浅析如何降低机舱排烟管路热应力

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(南通中远川崎船舶工程有限公司,江苏 南通 226005)

柴油机船舶的机舱排烟管路将主机、发电机、锅炉、焚烧炉等燃气设备产生的废气输送至烟囱，排向大气，由于废气含有大量热，所以排烟管路要承受由此产生的热应力。燃气设备有一定的强度极限，对热应力的承受范围是有限度的。解决的办法，通常是在排烟管路上设置金属波纹管膨胀节，吸收管路的热变形，消除应力。但笔者在设计过程中发现，部分设备热应力限制要求比较高，有必要对管路、设备的应力情况进行分析。

1 案例

以某型船舶主机涡轮增压器为例。要求作用在接口法兰面上的轴向反力F1、F2不大于22 kN。

F1=(mü+mk/2)(a+g)+F1k

(1)

F2=(mü+mk/2)a+F2k

(2)

式中：mü——增压器出口方接圆质量，mü=525 kg；

mk——膨胀节质量，mk=690 kg；

a——最大许可振动加速度,a=1.5 g；

g——重力加速度；

F1k、F2k——膨胀节轴向反力。

增压器出口排烟管通径2 000 mm，布置见图1。

考虑到实际布置时，增压器与竖直方向成15°角。F1k的最大值为975 N，F2k的最大值为4 711 N。膨胀节的轴向位移量为29 mm，横向位移量11 mm。

图1 增压器出口排烟管布置

则轴向整体刚度只有33.7 N/mm，横向整体刚度为428.3 N/mm。

上述轴向刚度和横向刚度值，尤其是轴向刚度，对于通径2 000 mm、长度限制在1 200 mm左右的普通复式U形无加强波纹管膨胀节，要求还是比较高的。

一方面，设备的应力限制应有一个合理的范围。应力小，对设备的运行安全、降低重量、减少成本是有帮助的。但另一方面也要考虑船舶排烟管路的实际布置情况。

为对船厂排烟管路进行合理布置、对膨胀节设计的细化分析，研究减小设备所受管路应力，同时兼顾管路布置的简洁，保证其内部烟气排放流畅、阻力小，且燃气设备有较高的工作效率，从船厂方面展开讨论。

2 合理布置排烟管

排烟管口径粗，布置困难，在机舱布置图的前期，就要预先考虑。一般有如下原则：①管路走向尽量简单、平滑，避免多余的弯曲；②避让设备的维修、服务空间，如机舱行车的行走区域等；③管路靠近船体结构，方便后期管路支架的设置；④合理布置固定点，设置膨胀节。

本案例前3项基本符合要求。

以下讨论如何合理设置管路固定点和布置膨胀节位置。

2.1 合理设置管路固定点

固定点，即相对于船体结构固定不动的点，管路支架在此处不设腰形孔，管路向两边热胀冷缩。在两个固定点之间，或者固定点和设备之间，通过布置膨胀节吸收管路热变形。固定点的位置设置，对膨胀量的数值大小有很大关系。

膨胀量：一般包括设备自身热膨胀量、管路热膨胀量，船体变形量等。设备自身热膨胀量，一般由设备自身特性决定，不可变更；船体变形量，在船体线型确定以后，也无法改变。唯一可以改变的是管路热变形量。

本例设备的反力限制比较高，所以，固定点的位置应尽量靠近设备出口。这样，膨胀量除设备自身的热变形和船体结构变形以外，仅有固定点和设备之间的一小段管路的热变形，其量值较小。使得膨胀节的设计位移降到最低。位移小，相应的反力也小。

同时，固定点承受排烟管重力、膨胀节变形的弹性反力，等。所以，在选择固定点的时候，要注意固定点处的船体结构一定要有足够的强度，不能一味追求降低膨胀节弹性反力。

2.2 合理布置膨胀节位置

上述案例，将膨胀节设置在方接圆出口位置。

1)膨胀节可设计成圆形。圆形膨胀节较方形膨胀节省去了过渡角，周向的受力比较均匀，工作可靠。设计、制作比较方便。

2)直接接在方接圆出口，而不设置连接管路，可以最大限度降低管路重力对增压器的影响。式(1)中，膨胀节之前的管路，只考虑了方接圆的重力。在某些较小的船舶柴油机上，发电机或者应急发电机一般都会自带膨胀节，装在排烟出口，可有效保护柴油机，隔离排烟管路对设备影响。

3 膨胀节设计

3.1 采用复式膨胀节

单式膨胀节主要用于吸收轴向位移[1]。实际应用过程中，也可以用来吸收小量的横向位移。但是，单式膨胀节的横向刚度大。横向反力限制要求高的场合，采用单式膨胀节不合适。

复式膨胀节，由中间接管连接的两个波纹管、导管等组成，可以通过波纹管的压缩、拉伸，实现横向位移，且横向反力较低，见图2。

图2 复式膨胀节

上例存在一定量的横向位移，同时横向刚度又有限制。采用复式波纹管膨胀节较为合适。

3.2 降低膨胀节重量

将式(1)中膨胀节重量的一半计入管路对增压器的反力。降低膨胀节重量，对降低反力有利。

降低膨胀节重量的方法有：①降低膨胀节中间接管的长度；②改变膨胀节单个导流筒的设计，将导流筒分成两部分，分别焊接在进口短管、中间接管上；③采用平面型法兰，替换角钢法兰。平面型法兰加工难度大，焊接难度也比较大；角钢法兰施工方便，所以一般压力比较低的排烟管路，都采用角钢法兰。但平面型法兰重量小，以2 000 mm JIS F7805法兰为例，单片平面型法兰重量较角钢法兰质量减少约25 kg，而且膨胀节上的接管长度也可以减小。

3.3 采用薄壁多层设计

波纹管的管壁厚度通常指根据通径、压力、温度等，计算一层波纹管的名义厚度，在保证许用疲劳寿命的前提下，按最小厚度选取管壁厚度。可以由一层波纹管组成，也可由多层波纹管组成。

根据研究，采用薄壁多层膨胀节设计，能有效降低膨胀节刚度，同时增加波纹管的使用寿命[2-3]。在膨胀节的横向反力限制占主导时，效果更加明显。

3.4 采用轴向预拉伸

通常情况下，设计船舶排烟管路金属波纹管膨胀节时，常采用轴向半拉伸方法。即，膨胀节的自由长度减去膨胀节工作时极限压缩量的一半。

由于金属波纹管可以看作是弹性体，既可以拉伸，又可以压缩。预拉伸后，膨胀节在冷态时受拉伸，热态时受压缩，拉伸的量和压缩的量，相对于膨胀节自由状态的量是一样的。即膨胀节的变形量降低了。

一方面膨胀节的设计变形小、形状变得简单，可降低成本；另外一方面，相同刚度下的膨胀节弹性反力也小。

但是，类似前述案例在使用条件非常苛刻的场合，膨胀节的弹性反力几乎没有。那么，出于保护设备的目的，可以采用轴向全拉式。即在极限温度情况下，膨胀节仍然处于拉升状态。这样膨胀节对设备没有反力作用，即式(1)中膨胀节反力F1k=0。

3.5 采用横向预偏置的方法

同样，如果膨胀节的横向反力限制非常严，在横向位移确定的情况下，也可以通过对膨胀节进行横向预偏置的方法降低膨胀节对设备的径向反力。

如前所述，横向反力限制比较严的场合，应选用复式波纹管膨胀节。预偏置的原理同前述，即波纹管的一侧压缩、一侧拉伸。只不过预偏置是在冷态时通过管路安装预紧实现的。

一般情况下不采用膨胀节横向预偏置。因为横向预偏置对施工的要求比较高，尤其是膨胀节的对中精度难度大。

4 结论

关于船舶机舱排烟管路布置，包括排烟管路的合理布置和膨胀节的设计，可从降低设备出口热膨胀量、增加膨胀节柔性、降低管路应力等方面入手采用适当的措施，最大限度保护设备。

还有一些方法，也可以降低机舱排烟管路的热应力，如采用Ω波型膨胀节，增加膨胀节的柔性等，有待进一步的研究。

[1] 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会．GB12777-2008金属波纹管膨胀节通用技术条件[S]．北京：中国标准出版社，2008.

[2] 林国栋，张大林，王 勇，等．金属波纹管膨胀节在柴油机排气系统中的应用[J]．管道技术与设备，2007(3)：19.

[3] 沈恒元.大型高炉煤气重力除尘波纹管的失效分析[J]．理化检验：物理分册，2007，43(9)：472-475.