船舶管路膨脹彎設計

曹 云，邵 凱

（新世紀船舶設計研發（上海）有限公司，上海 201203）

0 引 言

船舶管路（特別是貨艙區甲板上的縱向管路）在管內流體介質（如蒸汽系統、化學品船熱油系統）的溫度發生變化的影響下會發生縱向伸縮變形，同時在結構受力變形（如在海上航行過程中因波浪引起的結構變形和在裝卸貨過程中引起的中拱垂）作用下會發生結構變形。為抵消這些變形，在設計管路時需考慮適當布置膨脹節或膨脹彎。對于大型油輪主甲板面縱向管路而言，一般在每個貨油艙位置處布置一個膨脹節或膨脹彎。

在設計管路過程中，對于船舶主甲板上縱向管路通徑大于等于100mm的管路，通過在船舶縱向方向上布置滑動式膨脹節來補償管路的伸縮量；對于縱向管路通徑小于100mm的管路（如雜用淡水管、雜用壓縮空氣管等），出于降低成本和提高施工工藝考慮（如液壓管工作時管路內部壓力大、化學品船液貨管路連接不允許使用法蘭等），多采用膨脹彎進行補償。

目前膨脹彎通常由設計人員憑借個人經驗或參考其他船舶的布置情況來設計，其中因設計不當導致管路在壓力試驗過程中受到損壞或在船舶使用過程中受到損壞的情況時有發生。為給設計人員提供參考依據，本文利用結構力學模型計算出膨脹彎在允許受力情況下的變形量，校核膨脹彎在船體變形和設計溫差環境下能否安全工作。

1 管路變形量

1.1 溫差引起的管路變形量

當管路受熱膨脹時，其長度和直徑均隨著管路的尺寸和管子材料的線膨脹系數成正比例增大。當管路的直線長度很大時，其因熱膨脹而引起的伸長量會很大[1]。

溫差引起的鋼管伸縮量為

式(1)中：ΔL1為鋼管伸縮量，mm；t2-t1為溫差，K；L為直鋼管長度，m。

例如：對于溫差t2-t1=40K、直管長度L=33.6m（蘇伊士油輪每個貨艙的最大長度）的低碳鋼管，其伸縮量ΔL1=15.31mm。

1.2 因船體結構受力變形引起的管路變形量

主甲板縱向管路上有錨定或通艙件固定在船體結構上，且一般都平行于結構甲板，若管路上沒有膨脹節或膨脹彎，則錨定間的縱向管路會隨著結構甲板一起發生中拱或中垂變形。由于船體結構比較復雜且為連續的整體，因此很難精確快速地計算出船體在受力情況下的變形量。通常需借助結構有限元來對各工況進行計算，且各位置處的變形量不一樣。蘇伊士油船項目通過有限元計算得出的結構甲板最大變形量與以上溫差引起的變形量的數量級相同，因此通常將因結構受力引起的管路變形量考慮為不超過第1.1節示例中因溫差引起的管路變形量。

例如：蘇伊士油輪主甲板縱向錨定間的管路長度L=33.6m，因船體結構甲板受力的最大管路變形量按不超過ΔL2=15.31mm來考慮。

2 膨脹彎設計

船舶甲板縱向管路上通常每隔30m左右設置1個固定點或錨定點，2個固定點之間的管路通常用膨脹節或膨脹彎來抵消變形。膨脹節通常根據《管路松套伸縮接頭》（GB/T 12465—1996）來選用，而膨脹彎根據實際管路長度、管路直徑和具體介質的工作溫差來設計。

對于膨脹彎的允許變形量，目前還沒有公認的設計標準或計算公式，但可通過受力分析進行計算，一般認為只要其允許變形量大于管路實際的最大變形量，就可選用該規格的膨脹彎。假定膨脹彎的一端固定，另一端作用拉應力，可通過結構力學中的懸臂梁集中載荷自由端模型進行計算。

2.1 懸臂梁集中載荷自由端最大擾度模型

在力學模型中，懸臂梁集中載荷作用自由端（見圖1）引起的最大擾度[2]為

式(2)中：Wmax為自由端最大擾度，m；FP為作用在自由端的力，N；l為懸臂梁長度，m；E為碳鋼彈性模量，MPa，常用206000MPa；I為鋼管慣性矩，I= π(D4-d4)/64，D為管子外徑，d為管子內徑。

2.2 膨脹彎受力變形量計算

圖2為船舶主甲板縱向管路膨脹彎典型布置，其中E點和F點為固定點（或錨定點），整個管段的變形量通過寬度為Lt的膨脹彎來吸收。參考懸臂梁集中載荷作用自由端模型，膨脹彎允許的伸縮量實際是2Wmax，管段在受力情況下，可假設A點和C點為固定點，B點和D點同時受力。

例如：尺寸為114mm×9mm的碳鋼管，膨脹彎寬度Lt=0.8m，管子屈服強度為245MPa，屈服強度安全系數為 1.6，根據管路截面積的力作用在管路的B點和D點往縱向拉伸，整個膨脹彎的允許變形量為

圖1 懸臂梁集中載荷作用自由端

圖2 船舶主甲板縱向管路膨脹彎典型布置

第1.1節中的示例和第1.2節中的示例的溫差t2-t1=40K，尺寸為114mm×9mm的直管路的錨定間管路長度L=33.6m的碳鋼管，因溫差引起的變形量ΔL1=15.31mm，因結構甲板受力引起的最大變形量ΔL2=15.31mm，總的變形量 ΔL2=ΔL1+ΔL2= 30.62 mm 。若選用以上寬度Lt=0.8m的膨脹彎，能抵消管路的2種變形。

根據以上計算方式和膨脹彎使用慣例，得到膨脹彎的寬度Lt（Lt≥xDN），表1為式中x的取值。

表1 膨脹彎的寬度Lt

通常要求膨脹彎的A點與C點之間的距離不小于0.5Lt。

3 結 語

船舶在實際航行過程中或裝卸貨過程中，其管路不僅受拉應力的作用，而且受剪應力、扭力和流體內部的沖擊力等力的作用，但這些力引起的管路變形相比溫差引起的管路變形要小很多，故本文綜合考慮疊加溫差情況和結構甲板受力情況對管路造成的變形量，進行變形量計算和膨脹彎設計。

采用本文給出的計算方法，可使設計人員快速判斷出膨脹彎能否抵消管路實際變形量，從而判斷選用的膨脹彎能否保證船舶在實際航行過程中和裝卸貨過程中安全運行。同時，根據上述計算方法整理出的常用通徑和常用長度的膨脹彎設計數據可供管路設計人員參考。此外，本文的計算方法可供校核其他特殊管路的膨脹彎時參考。