王秋洋

(江蘇新?lián)P子造船有限公司，江蘇 靖江 214500)

0 引言

面對日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，國際海事組織出臺了Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)，并于2016年1月1日起生效。對采用高壓選擇性催化還原(Selective Catalystic Reduction，SCR )技術(shù)的二沖程柴油機(jī)，SCR廢氣系統(tǒng)布置在增壓器前，管路的溫度約為300～450 ℃，壓力高達(dá)5×10Pa，同時廢氣管路的尺寸較大。為了保證管路系統(tǒng)使用安全，對系統(tǒng)中的支撐進(jìn)行受力分析，量化受力數(shù)據(jù)尤為重要。目前，多數(shù)滑動/固定支撐廠家無法及時提供相關(guān)受力計算，給船廠選用設(shè)備造成了困難。為此，本文對82 000載重噸散貨船廢氣管路的不同節(jié)點進(jìn)行受力分析，包括氣體的靜態(tài)推力、氣體動態(tài)推力、波紋管彈力、滑動支撐摩擦力的反向推力及固定支撐力，總結(jié)出簡化手動計算的方法，得出受力參數(shù)。此推力參數(shù)不僅可直接用于管路滑動支撐，還可用于固定支撐選型、基座及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計。

1 受力分析及計算

1.1 管路系統(tǒng)組成

管路系統(tǒng)主要由4個組件組成：管材、不銹鋼波紋管、滑動支撐和固定支撐。

1.2 管路內(nèi)部氣體壓力

直管受力見圖1，管壁上的力互相平衡，對整個管路系統(tǒng)不產(chǎn)生推力。

P—氣體壓力。

彎管位置受力見圖2，彎管位置的氣體壓力無法平衡，會產(chǎn)生水平推力和垂直推力。

Fx—水平推力；Fy—垂直推力；Dx、Dy—管子內(nèi)徑；P—氣體壓力。

推力、計算公式如下：

(1)

(2)

式中：為氣體壓力，Pa；、為管子內(nèi)徑，m。

由于波紋管是撓性的，氣體對兩側(cè)的波紋管壁產(chǎn)生形變的推力，該形變的力對兩側(cè)管路系統(tǒng)產(chǎn)生額外的推力，所以，管路內(nèi)部氣體壓力產(chǎn)生的推力，應(yīng)該用波紋管有效直徑來替代上述的管子內(nèi)徑、進(jìn)行計算。形變支點見圖3。

D0—波紋管有效直徑；D1—波紋管內(nèi)徑；D2—波紋管外徑；

有效直徑計算公式如下：

(3)

式中：為波紋管內(nèi)徑，m；為波紋管外徑，m。

1.3 氣體動態(tài)變化產(chǎn)生的推力

二沖程柴油機(jī)工作時，負(fù)荷增加帶來的動態(tài)推力及負(fù)荷穩(wěn)定時產(chǎn)生的動態(tài)推力可以忽略不計。

1.4 波紋管彈力

波紋管本身的形變會對管路系統(tǒng)施加彈力，其計算公式如下：

=

(4)

式中：為形變產(chǎn)生的彈力，N；為波紋管彈性系數(shù)，N/mm，按照廠家標(biāo)準(zhǔn)或依據(jù)GB/T 12522—2009取值；為波紋管拉升或壓縮的長度，mm。

需注意的是，波紋管安裝時一般有預(yù)拉伸。管路在受熱膨脹后，會先將預(yù)拉伸減小到自然長度，再進(jìn)一步壓縮。

1.5 滑動支撐摩擦力的反作用推力

管子重力施加在滑動支撐位置，產(chǎn)生摩擦力的同時，管路對固定支撐位置產(chǎn)生反向推力，其計算公式如下：

=

(5)

式中：為摩擦系數(shù)，無特殊說明，取0.3；為管子、波紋管總質(zhì)量，kg；為重力加速度，取9.8 m/s。

以上公式適用于滑動支撐在水平位置。如果滑動支撐在垂直位置，摩擦力對固定支撐位置產(chǎn)生的反向推力計算如下：

=

(6)

式中：為螺栓上緊力，N。

1.6 固定支撐受力

式(1)～式(4)的推力的合力需要由固定支撐承擔(dān)，另外還需承擔(dān)管路系統(tǒng)的重力，其計算公式如下：

=

(7)

2 計算示例

固定支撐位置見圖4。

P—氣體壓力；Δl1、Δl2—波紋管壓縮的長度；m0—波紋膨脹節(jié)質(zhì)量；m1—水平方向管材質(zhì)量；m2—垂直方向管材質(zhì)量；D1—波紋管內(nèi)徑；D2—波紋管外徑；Fx′—水平總推力；Fx—水平推力；Fsx—水平波紋管彈力；Ffx—滑動支撐摩擦力的水平反作用推力；Fmx—固定支撐在x方向受到管路系統(tǒng)的重力;Fy′—垂直總推力；Fy—垂直推力；Fsy—垂直方向波紋管彈力；Ffy—滑動支撐摩擦力的垂直反作用推力；Fmy—管子重量對固定支撐的力。

固定支撐位置的受力如下：

(8)

(9)

s=

但腹壁疤痕明顯，不美觀，尤其是疤痕體質(zhì)者。起、臥牽拉較重，因此產(chǎn)婦感覺較為疼痛。傷口愈合不好者較橫切口者多，尤其是腹壁厚的產(chǎn)婦，可發(fā)生脂肪液化或感染的問題。

(10)

f=(+)

(11)

m=0(水平管重量為垂直方向，不對固定支撐產(chǎn)生水平方向的力)

(12)

式中：為氣體壓力，=5×10Pa ；為波紋管內(nèi)徑，=0.76 m；為波紋管外徑，=0.70 m；為波紋管彈性系數(shù)，=165 N/mm；為波紋管壓縮的長度，=30 mm；為摩擦系數(shù)，=0.3；為水平方向管材質(zhì)量，=15 000 kg；為波紋膨脹節(jié)質(zhì)量，=125 kg；為重力加速度，=9.8 m/s。

經(jīng)計算，=207 584 N，s=4 950 N，f=4 778 N，′=217 312 N。

垂直總推力′=+s+f+m

(13)

(14)

s=

(15)

m=(+)

(16)

(17)

式中：為波紋管壓縮的長度，=30 mm ；為垂直方向管材質(zhì)量，=500 kg。

經(jīng)計算，=207 584 N，s=4 950 N，m=6 125 N，′=218 695 N。

3 結(jié)論

(1)高壓管路受力分析的因素包括氣體壓力、波紋管彈力、滑動支撐的摩擦力和支撐力，以及固定支撐的支撐力。 (2)在缺少專業(yè)軟件的情況下，船廠能通過簡化手動計算得出受力情況，有助于波紋管、固定/滑動支撐和彈性吊架合理選型及布置。

(3)結(jié)合本文的各節(jié)點受力分析及計算，可以得出固定支撐位置在3個方向的推力，便于舾裝和結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計足夠強(qiáng)度的基座及甲板加強(qiáng)，以保證高壓SCR排氣管系的正常運行。

(4)船廠可以主導(dǎo)設(shè)備參數(shù)選型，彌補(bǔ)國內(nèi)設(shè)備廠家對受力計算的不足，降低采購成本。