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        船用柴油機高壓廢氣管路受力分析及計算

        2022-04-12 10:56:44王秋洋
        江蘇船舶 2022年1期
        關(guān)鍵詞:波紋管彈力管子

        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,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)計足夠強度的基座及甲板加強,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,彌補國內(nèi)設(shè)備廠家對受力計算的不足,降低采購成本。

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