淺析如何降低機艙排煙管路熱應力

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(南通中遠川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

柴油機船舶的機艙排煙管路將主機、發電機、鍋爐、焚燒爐等燃氣設備產生的廢氣輸送至煙囪，排向大氣，由于廢氣含有大量熱，所以排煙管路要承受由此產生的熱應力。燃氣設備有一定的強度極限，對熱應力的承受范圍是有限度的。解決的辦法，通常是在排煙管路上設置金屬波紋管膨脹節，吸收管路的熱變形，消除應力。但筆者在設計過程中發現，部分設備熱應力限制要求比較高，有必要對管路、設備的應力情況進行分析。

1 案例

以某型船舶主機渦輪增壓器為例。要求作用在接口法蘭面上的軸向反力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——增壓器出口方接圓質量，mü=525 kg；

mk——膨脹節質量，mk=690 kg；

a——最大許可振動加速度,a=1.5 g；

g——重力加速度；

F1k、F2k——膨脹節軸向反力。

增壓器出口排煙管通徑2 000 mm，布置見圖1。

考慮到實際布置時，增壓器與豎直方向成15°角。F1k的最大值為975 N，F2k的最大值為4 711 N。膨脹節的軸向位移量為29 mm，橫向位移量11 mm。

圖1 增壓器出口排煙管布置

則軸向整體剛度只有33.7 N/mm，橫向整體剛度為428.3 N/mm。

上述軸向剛度和橫向剛度值，尤其是軸向剛度，對于通徑2 000 mm、長度限制在1 200 mm左右的普通復式U形無加強波紋管膨脹節，要求還是比較高的。

一方面，設備的應力限制應有一個合理的范圍。應力小，對設備的運行安全、降低重量、減少成本是有幫助的。但另一方面也要考慮船舶排煙管路的實際布置情況。

為對船廠排煙管路進行合理布置、對膨脹節設計的細化分析，研究減小設備所受管路應力，同時兼顧管路布置的簡潔，保證其內部煙氣排放流暢、阻力小，且燃氣設備有較高的工作效率，從船廠方面展開討論。

2 合理布置排煙管

排煙管口徑粗，布置困難，在機艙布置圖的前期，就要預先考慮。一般有如下原則：①管路走向盡量簡單、平滑，避免多余的彎曲；②避讓設備的維修、服務空間，如機艙行車的行走區域等；③管路靠近船體結構，方便后期管路支架的設置；④合理布置固定點，設置膨脹節。

本案例前3項基本符合要求。

以下討論如何合理設置管路固定點和布置膨脹節位置。

2.1 合理設置管路固定點

固定點，即相對于船體結構固定不動的點，管路支架在此處不設腰形孔，管路向兩邊熱脹冷縮。在兩個固定點之間，或者固定點和設備之間，通過布置膨脹節吸收管路熱變形。固定點的位置設置，對膨脹量的數值大小有很大關系。

膨脹量：一般包括設備自身熱膨脹量、管路熱膨脹量，船體變形量等。設備自身熱膨脹量，一般由設備自身特性決定，不可變更；船體變形量，在船體線型確定以后，也無法改變。唯一可以改變的是管路熱變形量。

本例設備的反力限制比較高，所以，固定點的位置應盡量靠近設備出口。這樣，膨脹量除設備自身的熱變形和船體結構變形以外，僅有固定點和設備之間的一小段管路的熱變形，其量值較小。使得膨脹節的設計位移降到最低。位移小，相應的反力也小。

同時，固定點承受排煙管重力、膨脹節變形的彈性反力，等。所以，在選擇固定點的時候，要注意固定點處的船體結構一定要有足夠的強度，不能一味追求降低膨脹節彈性反力。

2.2 合理布置膨脹節位置

上述案例，將膨脹節設置在方接圓出口位置。

1)膨脹節可設計成圓形。圓形膨脹節較方形膨脹節省去了過渡角，周向的受力比較均勻，工作可靠。設計、制作比較方便。

2)直接接在方接圓出口，而不設置連接管路，可以最大限度降低管路重力對增壓器的影響。式(1)中，膨脹節之前的管路，只考慮了方接圓的重力。在某些較小的船舶柴油機上，發電機或者應急發電機一般都會自帶膨脹節，裝在排煙出口，可有效保護柴油機，隔離排煙管路對設備影響。

3 膨脹節設計

3.1 采用復式膨脹節

單式膨脹節主要用于吸收軸向位移[1]。實際應用過程中，也可以用來吸收小量的橫向位移。但是，單式膨脹節的橫向剛度大。橫向反力限制要求高的場合，采用單式膨脹節不合適。

復式膨脹節，由中間接管連接的兩個波紋管、導管等組成，可以通過波紋管的壓縮、拉伸，實現橫向位移，且橫向反力較低，見圖2。

圖2 復式膨脹節

上例存在一定量的橫向位移，同時橫向剛度又有限制。采用復式波紋管膨脹節較為合適。

3.2 降低膨脹節重量

將式(1)中膨脹節重量的一半計入管路對增壓器的反力。降低膨脹節重量，對降低反力有利。

降低膨脹節重量的方法有：①降低膨脹節中間接管的長度；②改變膨脹節單個導流筒的設計，將導流筒分成兩部分，分別焊接在進口短管、中間接管上；③采用平面型法蘭，替換角鋼法蘭。平面型法蘭加工難度大，焊接難度也比較大；角鋼法蘭施工方便，所以一般壓力比較低的排煙管路，都采用角鋼法蘭。但平面型法蘭重量小，以2 000 mm JIS F7805法蘭為例，單片平面型法蘭重量較角鋼法蘭質量減少約25 kg，而且膨脹節上的接管長度也可以減小。

3.3 采用薄壁多層設計

波紋管的管壁厚度通常指根據通徑、壓力、溫度等，計算一層波紋管的名義厚度，在保證許用疲勞壽命的前提下，按最小厚度選取管壁厚度。可以由一層波紋管組成，也可由多層波紋管組成。

根據研究，采用薄壁多層膨脹節設計，能有效降低膨脹節剛度，同時增加波紋管的使用壽命[2-3]。在膨脹節的橫向反力限制占主導時，效果更加明顯。

3.4 采用軸向預拉伸

通常情況下，設計船舶排煙管路金屬波紋管膨脹節時，常采用軸向半拉伸方法。即，膨脹節的自由長度減去膨脹節工作時極限壓縮量的一半。

由于金屬波紋管可以看作是彈性體，既可以拉伸，又可以壓縮。預拉伸后，膨脹節在冷態時受拉伸，熱態時受壓縮，拉伸的量和壓縮的量，相對于膨脹節自由狀態的量是一樣的。即膨脹節的變形量降低了。

一方面膨脹節的設計變形小、形狀變得簡單，可降低成本；另外一方面，相同剛度下的膨脹節彈性反力也小。

但是，類似前述案例在使用條件非?？量痰膱龊?，膨脹節的彈性反力幾乎沒有。那么，出于保護設備的目的，可以采用軸向全拉式。即在極限溫度情況下，膨脹節仍然處于拉升狀態。這樣膨脹節對設備沒有反力作用，即式(1)中膨脹節反力F1k=0。

3.5 采用橫向預偏置的方法

同樣，如果膨脹節的橫向反力限制非常嚴，在橫向位移確定的情況下，也可以通過對膨脹節進行橫向預偏置的方法降低膨脹節對設備的徑向反力。

如前所述，橫向反力限制比較嚴的場合，應選用復式波紋管膨脹節。預偏置的原理同前述，即波紋管的一側壓縮、一側拉伸。只不過預偏置是在冷態時通過管路安裝預緊實現的。

一般情況下不采用膨脹節橫向預偏置。因為橫向預偏置對施工的要求比較高，尤其是膨脹節的對中精度難度大。

4 結論

關于船舶機艙排煙管路布置，包括排煙管路的合理布置和膨脹節的設計，可從降低設備出口熱膨脹量、增加膨脹節柔性、降低管路應力等方面入手采用適當的措施，最大限度保護設備。

還有一些方法，也可以降低機艙排煙管路的熱應力，如采用Ω波型膨脹節，增加膨脹節的柔性等，有待進一步的研究。

[1] 國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會．GB12777-2008金屬波紋管膨脹節通用技術條件[S]．北京：中國標準出版社，2008.

[2] 林國棟，張大林，王 勇，等．金屬波紋管膨脹節在柴油機排氣系統中的應用[J]．管道技術與設備，2007(3)：19.

[3] 沈恒元.大型高爐煤氣重力除塵波紋管的失效分析[J]．理化檢驗：物理分冊，2007，43(9)：472-475.