艦船蒸汽管路的柔性設(shè)計(jì)分析

董仁義，吳崇建，李志印

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064)

0 引言

艦船蒸汽系統(tǒng)的主要任務(wù)是向蒸汽用戶輸送、配給需求品質(zhì)和流量的蒸汽，保證系統(tǒng)的安全，滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。蒸汽管路是蒸汽系統(tǒng)的重要組成部分，特別是主蒸汽管路，一方面管路通徑和壁厚特征，自身重量較大，另一方面最大蒸汽絕對(duì)壓力以及飽和蒸汽的蒸汽溫度對(duì)主蒸汽管路荷載較大，兩方面使得蒸汽管路承受了較大的應(yīng)力。蒸汽管路的應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，一次應(yīng)力是指承受的介質(zhì)內(nèi)壓、自重、介質(zhì)重量等持續(xù)外荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力，二次應(yīng)力是指管路變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，不直接與外力平衡，一般由熱脹冷縮和端點(diǎn)位移引起。

艦船蒸汽管路在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要避免管路因應(yīng)力造成破壞而進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，然而艦船蒸汽管路與陸上相比，其最大的不足之處就是安裝空間狹小，并且需要兼顧減振的要求，難以安裝體積較大的抗沖減振元件等。在艦船管路靜動(dòng)態(tài)特性分析方面，很多文獻(xiàn)已經(jīng)開(kāi)展了相應(yīng)的工作。文獻(xiàn)[1–2]對(duì)艦船典型的空間疏水管路在閥門關(guān)閉過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[3–4]分別對(duì)一段固支的輸液曲管進(jìn)行了位移影響分析和流場(chǎng)分析；文獻(xiàn)[5–6]則是對(duì)艦船液壓系統(tǒng)進(jìn)行了多領(lǐng)域的仿真，分析了管路內(nèi)部特征點(diǎn)的壓力變化和液壓系統(tǒng)質(zhì)量塊負(fù)載的運(yùn)動(dòng)特征；文獻(xiàn)[7]應(yīng)用流固耦合的計(jì)算方法模擬了注水管路流激振動(dòng)噪聲；特別是在艦船蒸汽管道方面，文獻(xiàn)[8]采用Ls-dyna軟件對(duì)典型的主蒸汽管道U形防甩裝置的甩擊動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行非線性有限元分析，計(jì)算得到應(yīng)力—應(yīng)變分布及U形防甩裝置（U形箍）甩擊力時(shí)歷曲線隨管箍初始間隙、管箍軸向位置的變化規(guī)律。其中，只有文獻(xiàn)[3]在分析過(guò)程中通過(guò)改變管路系統(tǒng)支撐方式，分析了管點(diǎn)位移的變化，但是也沒(méi)有進(jìn)行受力分析，同時(shí)分析對(duì)象是疏水管路，還有深入研究的空間。本文在以往研究的基礎(chǔ)上建立艦船典型的主蒸汽管路模型，對(duì)主蒸汽管路工作狀態(tài)下進(jìn)行仿真，對(duì)比分析主蒸汽管路考慮柔性設(shè)計(jì)前后位移和受力變化。

1 蒸汽管路仿真模型

1.1 管路柔性設(shè)計(jì)方法和原則

管路的柔性是反映管路變形難易程度的概念，它表示管路通過(guò)自身變形吸收熱脹、冷縮和其他位移變形的能力。對(duì)管路進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，其目的是確保管路設(shè)計(jì)后在使用條件下具有足夠的柔性，防止管路熱脹、冷縮、端點(diǎn)附加位移、管路支撐選型設(shè)置不當(dāng)?shù)纫蛩卦斐刹焕绊懀热绻苈吩谶\(yùn)行條件下應(yīng)力過(guò)大或金屬疲勞可能引起的破壞，管路運(yùn)行使用時(shí)接頭泄漏，出現(xiàn)管路推力或力矩過(guò)大，造成與其相連接的設(shè)備產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力或變形，影響設(shè)備的正常運(yùn)行，運(yùn)行條件下管路推力或力矩過(guò)大引起管路對(duì)支吊架的破壞等。

在管路應(yīng)力校核設(shè)計(jì)中，增強(qiáng)管路柔性的方法主要有：改變管路走向布置、選用波紋管膨脹節(jié)或撓性接管和采用彈黃支吊架等。

在進(jìn)行管路柔性設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)遵循考慮以下原則：

1）在管路布置條件允許的情況下，應(yīng)首先考慮采取改變管路走向和選用彈簧支吊架的方法來(lái)増加管路柔性。一般情況下，管路兩固定點(diǎn)位置一定時(shí)，增加管系的長(zhǎng)度可以增加管路的柔性；實(shí)際布置的管路在某一方向上過(guò)于剛硬時(shí)，増加與其垂直方向的管段長(zhǎng)度可大大減小管路的剛度。彈簧支吊架的選用可以使管路存在的垂直位移將約束放松，増加管系的柔牲。

2）當(dāng)管系管徑較大，實(shí)際配管布置場(chǎng)地受到限制且需要位移補(bǔ)償量較大時(shí)，可考慮選用波紋管膨脹節(jié)的方式増加管路柔性。但是波紋管膨脹節(jié)制造結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，價(jià)格髙，因此低壓大直徑管路上常選用。特別注意的是波紋管膨脹節(jié)是管系中的薄弱部位，應(yīng)該盡量避免采用。

3）進(jìn)行管路柔性設(shè)計(jì)時(shí)，在保證管路具有足夠柔性來(lái)吸收變形的前提下，要避免過(guò)度考慮管系柔軟。

1.2 管路分析方法

本文采用的線性分析是一種簡(jiǎn)化的靜力分析，計(jì)算過(guò)程忽略了管路中間隙、摩擦等所有非線性因素，計(jì)算公式為：

式中：K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，U為響應(yīng)（位移）矩陣，R為荷載矩陣。結(jié)構(gòu)剛度矩陣K由單元?jiǎng)偠染仃嚰隙伞：奢d矩陣R由作用在系統(tǒng)元素和點(diǎn)上的荷載組成，R一般可以包含一種或多種負(fù)載。位移矩陣U采用高斯消去法計(jì)算，用來(lái)決定元素所受的端面壓力和力矩，從而也可以相應(yīng)計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力。

2 蒸汽管路仿真模型

艦船蒸汽管路是較為復(fù)雜的空間管路，圖1為一段典型的水下艦船主蒸汽管路俯視圖。為了降低艙室溫度、熱力管路外表面溫度、改善工作環(huán)境、減少熱量損失、保護(hù)人員安全，對(duì)艙段內(nèi)蒸汽管路等溫度較高的管路、閥件和包覆熱絕緣材料。圖2為依據(jù)圖紙所建立的空間管路仿真模型。

圖1 典型蒸汽管路的俯視圖Fig.1 Top view of typical steam pipe

圖2 典型蒸汽管路空間模型Fig.2 Typical space model of steam pipe

模型中采用管路公稱通經(jīng)100 mm，外徑為114.3 mm，密度為8.025×103kg/m3，保溫層為鐵石棉，厚度為20 mm，管內(nèi)蒸汽壓力為1.5MPa，介質(zhì)溫度為260℃。主蒸汽管路出入口分別為B01和A 19，初始固定方式為A 04和A15處的固定支座。

3 蒸汽管路的應(yīng)力分析

管路應(yīng)力分析結(jié)果包括持續(xù)應(yīng)力、膨脹應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力。持續(xù)應(yīng)力屬于一次應(yīng)力，由內(nèi)壓、自重和外荷載所產(chǎn)生的正應(yīng)力（環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力）和剪應(yīng)力等應(yīng)力合成。因?yàn)橐淮螒?yīng)力沒(méi)有自限性，所以過(guò)大的應(yīng)力產(chǎn)生的變形將無(wú)限制地增大，以致破壞。持續(xù)應(yīng)力可以通過(guò)改變支撐的數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)；膨脹應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，是由于管道變形受阻而引起的正應(yīng)力和剪應(yīng)力等合成的。因?yàn)槎螒?yīng)力具有自限性，所以在熱脹推力或內(nèi)壓膨脹的作用下，管道局部屈服而產(chǎn)生少量塑形變形時(shí)，就會(huì)使推力不再增加，塑形變形不再擴(kuò)展。膨脹應(yīng)力可以通過(guò)柔性設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)；環(huán)向應(yīng)力與管道壁厚相關(guān)，內(nèi)壓一定時(shí)，環(huán)向應(yīng)力和管道壁厚成反比，如果環(huán)向應(yīng)力大于許用應(yīng)力，說(shuō)明壁厚太小，需要將壁厚增厚。

蒸汽管路支撐首先采用剛性設(shè)計(jì)，在A 04和A 15處設(shè)置剛性支撐，對(duì)蒸汽管路在重力、溫度和內(nèi)壓共同作用下的應(yīng)力狀況進(jìn)行仿真計(jì)算，圖3所示的應(yīng)力云圖采用比率的顯示方式，為計(jì)算值和容許值的比值。

圖3 剛性設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)力比率分布Fig.3 Stress ratio under rigid design

由圖3可知，應(yīng)力最大處為管點(diǎn)A 04。查看節(jié)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，A 04點(diǎn)處持續(xù)應(yīng)力比為0.84，膨脹應(yīng)力比為0，環(huán)向應(yīng)力比為0.04。A04點(diǎn)是設(shè)置的固定支座點(diǎn)并且靠近蒸汽出口，應(yīng)力主要是由重力所產(chǎn)生的。

根據(jù)剛性設(shè)計(jì)的初步結(jié)果，為了降低蒸汽管路的局部應(yīng)力，依據(jù)管路柔性設(shè)計(jì)的原則，對(duì)蒸汽管路進(jìn)行柔性設(shè)計(jì)，同時(shí)兼顧管路設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，保留A04處的固定支座，將A 15處的固定支座改為彈性支撐，同時(shí)在A 01處增加一個(gè)彈性支撐。這種柔性設(shè)計(jì)方案的應(yīng)力比率分布如圖4所示。查看節(jié)點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，此時(shí)A04點(diǎn)處最大持續(xù)應(yīng)力比為0.7，膨脹應(yīng)力比為0，環(huán)向應(yīng)力比為0.19。對(duì)比圖3和圖4可知，由于增加了一個(gè)彈性吊架，降低了最大應(yīng)力點(diǎn)A04處的應(yīng)力值，但是增加了環(huán)向應(yīng)力。

圖 4柔性設(shè)計(jì)時(shí)的的應(yīng)力比率分布Fig.4 Stress ratio under flexibility design

為了對(duì)比剛性和柔性設(shè)計(jì)下蒸汽管路的差異，表1給出了管路節(jié)點(diǎn)的位移值。

圖5 為剛性設(shè)計(jì)和柔性設(shè)計(jì)下不同管點(diǎn)的位移值，其中A04點(diǎn)一直是固定支座，圖中2種狀態(tài)下的位移值都為0，A15在剛性和柔性設(shè)計(jì)下的位移對(duì)比就非常明顯了，柔性設(shè)計(jì)為蒸汽管路提供了更大的位移補(bǔ)償，這也復(fù)合實(shí)際工程情況。

表1 不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下的管點(diǎn)位移值Tab.1 Combined displacement under rigid and flexibility design

圖5 不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下的管點(diǎn)位移對(duì)比圖Fig.5 Combined displacement under rigid and flexibility design

表2 給出了剛性設(shè)計(jì)和柔性設(shè)計(jì)下的蒸汽管路主要受力節(jié)點(diǎn)的力和力矩。本文只考慮蒸汽管路在重力、溫度、內(nèi)壓共同作用下的結(jié)果。

從圖6可以看出，從剛性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為柔性設(shè)計(jì)的過(guò)程中，增加支撐可以降低管點(diǎn)受力最大值，但是管點(diǎn)受力趨勢(shì)不會(huì)改變。蒸汽管路位于兩端支撐點(diǎn)中心位置的A09和A 10管點(diǎn)附近受力較小，支撐點(diǎn)A 04與A 15附近管點(diǎn)受力較大。支撐點(diǎn)處管點(diǎn)受力較大，應(yīng)力較為集中的特征在圖3和圖4的應(yīng)力分布云圖上也得到了體現(xiàn)。

從圖7可以看出，同樣由于增加了管點(diǎn)A 01處的柔性支撐點(diǎn)，柔性設(shè)計(jì)也降低了剛性設(shè)計(jì)時(shí)管點(diǎn)合力矩的最大值，A 01和A 04之間的合力矩明顯減小。管點(diǎn)A 15附近在剛性設(shè)計(jì)時(shí)的合力矩明顯高于柔性設(shè)計(jì)，說(shuō)明柔性設(shè)計(jì)增加的變形量可以減小管點(diǎn)所受合力矩。支撐點(diǎn)兩端懸空的管點(diǎn)合力矩躍變?yōu)?，這也復(fù)合工程實(shí)際情況。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)艇蒸汽管路數(shù)據(jù)，建立艦船蒸汽管路模型，設(shè)定管路的剛性固定方式，再根據(jù)管路柔性設(shè)計(jì)的方法和原則，經(jīng)過(guò)新增布置彈性吊架和用彈性吊架原位替換部分剛性支撐的方式，在增加了管路的支撐個(gè)數(shù)，保證管路的穩(wěn)定性的同時(shí)將管路的垂直約束放松，實(shí)現(xiàn)了蒸汽管路的柔性設(shè)計(jì)。

表2 不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)合力及合力矩Tab.2 Combined force and moment under rigid and flexibility design

經(jīng)過(guò)不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下的仿真對(duì)比分析可知，艦船蒸汽管路的柔性設(shè)計(jì)減少了剛性設(shè)計(jì)管點(diǎn)受力最大值，但沒(méi)有改變管點(diǎn)的受力趨勢(shì)，支撐點(diǎn)附近的合力依然較支撐點(diǎn)中部位置管點(diǎn)大；柔性設(shè)計(jì)帶來(lái)的位移補(bǔ)償能夠有效降低管路和支撐點(diǎn)附近的合力矩。本文對(duì)比分析了剛性設(shè)計(jì)和柔性設(shè)計(jì)下蒸汽管路的合位移、合力及合力矩的變化，并沒(méi)有針對(duì)受力方向及受力形式所占比例方面進(jìn)行細(xì)致的區(qū)分，只是從蒸汽管路整體表征現(xiàn)象出發(fā)，驗(yàn)證了蒸汽管路柔性設(shè)計(jì)相比剛性設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的不同結(jié)果，對(duì)艦船蒸汽管路設(shè)計(jì)時(shí)的布置和固定具有一定的指導(dǎo)意義。

圖6 不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下的管點(diǎn)合力對(duì)比圖Fig.6 Combined forceunder rigid and flexibility design

圖7 不同設(shè)計(jì)狀態(tài)下合力矩對(duì)比圖Fig.7 Combined under rigid and flexibility design