船舶管路管徑計(jì)算的新方法

楊曉獻(xiàn)

（巴柏賽斯船舶科技（上海）有限公司，上海 201206）

船舶管路管徑計(jì)算的新方法

楊曉獻(xiàn)

（巴柏賽斯船舶科技（上海）有限公司，上海 201206）

文章介紹了管路管徑計(jì)算的一種新方法，通過理論推導(dǎo)建立數(shù)據(jù)模型，并在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上結(jié)合ASP.NET技術(shù)，推出網(wǎng)頁版計(jì)算軟件。避免了常規(guī)管路計(jì)算的方法對(duì)小管徑計(jì)算偏差很大的問題，不再需要手動(dòng)查表選取合適的管徑?？墒咕钟蚓W(wǎng)內(nèi)所有人員方便使用，減少低效的管徑計(jì)算時(shí)間，提高工作效率。

船舶管路；管徑計(jì)算；流速；網(wǎng)頁版計(jì)算

0 引言

對(duì)于船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)而言，不同系統(tǒng)、不同介質(zhì)管路管徑的計(jì)算，是輪機(jī)工程師耗費(fèi)大量時(shí)間的設(shè)計(jì)內(nèi)容，如何在滿足流體管路的供給要求的同時(shí)使得管徑（造價(jià)）合理，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算適應(yīng)電算化，是本文的研究要點(diǎn)。

1 船舶管路設(shè)計(jì)的原則

在船舶管路設(shè)計(jì)中，通常在滿足船舶建造規(guī)格要求的前提下，按管路工藝要求和安全運(yùn)用的原則，根據(jù)所輸送介質(zhì)的流體性質(zhì)和流體力學(xué)知識(shí)，計(jì)算出經(jīng)濟(jì)性最好的管徑，通常稱為經(jīng)濟(jì)管徑。

船上的空間比較小，特別是機(jī)艙設(shè)備多、管路多，空間相對(duì)其他區(qū)域更加狹小，在滿足功能性和經(jīng)濟(jì)性的前提下盡可能使用小的管徑，對(duì)于后續(xù)管路的布置和施工、通道的預(yù)留、管路的重量（空船重量）的減少都非常有益處。管路減小一檔，管路的壁厚、管子的重量、管路輸送的介質(zhì)重量、管路上的閥門、附件的尺寸和重量均會(huì)大大減少，如管路上包絕緣層，絕緣的重量和管路所占的空間也將相應(yīng)減少，整個(gè)系統(tǒng)管路等初期投資成本相應(yīng)降低。

如上所述，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡可能選用較高的流速，減小管徑。但是，隨著流速的增高，管內(nèi)流體摩擦阻力也相應(yīng)增加，泵和設(shè)備的功

對(duì)于小管徑的管子，舉例一臺(tái) 3 m3/h海水冷卻泵后的海水冷卻管的直徑：

1）介質(zhì)和流速參考上面例子的步驟和取值；

2）根據(jù)公式計(jì)算得出管路最小內(nèi)徑18.8 mm～25 mm，在標(biāo)準(zhǔn)管中DN15、DN20和DN25的管子都接近計(jì)算值，核對(duì)設(shè)備資料通常管徑選擇DN32，因此小管徑根據(jù)流速計(jì)算，合理的管徑通常不在流速計(jì)算的范圍內(nèi)。

上述計(jì)算需要查詢表[1-2]，而且推薦流速范圍比較大，比較難確定合理的值，小管徑計(jì)算出的管徑和設(shè)備配合時(shí)常常偏小。所以設(shè)計(jì)中需要找到一種比較簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，直接計(jì)算出合理的管徑，并且在小管徑時(shí)也保證足夠精度。

3 改進(jìn)后的管徑計(jì)算

上述常規(guī)使用手工查表得出流速后再計(jì)算管徑的方法，過程繁瑣，耗時(shí)比較長(zhǎng)，并且容易出錯(cuò)，另外對(duì)于小尺寸管徑查表計(jì)算后管徑偏小，同時(shí)不適應(yīng)當(dāng)前的自動(dòng)化及電算化的趨勢(shì)。經(jīng)過查詢，收集大量資料，找到下述的電算化解決方案，既解決小尺寸管徑計(jì)算時(shí)誤差過大的問題，同時(shí)能涵蓋大尺寸管徑的計(jì)算，直接給出合理精確的管徑，大大減少了設(shè)計(jì)人員的查表和計(jì)算時(shí)間。

計(jì)算公式如下[3]：

實(shí)際船舶管路計(jì)算中，通常給定條件為介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度（cSt），極少使用動(dòng)力粘度（Pa.s），運(yùn)動(dòng)粘度和動(dòng)力粘度的關(guān)系式如下：

把式(2)代入式(1)，通過下面的步驟變換出式(3)：

上述式中，d為管道的內(nèi)徑，mm；Qv為管內(nèi)介質(zhì)的體積流量，m3/h；ρ為介質(zhì)在工作條件下的密度，kg/m3；ΔP100為 100 m計(jì)算管長(zhǎng)的允許壓力降值，kPa；μ為介質(zhì)在工作條件下的動(dòng)力粘度，Pa.s；υ為介質(zhì)在工作條件下的運(yùn)動(dòng)粘度，cSt。

首先了解一下式中ΔP100的 概念，該參數(shù)為100 m直管段長(zhǎng)度的最大允許壓力降值，要求計(jì)算后的管徑在 100 m長(zhǎng)度的壓力降值不超過該允許值。通常管路計(jì)算時(shí)該值從推薦表格中直接選取數(shù)值，然后代入公式計(jì)算管徑，而ΔP100公式由下面的直管段摩擦阻力計(jì)算公式推導(dǎo)而來：

式中，ΔP為直管路壓力降值，kPa；λ為管路摩擦系數(shù)，無量綱值；L為直管段長(zhǎng)度，m；V為管內(nèi)介質(zhì)流速，m/s。

L取值100 m，代入上式計(jì)算的壓降值即為：

經(jīng)過多方查找資料和計(jì)算值對(duì)比收集，整理出了船舶常用的介質(zhì)的物理性質(zhì)（見表 1）和推薦的流速、允許壓降值（見表2）。

表1 常用管路系統(tǒng)介質(zhì)密度、粘度

為方便設(shè)計(jì)人員使用，在我司內(nèi)部網(wǎng)上編制了一個(gè)ASP.NET計(jì)算頁面，后臺(tái)使用數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)表上的介質(zhì)屬性。在頁面輸入介質(zhì)流量值后，選擇介質(zhì)類型、介質(zhì)的缺省溫度、密度、粘度值、流速范圍值以及ΔP100從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中兩個(gè)表中提取出來，自動(dòng)填入相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入框。如提取出的數(shù)值和實(shí)際值不一致，或者介質(zhì)溫度不一致，手動(dòng)更改為實(shí)際值后，點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，服務(wù)器將進(jìn)行計(jì)算并在頁面上顯示最小內(nèi)徑，同時(shí)把該計(jì)算管徑所對(duì)應(yīng)的流速以及介質(zhì)建議的流速范圍顯示在頁面最后一行，方便使用者判斷計(jì)算的管徑是否合理。

表2 管路系統(tǒng)常用介質(zhì)流速范圍和ΔP100允許壓力降表

使用第 2段內(nèi)的手動(dòng)計(jì)算參數(shù)，使用網(wǎng)頁計(jì)算程序計(jì)算，計(jì)算結(jié)果截屏如圖3所示。

與前面第 2部分的計(jì)算值比較，大管徑是一致的，頁面計(jì)算的小管徑更大，和設(shè)備接口比較匹配，更符合工程實(shí)際。

4 結(jié)論

管徑計(jì)算的主要依據(jù)是流體流量及壓頭，本文通過理論推導(dǎo)建立數(shù)據(jù)模型，并在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上結(jié)合ASP.NET技術(shù)，推出網(wǎng)頁版計(jì)算軟件，局域網(wǎng)內(nèi)所有人員使用非常容易，頁面的后期升級(jí)和維護(hù)也很容易，服務(wù)器上的頁面和數(shù)據(jù)庫有任何更新，刷新頁面馬上得到最新的數(shù)據(jù)和格式。

根據(jù)長(zhǎng)期對(duì)不同輸送介質(zhì)的管徑計(jì)算和實(shí)踐檢驗(yàn)，上述改進(jìn)后的計(jì)算公式滿足船舶管路大小管徑計(jì)算的要求，提高了工作中的效率和準(zhǔn)確性。

管徑計(jì)算在管路系統(tǒng)圖設(shè)繪中占用大量的時(shí)間，未來將結(jié)合AUTOCAD繪制的系統(tǒng)原理圖，在系統(tǒng)管線內(nèi)寫入每一根管線的流量和介質(zhì)，添加一個(gè)CAD命令查找所有管線，根據(jù)管線的流量和介質(zhì)自動(dòng)計(jì)算合理管線尺寸，自動(dòng)添加管線通徑、外徑和壁厚信息，并根據(jù)需要生成相應(yīng)的材料表格。這將顯著節(jié)省設(shè)繪工程師的時(shí)間，減少低效的管徑計(jì)算時(shí)間，將更多時(shí)間放在系統(tǒng)的合理性和優(yōu)化上。

參考文獻(xiàn)：

[1]JIS F7101-2002, 船舶機(jī)械管路——標(biāo)準(zhǔn)流體流速[S].東京: 日本標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)出版社, 2002.

[2]CB*/Z 344-1985, 動(dòng)力管路的流速[S].北京: 船舶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì), 1985.

[3]辛田, 周國(guó)慶.化學(xué)工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)(下冊(cè))[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

New Method for Ship Pipe Size Calculation

Yang Xiaoxian
(CS Marine Technology Pte., Ltd., Shanghai 201206, China)

The paper introduces a new method for pipe size calculation.By theory derivation, the data model is established.Combining with the ASP.NET technology based on the mathematical model, the webpage calculating software is presented.The method can avoid the problem of large deviation on small size calculation by traditional pipe calculation method.There is no necessary to use manual table-checking to get suitable size.All people on the LAN can use easily.The lowefficiency calculating time is reduced and the working efficiency is raised.

marine pipe; pipe size calculation; velocity; webpage calculation

U664.84+1

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.011

楊曉獻(xiàn)（1974—），男，工程師，研究方向：船舶動(dòng)力、系統(tǒng)、通風(fēng)設(shè)計(jì)。