船用柴油机高压废气管路受力分析及计算

王秋洋

(江苏新扬子造船有限公司，江苏 靖江 214500)

0 引言

面对日益严重的环境问题，国际海事组织出台了Tier III排放标准，并于2016年1月1日起生效。对采用高压选择性催化还原(Selective Catalystic Reduction，SCR )技术的二冲程柴油机，SCR废气系统布置在增压器前，管路的温度约为300～450 ℃，压力高达5×10Pa，同时废气管路的尺寸较大。为了保证管路系统使用安全，对系统中的支撑进行受力分析，量化受力数据尤为重要。目前，多数滑动/固定支撑厂家无法及时提供相关受力计算，给船厂选用设备造成了困难。为此，本文对82 000载重吨散货船废气管路的不同节点进行受力分析，包括气体的静态推力、气体动态推力、波纹管弹力、滑动支撑摩擦力的反向推力及固定支撑力，总结出简化手动计算的方法，得出受力参数。此推力参数不仅可直接用于管路滑动支撑，还可用于固定支撑选型、基座及结构强度的设计。

1 受力分析及计算

1.1 管路系统组成

管路系统主要由4个组件组成：管材、不锈钢波纹管、滑动支撑和固定支撑。

1.2 管路内部气体压力

直管受力见图1，管壁上的力互相平衡，对整个管路系统不产生推力。

P—气体压力。

弯管位置受力见图2，弯管位置的气体压力无法平衡，会产生水平推力和垂直推力。

Fx—水平推力；Fy—垂直推力；Dx、Dy—管子内径；P—气体压力。

推力、计算公式如下：

(1)

(2)

式中：为气体压力，Pa；、为管子内径，m。

由于波纹管是挠性的，气体对两侧的波纹管壁产生形变的推力，该形变的力对两侧管路系统产生额外的推力，所以，管路内部气体压力产生的推力，应该用波纹管有效直径来替代上述的管子内径、进行计算。形变支点见图3。

D0—波纹管有效直径；D1—波纹管内径；D2—波纹管外径；

有效直径计算公式如下：

(3)

式中：为波纹管内径，m；为波纹管外径，m。

1.3 气体动态变化产生的推力

二冲程柴油机工作时，负荷增加带来的动态推力及负荷稳定时产生的动态推力可以忽略不计。

1.4 波纹管弹力

波纹管本身的形变会对管路系统施加弹力，其计算公式如下：

=

(4)

式中：为形变产生的弹力，N；为波纹管弹性系数，N/mm，按照厂家标准或依据GB/T 12522—2009取值；为波纹管拉升或压缩的长度，mm。

需注意的是，波纹管安装时一般有预拉伸。管路在受热膨胀后，会先将预拉伸减小到自然长度，再进一步压缩。

1.5 滑动支撑摩擦力的反作用推力

管子重力施加在滑动支撑位置，产生摩擦力的同时，管路对固定支撑位置产生反向推力，其计算公式如下：

=

(5)

式中：为摩擦系数，无特殊说明，取0.3；为管子、波纹管总质量，kg；为重力加速度，取9.8 m/s。

以上公式适用于滑动支撑在水平位置。如果滑动支撑在垂直位置，摩擦力对固定支撑位置产生的反向推力计算如下：

=

(6)

式中：为螺栓上紧力，N。

1.6 固定支撑受力

式(1)～式(4)的推力的合力需要由固定支撑承担，另外还需承担管路系统的重力，其计算公式如下：

=

(7)

2 计算示例

固定支撑位置见图4。

P—气体压力；Δl1、Δl2—波纹管压缩的长度；m0—波纹膨胀节质量；m1—水平方向管材质量；m2—垂直方向管材质量；D1—波纹管内径；D2—波纹管外径；Fx′—水平总推力；Fx—水平推力；Fsx—水平波纹管弹力；Ffx—滑动支撑摩擦力的水平反作用推力；Fmx—固定支撑在x方向受到管路系统的重力;Fy′—垂直总推力；Fy—垂直推力；Fsy—垂直方向波纹管弹力；Ffy—滑动支撑摩擦力的垂直反作用推力；Fmy—管子重量对固定支撑的力。

固定支撑位置的受力如下：

(8)

(9)

s=

但腹壁疤痕明显，不美观，尤其是疤痕体质者。起、卧牵拉较重，因此产妇感觉较为疼痛。伤口愈合不好者较横切口者多，尤其是腹壁厚的产妇，可发生脂肪液化或感染的问题。

(10)

f=(+)

(11)

m=0(水平管重量为垂直方向，不对固定支撑产生水平方向的力)

(12)

式中：为气体压力，=5×10Pa ；为波纹管内径，=0.76 m；为波纹管外径，=0.70 m；为波纹管弹性系数，=165 N/mm；为波纹管压缩的长度，=30 mm；为摩擦系数，=0.3；为水平方向管材质量，=15 000 kg；为波纹膨胀节质量，=125 kg；为重力加速度，=9.8 m/s。

经计算，=207 584 N，s=4 950 N，f=4 778 N，′=217 312 N。

垂直总推力′=+s+f+m

(13)

(14)

s=

(15)

m=(+)

(16)

(17)

式中：为波纹管压缩的长度，=30 mm ；为垂直方向管材质量，=500 kg。

经计算，=207 584 N，s=4 950 N，m=6 125 N，′=218 695 N。

3 结论

(1)高压管路受力分析的因素包括气体压力、波纹管弹力、滑动支撑的摩擦力和支撑力，以及固定支撑的支撑力。 (2)在缺少专业软件的情况下，船厂能通过简化手动计算得出受力情况，有助于波纹管、固定/滑动支撑和弹性吊架合理选型及布置。

(3)结合本文的各节点受力分析及计算，可以得出固定支撑位置在3个方向的推力，便于舾装和结构专业设计足够强度的基座及甲板加强，以保证高压SCR排气管系的正常运行。

(4)船厂可以主导设备参数选型，弥补国内设备厂家对受力计算的不足，降低采购成本。