船用柴油機高壓廢氣管路受力分析及計算

2022-04-12 10:56:44王秋洋

江蘇船舶 2022年1期

王秋洋

(江蘇新揚子造船有限公司，江蘇靖江 214500)

0 引言

面對日益嚴重的環境問題，國際海事組織出臺了Tier III排放標準，并于2016年1月1日起生效。對采用高壓選擇性催化還原(Selective Catalystic Reduction，SCR )技術的二沖程柴油機，SCR廢氣系統布置在增壓器前，管路的溫度約為300～450 ℃，壓力高達5×10Pa，同時廢氣管路的尺寸較大。為了保證管路系統使用安全，對系統中的支撐進行受力分析，量化受力數據尤為重要。目前，多數滑動/固定支撐廠家無法及時提供相關受力計算，給船廠選用設備造成了困難。為此，本文對82 000載重噸散貨船廢氣管路的不同節點進行受力分析，包括氣體的靜態推力、氣體動態推力、波紋管彈力、滑動支撐摩擦力的反向推力及固定支撐力，總結出簡化手動計算的方法，得出受力參數。此推力參數不僅可直接用于管路滑動支撐，還可用于固定支撐選型、基座及結構強度的設計。

1 受力分析及計算

1.1 管路系統組成

管路系統主要由4個組件組成：管材、不銹鋼波紋管、滑動支撐和固定支撐。

1.2 管路內部氣體壓力

直管受力見圖1，管壁上的力互相平衡，對整個管路系統不產生推力。

P—氣體壓力。

彎管位置受力見圖2，彎管位置的氣體壓力無法平衡，會產生水平推力和垂直推力。

Fx—水平推力；Fy—垂直推力；Dx、Dy—管子內徑；P—氣體壓力。

推力、計算公式如下：

(1)

(2)

式中：為氣體壓力，Pa；、為管子內徑，m。

由于波紋管是撓性的，氣體對兩側的波紋管壁產生形變的推力，該形變的力對兩側管路系統產生額外的推力，所以，管路內部氣體壓力產生的推力，應該用波紋管有效直徑來替代上述的管子內徑、進行計算。形變支點見圖3。

D0—波紋管有效直徑；D1—波紋管內徑；D2—波紋管外徑；

有效直徑計算公式如下：

(3)

式中：為波紋管內徑，m；為波紋管外徑，m。

1.3 氣體動態變化產生的推力

二沖程柴油機工作時，負荷增加帶來的動態推力及負荷穩定時產生的動態推力可以忽略不計。

1.4 波紋管彈力

波紋管本身的形變會對管路系統施加彈力，其計算公式如下：

(4)

式中：為形變產生的彈力，N；為波紋管彈性系數，N/mm，按照廠家標準或依據GB/T 12522—2009取值；為波紋管拉升或壓縮的長度，mm。

需注意的是，波紋管安裝時一般有預拉伸。管路在受熱膨脹后，會先將預拉伸減小到自然長度，再進一步壓縮。

1.5 滑動支撐摩擦力的反作用推力

管子重力施加在滑動支撐位置，產生摩擦力的同時，管路對固定支撐位置產生反向推力，其計算公式如下：

(5)

式中：為摩擦系數，無特殊說明，取0.3；為管子、波紋管總質量，kg；為重力加速度，取9.8 m/s。

以上公式適用于滑動支撐在水平位置。如果滑動支撐在垂直位置，摩擦力對固定支撐位置產生的反向推力計算如下：

(6)

式中：為螺栓上緊力，N。

1.6 固定支撐受力

式(1)～式(4)的推力的合力需要由固定支撐承擔，另外還需承擔管路系統的重力，其計算公式如下：

(7)

2 計算示例

固定支撐位置見圖4。

P—氣體壓力；Δl1、Δl2—波紋管壓縮的長度；m0—波紋膨脹節質量；m1—水平方向管材質量；m2—垂直方向管材質量；D1—波紋管內徑；D2—波紋管外徑；Fx′—水平總推力；Fx—水平推力；Fsx—水平波紋管彈力；Ffx—滑動支撐摩擦力的水平反作用推力；Fmx—固定支撐在x方向受到管路系統的重力;Fy′—垂直總推力；Fy—垂直推力；Fsy—垂直方向波紋管彈力；Ffy—滑動支撐摩擦力的垂直反作用推力；Fmy—管子重量對固定支撐的力。

固定支撐位置的受力如下：