是船舶上用來傳送油、水、氣等相關工作介質，使船舶上的各種機械設備的相互連接，并能完成一定的任務和滿足特定的功能。船舶管路在船舶動力裝置中是一個重要組成部分，因此，船舶的管路設計也就是船舶設計及動力裝置設計中不可缺少的內容。

船舶管路設計時，管路的柔性設計是不能忽視的問題，當管路出現長直管（通常出現在主甲板面，貨艙雙層底等處所）或設計溫差較大，管道材料的膨脹收縮以及機械設備震動會在管道中以及管道與管端設備的連接處產生較大的應力。應力過大會引起造成法蘭密封泄漏，管子焊縫或管端設備的損壞及正常運行。所以，船舶管路設計中，使管路擁有必要的柔性就非常重要。

1? 管路的引力分析

船舶管道在使用過程中，損壞的主要原因是船舶管道應力過大所導致。在對管道應力程度進行評判時，一般根據產生應力的原因不同可將應力分為一次應力和二次應力[1]。

1.1 一次應力

一次應力是指由于管道受到外部載荷作用而產生的應力[1]。此應力的特點是：與外載荷的平衡，隨外部載荷的增大而增大。管道承受的介質內壓、自重、介質重量等持續(xù)外部載荷產生的應力均屬一次應力[2]。

ASME B31.3中指出，在計算管道縱向應力的同時應考慮軸向力對管道的作用，因此一次應力由壓力、附加軸向外力和彎矩引起，即[1]：

式中，？滓1為一次應力;？滓L為管道縱向應力;F為附加軸向力;A為管道橫截面積;P為設計壓力;D為平均直徑;S為壁厚;M為合成彎矩;W為抗彎截面模量。

一次應力的校核標準為：

式中，[？滓]h為管道在設計使用壽命內，材料在預計最高溫度下的許用應力。

1.2 二次應力

二次應力是指由于管道變形遭到約束而發(fā)生的應力。此應力的特點是：它與外力無關，具有自限性，即管道內的塑性區(qū)域擴大，達到極限狀態(tài)后，由于局部位移受到約束，從而變形不再繼續(xù)增大。因此，管道由于自身位移受到阻礙，管道的熱膨脹等產生的應力都屬二次應力。

ASME B31.3中規(guī)定的位移應力？滓E即管道的二次應力：

式中，？滓2為二次應力;Mi為平面內熱膨脹彎曲力矩;M0為平面外熱膨脹彎曲力矩;ii為平面內應力增大系數;i0為平面外應力增大系數;Mn為扭矩;W為抗彎截面模量。

二次應力的校核標準為：

其中，[？滓]A為許用位移應力;[？滓]C為在管道設計使用壽命內，材料在設計最低溫度時的許用應力;f為管道位移應力減小系數。

2? 管道的熱膨脹

船舶管路在安裝完成后，實際的運行過程中，由于環(huán)境溫度的不同，介質溫度的不同，管道的長度會有一點的變化量。

管道的熱收縮量按下公式計算[3]：

式中：L——用于計算（或兩固定支撐）的管長，單位：m;

T1——介質溫度，單位：℃;

T2——常溫（或安裝時溫度），一般取20℃，單位：℃;

α——管材的線膨脹系數（見表1），單位：/℃。

在船舶管路中，過熱管路（如：排氣管路、燃油管路、蒸汽管路、高溫水管路……等）以及過冷管路（如：LNG管路、冷凍管路、冷媒水管路……等）一定要考慮管路的熱膨脹（收縮）對整體的影響;還有對于長直管路也許要考慮環(huán)境溫度變化對管路的影響，如貨艙雙層底內的管路、甲板面消防管、甲板面電纜管、甲板面油品輸送管……等。

3? 管路的柔性設計

3.1 船舶管路柔性設計的目的

柔性設計的目的是為了保證管道在設計條件下具有足夠的柔性，防止管道因熱脹冷縮、端點附加位移、管道支承設置不當等原因造成下列問題：

①管道應力過大會引起管道疲勞;

②管道推力過大造成支架損壞;

③管道連接處產生泄漏;

④管道推力或力矩過大，影響與其相連接的設備正常運行。

3.2 獲得管路柔性的方法

為了使船舶管路獲得一定的柔性，我們在管路設計時，通?？梢愿淖児苈返淖呦騺慝@得柔性、增加膨脹節(jié)及使用軟管連接來獲得柔性。

3.2.1 改變管路的走向

在管路設計中，改變管路的走向獲得柔性的方法通常有L型直角彎、Z型折角彎、π型彎以及空間立體彎幾種。

①平面L型直角彎設計。

如圖2，當管路從A點到B點，A，B點均為固定支撐點，為了增加管路的柔性，可將管路設計為L型，用L型的長臂與短臂的伸縮來吸收管路對A點與B點的影響。當長臂與短臂的長度過大時可以增加具有導向作用的滑動支撐。

②平面Z型折角彎設計。

如圖3，當管路從A點到B點，A、B點均為固定支撐點，為了增加管路的柔性，可將管路設計為Z型，用Z型的長臂與短臂的伸縮來吸收管路對A點與B點的影響。當長臂與短臂的長度過大時可以增加具有導向作用的滑動支撐。

③平面π型彎設計。

如圖4，當管路從A點到B點，A、B點均為固定支撐點，為了增加管路的柔性，可將管路設計為π型，用π型的長臂與短臂的伸縮來吸收管路對A點與B點的影響。當長臂與短臂的長度過大時可以增加具有導向作用的滑動支撐。（圖5）

④空間立體彎設計。

如圖6，當管路從A點到B點，A、B點均為固定支撐點，為了增加管路的柔性，可將管路設計為空間立體彎，空間立體彎可以吸收管路上各段膨脹量對固定點 A點與B點的影響。

3.2.2 增設膨脹節(jié)

當設備及管路布置比較緊湊，有限的空間無法實現更改管路走向來增加管路柔性，或在設備與管路的接口處，或為了隔離設備震動，我們通常布置膨脹節(jié)來增加管路的柔性。管路膨脹節(jié)具有空間小、補償量大等特點，廣泛用于船舶管路中。

一般情況下，在設備進出口，為了消除設備震動的對管路的影響，可以在管路與設備的連接處增加橡膠膨脹節(jié)（高溫管路除外，如排氣管、熱油管），橡膠膨脹節(jié)可補償軸向、橫向、角向，具有無推力、消聲減振、體輕、結構簡單、安裝維修方便特點。

當管徑加大，介質溫差大，空間受限的情況下，我們通常選用金屬波紋膨脹節(jié)。

膨脹節(jié)一般分為金屬膨脹節(jié)和非金屬膨脹節(jié)兩類。其中金屬膨脹節(jié)又分為波紋管膨脹節(jié)和套筒式膨脹節(jié)等。

①波紋管膨脹節(jié)[4]。

波紋管膨脹節(jié)是用金屬波紋管制成，它能沿管道軸線方向伸縮，也允許一定量的彎曲。波紋管膨脹節(jié)用在管道上對管道因熱膨脹產生的軸向長度變化進行補償，也用于消除脈沖引起的震動。

為了安裝時產生變形， 在波紋管兩端設置有定位螺栓， 在安裝時定位螺桿應處于鎖緊狀態(tài)，在投入使用前將定位螺桿拆除。波紋膨脹節(jié)一般用于壓力不很高的管道上，可用在溫度較高的管路上，如電纜管、排氣管、壓載管……等。

②套筒式膨脹節(jié)。

套筒式膨脹節(jié)也稱管式伸縮節(jié)、套筒式補償器，主要用于直線管道上。適用于熱水、蒸氣、熱油等介質的運送，通過滑動套筒對外套筒的滑移運動，達到補償熱膨脹的作用[5]。

套筒式膨脹節(jié)適用于介質工程壓力≤2.5MPa，介質溫度-40～600℃。

套筒式膨脹節(jié)采用的密封材料柔性石墨環(huán)，其具有強度大、摩擦系數小、不老化、效果好、維修方便等特點。

套筒式膨脹節(jié)的使用壽命大，疲勞壽命與管道相當。

③非金屬膨脹節(jié)。

非金屬膨脹節(jié)可補償軸向、橫向、角向，具有無推力、簡化支座設計、耐腐蝕、耐高溫、消聲減振等特點，用于船舶管路中起補償作用的連接件，連接震動幅度較小的船舶設備。常用于油、水等介質的管道與設備相接。

非金屬膨脹節(jié)的特點：1）補償熱膨脹：可以補償多方向，大大優(yōu)于只能補償軸向的金屬膨脹節(jié)。2）補償安裝誤差：非金屬膨脹節(jié)能有效的補償了安裝管路安裝過程中的誤差。3）消聲減振：非金屬能很好的隔離震動傳遞的功能，能有效的減少設備震動對管路的影響的和噪聲擴散。4）無反推力：由于橡膠等非金屬不能傳遞推力，減少管路對設備的影響。5）耐腐蝕性：氟橡膠、有機硅等非金屬材料材料具有較好的耐溫和耐腐蝕性能。6）耐高溫性：所有的非金屬都不能不耐高溫，比金屬膨脹節(jié)差。7）體輕、結構簡單、安裝維修方便。

3.2.3 使用軟管連接

軟管連接是船舶管路中常用的一種柔性連接方式，一般用于連接震動較大的船用設備、有運動部件的設備或高壓設備等。如空壓機、柴油發(fā)電機、旋轉吊車、步橋等。

軟管連接的特點：

①安裝方便，簡單，不用考慮設備及管路的誤差。

②無震動、噪音傳遞。

③不存在任何反向的力的傳遞。

④耐腐蝕性好。

⑤不耐高溫，不能用于高溫系統(tǒng)。

4? 結束語

船舶管路中，在不同的管路系統(tǒng)與所處的位置選用適當的方式適當提高管路柔性，能大大提高管路的使用壽命，減少管路對設備的損壞，并且有效的降低噪音。

參考文獻：

[1]ASME B31.3. ASME Code for Pressure Piping，2012[S].

[2]甘紹警，周瑞平，甘少煒，蘇陽.船用LNG儲罐與管道應力計算[J].艦船科學技術，2018（1）：35-40.

[3]唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社，2009：169-170.

[4]GB/T12777-2019，金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術條件[S].

[5]斯派莎克工程（中國）有限公司. 蒸汽和冷凝水系統(tǒng)手冊[M].上海：上海科學技術文獻出版社，2007.