余 波

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，江蘇 南京 210015）

0 引言

管道在船舶操作的實踐中起著重要作用，船舶管路不合理會造成空間資源的浪費,會增加維護成本?？紤]到一般船舶的運行狀態(tài)，優(yōu)化方案和具體方法的應用具有重要的實際意義。管路分為保障航行的動力管路和保障運營的船舶管路，通過這些管路實現(xiàn)各類介質(zhì)的按需流動，從而保障船舶的正常航行和高效運營[1]。

1 優(yōu)化管道布局的具體方法

1）靜態(tài)分析，指數(shù)字化建模的現(xiàn)有船舶的總體結(jié)構(gòu),并使用數(shù)字建模方法確保三維圖形化管線系統(tǒng)的完善與合理。通過完善的結(jié)構(gòu)模型，分析出此處管路的最佳布局方案。具體分析方法如下:綜合分析法通過對管路系統(tǒng)技術(shù)要求,如管路系統(tǒng)的壓力、材質(zhì)、管徑、連接方式、受力方向等,以及所處位置的結(jié)構(gòu)大小、材質(zhì)、強度要求進行綜合研判[2]。通過分析方法,可以了解整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否普遍存在不利于管路布置的弊端和可以采用的補償措施，也可以得出管路布置的一些基本要求，如管道與管道之間的最大間距、可以采用的連接方式。通過此分析方法,可以進一步評估管道系統(tǒng)。分析該方法并比較管道系統(tǒng)的具體參數(shù),如管道尺寸、布置空間、管路支架形式的選用等。借助數(shù)據(jù)能夠?qū)嵤┚唧w操作的優(yōu)化,以達到管路布置優(yōu)化目的。

2）動態(tài)分析方法，目的是使用實驗模擬方法驗證管道的具體運行狀態(tài)測量。一般來說,管道設計有科學的標準,其組成部分有明確要求。管路系統(tǒng)仿真技術(shù)實驗分析決定了實際管路的工作情況,如水、氣和油特定啟動/工作情況以及管路的振動、壓力變形、水錘效應、結(jié)構(gòu)變形等因素對管路布置造成的影響。利用軟件模擬,能夠準確計算出管路系統(tǒng)在工作時的實際工況，如受力分析、管路變形的趨勢。根據(jù)實驗和設計數(shù)據(jù),能夠判定動態(tài)和靜態(tài)之間的差異性。如果差異性在允許范圍內(nèi),則管路有效，不在允許范圍內(nèi)表示管路布局存在問題。根據(jù)具體結(jié)果,分析研究管道可能存在的問題,調(diào)整優(yōu)化布局,從而達到優(yōu)化管道布局的目的，進而保證管路在實際工作中的安全性[3]。

2 實際放樣中管道布局優(yōu)化方法

2.1 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析方法

通過設計軟件將所需的設計內(nèi)容進行精準的三維建模,管路總體布置的標準主要參數(shù)取決于船舶的管路前期策劃設計。因此，仿真技術(shù)的具體應用不容忽視。以某型船管隧內(nèi)的管路布置為例，結(jié)合船體結(jié)構(gòu)、以及其他相關(guān)專業(yè)的設備布置，考慮到管子對結(jié)構(gòu)強度的影響、管子的制作與安裝方式以及后期的維護與檢修經(jīng)過綜合考慮，策劃形成的典型布置方案，如圖1所示。使用三維軟件進行設計建模后的模型，如圖2所示。

圖1 船體結(jié)構(gòu)設計布設圖

圖2 船體三維軟件設計建模

2.2 動態(tài)分析方法

獲得管路總體布置方案后，結(jié)合實際工況,預判出管路的振動、受力大小、受力方向等影響管路系統(tǒng)安全工作的因素。同時也可采用專用的應力分析軟件進行相關(guān)的計算，有針對性地做出相應的補強、完善。通過分析某型船壓載系統(tǒng)一處彎頭的受力變形趨勢后，增加止推支撐的方案。根據(jù)以往的經(jīng)驗，此處彎頭如果不加以限位固定的話，該系統(tǒng)工作時，此處彎頭除了承受系統(tǒng)壓力以外，還有旁邊支管上閥門的啟閉而引起的水錘效應將遠遠大于正常工作壓力，進而造成彎頭處嚴重變形直至破壞。船體船壓系統(tǒng)變形，如圖3所示。

圖3 船體船壓系統(tǒng)變形

所在生產(chǎn)單位的生產(chǎn)加工能力以及所設計船型管路的特性，這類問題也應給予重視。例如某40000 t級的成品油輪，雙層底不設置管隧，壓載艙內(nèi)布置有多路大口徑壓載管，表面處理為環(huán)氧涂塑處理。按常規(guī)慣例分段間的管子合攏時需要設置合攏管進行調(diào)整，但出現(xiàn)以下問題：

1）調(diào)整管完成后會因分段合攏完畢無法出艙，也無法送至專門的涂裝廠家進行處理。

2）人工在施工現(xiàn)場補涂，但是涂層品質(zhì)不穩(wěn)定，船東不接受。

經(jīng)與船東協(xié)商后決定分段之間不再設置合攏管，在盡可能保證安裝精度的情況下，出現(xiàn)的安裝誤差改為調(diào)節(jié)墊塊處理。具體方法：一路管子在分段合攏處人為留出30 mm間隙，合攏后根據(jù)2塊法蘭之間的實際間隙加工調(diào)節(jié)墊塊，如圖4所示。

圖4 實際間隙加工調(diào)節(jié)墊塊

3 船舶管路優(yōu)化布置的初步設計方案

船舶的管路優(yōu)化初步設計方案是否成功，關(guān)系到后續(xù)生產(chǎn)設計方案過程的發(fā)展。因而，在強化管路布置時，要注意優(yōu)化其初步設計方案，在實際運用中進一步提高整體布置的科學合理性[4]。船舶的管路設計方案主體包含：管路初步布置方案完成后，需要對管路系統(tǒng)進行細化生產(chǎn)設計，以保證整體總體布局的科學合理性。

生產(chǎn)設計方案主體包含：

1）結(jié)合原理圖，確定目標設定的科學合理性，保證船舶管路統(tǒng)綜合布置的科學合理設計方案；

2）在管路生產(chǎn)設計方案階段，應融會貫通各種各樣強化安全措施，強化資源配置，進一步提高管路詳細設計方案的效率，降低設計方案成本；

3）管路系統(tǒng)的總體布局應滿足可靠性、安全性、可行性、耐用性等需求。

靜態(tài)分析法側(cè)重于：1）管路設計時對結(jié)構(gòu)強度的影響；2）空間的合理利用；3）對系統(tǒng)功能的基本實現(xiàn)。

動態(tài)分析法側(cè)重于：1）管子的制作、安裝過程的簡便性；2）管路的安全性、可靠性；3）管路系統(tǒng)在日常運營中的可操作性、可維護性；4）在工作過程中防止其他因素帶來的振動、高/低溫、腐蝕、可能的機械傷害等對管路的損壞，進而采取補償性/保護性的設計方案。

2種分析方法在設計的過程中可以有先后，但是并不完全獨立，應該互相兼容、互相影響。在保證系統(tǒng)功能實現(xiàn)的前提下，結(jié)構(gòu)的安全性和管路本身的安全性應該予以優(yōu)先考慮。

4 管系設計優(yōu)化的發(fā)展趨勢

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代造船工業(yè)系統(tǒng)將向智能化大方向建設，產(chǎn)品設計系統(tǒng)也在向智能制造的大方向建設。以往的管路功能優(yōu)化布置還應遵從科技成果的技術(shù)創(chuàng)新，船舶管路布局的優(yōu)化設計還需從適應智能化生產(chǎn)的方面進行研究，以適應流水線加工的需求、機器人加工的需求等要素。

利用設計軟件進行三維建模已經(jīng)成為主流船廠必備的設計手段，同時一些仿真管路應力分析軟件的引進和運用也必然提上日程。通過科技化手段來代替依靠經(jīng)驗值或者實測后修改原有設計方案，無疑可以大大提高設計的有效性，并且能夠降低建造中的修改成本。

隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，更多種類的非金屬材料、非焊接連接的管材因其成本低、重量輕、施工維護簡便等優(yōu)點，越來越被船廠和船東所接受，隨著逐步在各系列船型上的使用，范圍有明顯擴大的趨勢[5]。原有的常規(guī)管路的設計標準是否還能滿足新材料管路，非焊接管路的技術(shù)特性也是今后需要強化考慮的項目。例如比較常見的非金屬類玻璃纖維增強樹脂管（GRE/GRP）、聚乙烯管道（PE管）、聚氯乙烯管（PVC管）等，還有金屬類的非焊接密封的薄壁承插管、機械卡壓密封的管子，以及大規(guī)模使用“維特利”“斯特勞博”一類機械接頭的管路。此類管子在設計時因特性化的差異，不能完全套用常規(guī)金屬管路的設計思路。

從發(fā)展趨勢而言，管路布置的優(yōu)化設計開始的時間點應該前移，從技術(shù)規(guī)格書談判的階段，針對管子的選材、涂裝的方式等要素，到影響管子安裝方式的結(jié)構(gòu)分段劃分，再到可能會造成結(jié)構(gòu)強度的破壞時，對典型結(jié)構(gòu)的補強方案以及針對原理圖中系統(tǒng)方案的優(yōu)化意見等，上述設計階段如能提前介入，對于后面的管路的優(yōu)化設計過程是巨大的幫助[6]。

當然大量船舶管路設計經(jīng)驗的積累必不可少。通過長期的積累、統(tǒng)計、整理，進而形成相對統(tǒng)一的標準設計方案，不管是對于造船企業(yè)還是運營企業(yè)，都非常有利。

5 結(jié)語

從目前的數(shù)據(jù)和研究成果來看，船舶配管布設對提升船舶的具體運行有重要影響，對于船廠降低材料成本、人工成本有著巨大的幫助，對于船東降低運營維護成本也有著不可替代的作用。本文歸納了管路布置前期策劃及生產(chǎn)設計階段的一些思路、考慮因素及應用方法，為管系設計人員特別是新入行設計員的實際操作提供了一些幫助和指導，期望能夠為提高船舶管路生產(chǎn)設計的學術(shù)性和系統(tǒng)性提供參考。