船舶管路中的柔性设计

刘波

摘要：船舶管路是船舶的重要组成部分，在船舶装卸、航行以及管路输送介质不同都会经历温差变化。另外，船舶航行时，船舶摇摆及装载而引起船体变形，也对管路造成不利影响。由于以上原因，从理论分析管路所受到的一次应力、二次应力及管路的热膨胀变化。从设计的角度，改变管路走向，增加膨胀节，使用软管等方式增加船舶管路的柔性，降低由于温差、船体变形、机械振动等因素造成的管路损坏。

关键词：应力;热膨胀;柔性设计

中图分类号：F407.474                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）08-0030-03

0  引言

船舶管路是船舶上用来传送油、水、气等相关工作介质，使船舶上的各种机械设备的相互连接，并能完成一定的任务和满足特定的功能。船舶管路在船舶动力装置中是一个重要组成部分，因此，船舶的管路设计也就是船舶设计及动力装置设计中不可缺少的内容。

船舶管路设计时，管路的柔性设计是不能忽视的问题，当管路出现长直管（通常出现在主甲板面，货舱双层底等处所）或设计温差较大，管道材料的膨胀收缩以及机械设备震动会在管道中以及管道与管端设备的连接处产生较大的应力。应力过大会引起造成法兰密封泄漏，管子焊缝或管端设备的损坏及正常运行。所以，船舶管路设计中，使管路拥有必要的柔性就非常重要。

1  管路的引力分析

船舶管道在使用过程中，损坏的主要原因是船舶管道应力过大所导致。在对管道应力程度进行评判时，一般根据产生应力的原因不同可将应力分为一次应力和二次应力[1]。

1.1 一次应力

一次应力是指由于管道受到外部载荷作用而产生的应力[1]。此应力的特点是：与外载荷的平衡，随外部载荷的增大而增大。管道承受的介质内压、自重、介质重量等持续外部载荷产生的应力均属一次应力[2]。

ASME B31.3中指出，在计算管道纵向应力的同时应考虑轴向力对管道的作用，因此一次应力由压力、附加轴向外力和弯矩引起，即[1]：

式中，？滓1为一次应力;？滓L为管道纵向应力;F为附加轴向力;A为管道横截面积;P为设计压力;D为平均直径;S为壁厚;M为合成弯矩;W为抗弯截面模量。

一次应力的校核标准为：

式中，[？滓]h为管道在设计使用寿命内，材料在预计最高温度下的许用应力。

1.2 二次应力

二次应力是指由于管道变形遭到约束而发生的应力。此应力的特点是：它与外力无关，具有自限性，即管道内的塑性区域扩大，达到极限状态后，由于局部位移受到约束，从而变形不再继续增大。因此，管道由于自身位移受到阻碍，管道的热膨胀等产生的应力都属二次应力。

ASME B31.3中规定的位移应力？滓E即管道的二次应力：

式中，？滓2为二次应力;Mi为平面内热膨胀弯曲力矩;M0为平面外热膨胀弯曲力矩;ii为平面内应力增大系数;i0为平面外应力增大系数;Mn为扭矩;W为抗弯截面模量。

二次应力的校核标准为：

其中，[？滓]A为许用位移应力;[？滓]C為在管道设计使用寿命内，材料在设计最低温度时的许用应力;f为管道位移应力减小系数。

2  管道的热膨胀

船舶管路在安装完成后，实际的运行过程中，由于环境温度的不同，介质温度的不同，管道的长度会有一点的变化量。

管道的热收缩量按下公式计算[3]：

式中：L——用于计算（或两固定支撑）的管长，单位：m;

T1——介质温度，单位：℃;

T2——常温（或安装时温度），一般取20℃，单位：℃;

α——管材的线膨胀系数（见表1），单位：/℃。

在船舶管路中，过热管路（如：排气管路、燃油管路、蒸汽管路、高温水管路……等）以及过冷管路（如：LNG管路、冷冻管路、冷媒水管路……等）一定要考虑管路的热膨胀（收缩）对整体的影响;还有对于长直管路也许要考虑环境温度变化对管路的影响，如货舱双层底内的管路、甲板面消防管、甲板面电缆管、甲板面油品输送管……等。

3  管路的柔性设计

3.1 船舶管路柔性设计的目的

柔性设计的目的是为了保证管道在设计条件下具有足够的柔性，防止管道因热胀冷缩、端点附加位移、管道支承设置不当等原因造成下列问题：

①管道应力过大会引起管道疲劳;

②管道推力过大造成支架损坏;

③管道连接处产生泄漏;

④管道推力或力矩过大，影响与其相连接的设备正常运行。

3.2 获得管路柔性的方法

为了使船舶管路获得一定的柔性，我们在管路设计时，通常可以改变管路的走向来获得柔性、增加膨胀节及使用软管连接来获得柔性。

3.2.1 改变管路的走向

在管路设计中，改变管路的走向获得柔性的方法通常有L型直角弯、Z型折角弯、π型弯以及空间立体弯几种。

①平面L型直角弯设计。

如图2，当管路从A点到B点，A，B点均为固定支撑点，为了增加管路的柔性，可将管路设计为L型，用L型的长臂与短臂的伸缩来吸收管路对A点与B点的影响。当长臂与短臂的长度过大时可以增加具有导向作用的滑动支撑。

②平面Z型折角弯设计。

如图3，当管路从A点到B点，A、B点均为固定支撑点，为了增加管路的柔性，可将管路设计为Z型，用Z型的长臂与短臂的伸缩来吸收管路对A点与B点的影响。当长臂与短臂的长度过大时可以增加具有导向作用的滑动支撑。

③平面π型弯设计。

如圖4，当管路从A点到B点，A、B点均为固定支撑点，为了增加管路的柔性，可将管路设计为π型，用π型的长臂与短臂的伸缩来吸收管路对A点与B点的影响。当长臂与短臂的长度过大时可以增加具有导向作用的滑动支撑。（图5）

④空间立体弯设计。

如图6，当管路从A点到B点，A、B点均为固定支撑点，为了增加管路的柔性，可将管路设计为空间立体弯，空间立体弯可以吸收管路上各段膨胀量对固定点 A点与B点的影响。

3.2.2 增设膨胀节

当设备及管路布置比较紧凑，有限的空间无法实现更改管路走向来增加管路柔性，或在设备与管路的接口处，或为了隔离设备震动，我们通常布置膨胀节来增加管路的柔性。管路膨胀节具有空间小、补偿量大等特点，广泛用于船舶管路中。

一般情况下，在设备进出口，为了消除设备震动的对管路的影响，可以在管路与设备的连接处增加橡胶膨胀节（高温管路除外，如排气管、热油管），橡胶膨胀节可补偿轴向、横向、角向，具有无推力、消声减振、体轻、结构简单、安装维修方便特点。

当管径加大，介质温差大，空间受限的情况下，我们通常选用金属波纹膨胀节。

膨胀节一般分为金属膨胀节和非金属膨胀节两类。其中金属膨胀节又分为波纹管膨胀节和套筒式膨胀节等。

①波纹管膨胀节[4]。

波纹管膨胀节是用金属波纹管制成，它能沿管道轴线方向伸缩，也允许一定量的弯曲。波纹管膨胀节用在管道上对管道因热膨胀产生的轴向长度变化进行补偿，也用于消除脉冲引起的震动。

为了安装时产生变形， 在波纹管两端设置有定位螺栓， 在安装时定位螺杆应处于锁紧状态，在投入使用前将定位螺杆拆除。波纹膨胀节一般用于压力不很高的管道上，可用在温度较高的管路上，如电缆管、排气管、压载管……等。

②套筒式膨胀节。

套筒式膨胀节也称管式伸缩节、套筒式补偿器，主要用于直线管道上。适用于热水、蒸气、热油等介质的运送，通过滑动套筒对外套筒的滑移运动，达到补偿热膨胀的作用[5]。

套筒式膨胀节适用于介质工程压力≤2.5MPa，介质温度-40～600℃。

套筒式膨胀节采用的密封材料柔性石墨环，其具有强度大、摩擦系数小、不老化、效果好、维修方便等特点。

套筒式膨胀节的使用寿命大，疲劳寿命与管道相当。

③非金属膨胀节。

非金属膨胀节可补偿轴向、横向、角向，具有无推力、简化支座设计、耐腐蚀、耐高温、消声减振等特点，用于船舶管路中起补偿作用的连接件，连接震动幅度较小的船舶设备。常用于油、水等介质的管道与设备相接。

非金属膨胀节的特点：1）补偿热膨胀：可以补偿多方向，大大优于只能补偿轴向的金属膨胀节。2）补偿安装误差：非金属膨胀节能有效的补偿了安装管路安装过程中的误差。3）消声减振：非金属能很好的隔离震动传递的功能，能有效的减少设备震动对管路的影响的和噪声扩散。4）无反推力：由于橡胶等非金属不能传递推力，减少管路对设备的影响。5）耐腐蚀性：氟橡胶、有机硅等非金属材料材料具有较好的耐温和耐腐蚀性能。6）耐高温性：所有的非金属都不能不耐高温，比金属膨胀节差。7）体轻、结构简单、安装维修方便。

3.2.3 使用软管连接

软管连接是船舶管路中常用的一种柔性连接方式，一般用于连接震动较大的船用设备、有运动部件的设备或高压设备等。如空压机、柴油发电机、旋转吊车、步桥等。

软管连接的特点：

①安装方便，简单，不用考虑设备及管路的误差。

②无震动、噪音传递。

③不存在任何反向的力的传递。

④耐腐蚀性好。

⑤不耐高温，不能用于高温系统。

4  结束语

船舶管路中，在不同的管路系统与所处的位置选用适当的方式适当提高管路柔性，能大大提高管路的使用寿命，减少管路对设备的损坏，并且有效的降低噪音。

参考文献：

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

[2]甘绍警，周瑞平，甘少炜，苏阳.船用LNG储罐与管道应力计算[J].舰船科学技术，2018（1）：35-40.

[3]唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2009：169-170.

[4]GB/T12777-2019，金属波纹管膨胀节通用技术条件[S].

[5]斯派莎克工程（中国）有限公司. 蒸汽和冷凝水系统手册[M].上海：上海科学技术文献出版社，2007.