海事測(cè)量船舶管路減振降噪控制分析

胥 祺 孟鉉博 嚴(yán) 明

（1.交通運(yùn)輸部東海航海保障中心，上海 200086 2.交通運(yùn)輸部東海航海保障中心上海海事測(cè)繪中心，上海 200137）

0 引 言

為了保證船舶正常的使用功能、性能以及船員生活條件，船體設(shè)置了各種管路設(shè)施。船上管路系統(tǒng)復(fù)雜，主要包括海水、淡水、滑油、燃油、啟動(dòng)空氣、進(jìn)排氣、液壓系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等管路。海事測(cè)量船振動(dòng)噪聲及水下噪聲指標(biāo)要求比較嚴(yán)格，輪機(jī)專業(yè)設(shè)備和各種管路系統(tǒng)的安裝應(yīng)當(dāng)充分考慮減振和降噪措施，保證船載設(shè)備的正常運(yùn)行，并具有良好的工作和生活環(huán)境。

1 管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲傳播途徑

管路的構(gòu)成和功能多種多樣，但是基本由設(shè)備、管段、法蘭、撓性接管、彈性支承件等組成。管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲傳播途徑主要有以下幾個(gè)方面：

（1）通過(guò)管路連接的基座和減振系統(tǒng)傳播。

（2）通過(guò)連接機(jī)械的管路法蘭、管壁等結(jié)構(gòu)傳播。

（3）通過(guò)管路工作介質(zhì)向進(jìn)出口管路傳播。

（4）通過(guò)管路支承和吊架傳遞到船體。

（5）管路機(jī)械和管路外殼輻射空氣噪聲。

以上幾條傳遞途徑通常不是單獨(dú)作用而是相互影響的。

2 管路減振基本原則

管路振動(dòng)噪聲控制主要包含三個(gè)方面：

（1）管路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲源控制。

（2）管路系統(tǒng)振動(dòng)傳遞的控制。

（3）管系中流噪聲和管口聲輻射的控制。

所有的振動(dòng)噪聲控制，應(yīng)在方案論證、設(shè)計(jì)、施工建造、安裝和維護(hù)保養(yǎng)等各個(gè)階段進(jìn)行全過(guò)程控制。

2.1 振源的控制

泵、空壓機(jī)等設(shè)備對(duì)管系振動(dòng)影響很大，首先優(yōu)先選擇低振動(dòng)設(shè)備。如設(shè)備已經(jīng)選定，需要對(duì)振源設(shè)備進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，如果設(shè)備本身振幅超出了規(guī)定的要求，則不允許使用或者對(duì)設(shè)備本身采取改進(jìn)措施，以達(dá)到規(guī)定的要求。同時(shí)，

還需考慮設(shè)備本身基座、安裝以及設(shè)備與管路的連接，以避免由于基座設(shè)計(jì)、安裝或者管路連接不當(dāng)引起較大振動(dòng)。

管系中的閥件、彎頭、三通、變截面管、容器進(jìn)出口等可以認(rèn)為是廣義的振源，也應(yīng)采取一定的措施，降低引起的振幅，在系統(tǒng)配套選用時(shí)，應(yīng)盡可能選用低噪聲管路元件。

2.2 振動(dòng)傳遞的控制

2.2.1 避免管路共振

管路系統(tǒng)的振動(dòng)大小由設(shè)備的激勵(lì)特性以及管路系統(tǒng)固有特性決定的，當(dāng)管路連接的設(shè)備振動(dòng)源確定之后，管路系統(tǒng)的固有特性將影響管路的振動(dòng)響應(yīng)。當(dāng)管路系統(tǒng)的固有特性和振源的激勵(lì)頻率相同或者接近時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振，引起劇烈的振動(dòng)。在重要管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行管路振動(dòng)特性的計(jì)算，若產(chǎn)生共振，盡早采取改進(jìn)措施，使管路系統(tǒng)的固有頻率錯(cuò)開(kāi)設(shè)備激勵(lì)頻率，避免共振的發(fā)生。

2.2.2 振動(dòng)隔離

管系振動(dòng)能量的傳遞有兩個(gè)途徑，分別是通過(guò)管壁進(jìn)行傳遞和通過(guò)管內(nèi)的流體傳遞。通常采取的措施是減小振動(dòng)沿管壁的傳遞，采取撓性接管和彈性管夾隔離振源的振動(dòng)。

2.2.3 管系抑振

管系的阻尼可使振動(dòng)彈性波在傳播過(guò)程中損耗，阻尼越大，彈性波損耗越大，阻尼處理可采用外包覆和內(nèi)涂等方式。

2.3 管路流噪聲及管口聲輻射的控制

管路流噪聲主要來(lái)自管系壓力脈動(dòng)、湍流噪聲及空泡噪聲，為了控制流體通道產(chǎn)生的水下噪聲，須采取降低脈動(dòng)壓力、減小聲傳遞、降低聲輻射效率的措施。

減小壓力脈動(dòng)：對(duì)產(chǎn)生較大壓力脈動(dòng)的原因和傳遞路徑進(jìn)行分析，采取相應(yīng)措施，如采用儲(chǔ)液容器或壓力衰減器，使達(dá)到通海口處的壓力盡量小，儲(chǔ)液容器或壓力衰減器要盡量靠近振源設(shè)備，附近盡可能減少?gòu)濐^。

減小聲傳遞：改變管系聲阻抗特性，降低振動(dòng)能量傳遞。

降低聲輻射效率：對(duì)管系的出口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理確定出口的結(jié)構(gòu)形式、方向、流速、材料等，使管系的出口聲輻射效率降低。

3 管路系統(tǒng)布置基本要求

（1）管系應(yīng)整齊、有規(guī)則地排列。

（2）管系布置應(yīng)在正常情況下不會(huì)受到機(jī)械損傷，并防止被用作抓桿、扶手和臺(tái)階等用途。

（3）管系布置時(shí)，主要噪聲源應(yīng)盡量遠(yuǎn)離精密儀器室、報(bào)務(wù)室、實(shí)驗(yàn)室等對(duì)噪聲敏感的艙室。

（4）支管接頭的定位應(yīng)使擾動(dòng)最小，所使用的接頭形式適用于系統(tǒng)的流動(dòng)特性。

（5）管系的布置應(yīng)考慮包扎絕緣層的厚度。

（6）敷設(shè)絕緣層的管系應(yīng)避免布置在易泄露、冷凝、飛濺、潮濕的地方。無(wú)法避免的情況，應(yīng)遮上外罩，以便防止潮濕影響絕緣。

（7）減振接管的布置應(yīng)盡量靠近被隔振機(jī)器，一般要求減振接管直接接到被隔振機(jī)械所屬系統(tǒng)進(jìn)出口法蘭上，如無(wú)法做到時(shí)，可以在機(jī)械和減振接管之間接入一段盡可能短的金屬管。

（8）減振接管布置位置應(yīng)便于維護(hù)保養(yǎng)，以便在減振接管損壞時(shí)更換。

4 管路系統(tǒng)安裝基本要求

管路系統(tǒng)應(yīng)通過(guò)彈性襯墊牢固地固定在船體結(jié)構(gòu)上，固定馬腳間隔應(yīng)滿足下述要求：直徑100 mm以下的管徑，固定馬腳間距不大于2 000 mm；直徑100 mm以上的管徑，固定馬腳不大于 2 500 mm；管路彎頭應(yīng)大于 90°。

（1）管系應(yīng)安裝成能夠確保系統(tǒng)具有最佳的工作性能，嚴(yán)格限制其傳遞到舷外的結(jié)構(gòu)噪聲。

（2）安裝前應(yīng)仔細(xì)檢查減振接管，發(fā)現(xiàn)接管的橡膠與金屬之間存在開(kāi)裂、分層或其他缺陷時(shí)，應(yīng)更換接管。彈性接管應(yīng)在規(guī)定的有效期內(nèi)，方可進(jìn)行安裝。

（3）管路一般在 2～3 個(gè)肋位設(shè)置一個(gè)支承件，管子和支承件之間應(yīng)有隔振隔聲墊片。

（4）運(yùn)行時(shí)發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)或其他不允許振動(dòng)的管路，應(yīng)增加支承件以消除這些影響。

（5）隔聲、隔振安裝的設(shè)備和管路之間應(yīng)用撓性接管連接。

（6）支承件不允許安裝在泵與減振接管之間，不允許安裝在管路法蘭的緊固件上。

（7）管路中的橡膠軟管安裝時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離熱源，避免急轉(zhuǎn)彎和扭轉(zhuǎn)。

（8）管路系統(tǒng)中應(yīng)有足夠數(shù)量的接頭，保證每個(gè)接頭都能看到和更換密封墊。

（9）管路系統(tǒng)中的壓力表應(yīng)安裝在隔振設(shè)備的壓力表板上。

（10）安裝于壓力表相連的管子時(shí)，應(yīng)在靠近壓力表的管段繞兩個(gè)直徑 60 mm 的圓圈。

（11）管路系統(tǒng)中的法蘭之間及螺紋接頭安裝時(shí)應(yīng)對(duì)中，不允許強(qiáng)制安裝。

（12）裝在管路上的減振接管與鄰近管路或設(shè)備的距離一般不小于20 mm。

（13）安裝減振接管時(shí)，若減振接管法蘭螺栓孔與管道法蘭螺栓孔在自由狀態(tài)下不重合，嚴(yán)禁采用強(qiáng)制安裝的方法，以免減振接管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

（14）減振接管不承受管路和管路附件的重量。

（15）不允許在減振接管膠體上涂漆。

5 管路振動(dòng)噪聲控制設(shè)計(jì)

5.1 撓性接管

5.1.1 撓性接管選用的原則

（1）撓性接管的總剛度應(yīng)與隔振器的總剛度相匹配，盡量使前者的剛度不超過(guò)后者的 1/4。

（2）撓性接管的布置應(yīng)盡可能靠近設(shè)備進(jìn)出口。

（3）與撓性接管相連的外部管路在連接端盡可能通過(guò)彈性固支和船體相連。

（4）撓性接管的位移補(bǔ)償能力應(yīng)與隔振系統(tǒng)的在船用環(huán)境條件下變形情況相適應(yīng)。

5.1.2 橡膠補(bǔ)償接管的聯(lián)接

常用橡膠補(bǔ)償接管安裝如圖1所示，兩個(gè)橡膠補(bǔ)償接管之間必須安裝墊片。每個(gè)橡膠補(bǔ)償接管應(yīng)保證安裝后長(zhǎng)度處于自由狀態(tài)或壓縮不超過(guò)3 mm，不得拉伸狀態(tài)下安裝。海水、淡水管系法蘭（船體）與橡膠補(bǔ)償接管法蘭應(yīng)對(duì)中且平行，若有偏離應(yīng)不大于1.5 mm，聯(lián)接螺栓按要求擰緊。橡膠補(bǔ)償接管的安裝如圖2所示。

圖1 常用橡膠補(bǔ)償管安裝示意圖

圖2 橡膠補(bǔ)償接管安裝示意圖

5.1.3 扣壓軟管路連接

扣壓軟管安裝時(shí)須有一定的彎曲，但彎曲半徑必須滿足安裝規(guī)定的要求。安裝時(shí)，將扣壓軟管的球面與接頭體的錐面對(duì)準(zhǔn)后，旋緊管螺母，不得在球面與錐面沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)時(shí)，利用管螺母旋緊時(shí)強(qiáng)行安裝。

5.1.4 進(jìn)排氣波紋管的聯(lián)接

常見(jiàn)進(jìn)氣補(bǔ)償接管與船體系統(tǒng)進(jìn)氣管安裝如圖3所示，船體系統(tǒng)進(jìn)氣管法蘭與設(shè)備頂部進(jìn)氣補(bǔ)償接管法蘭距離滿足要求，兩者軸向偏差不得超過(guò) 1.5 mm，徑向若有偏離應(yīng)不大于3 mm。外圍管路安裝到位，通過(guò)清潔度檢查驗(yàn)收后，方可拆去柴油機(jī)裝置進(jìn)氣管道密封擋板，將聯(lián)接螺栓擰緊。安裝時(shí)，需對(duì)進(jìn)氣補(bǔ)償接管進(jìn)行防護(hù)，防止損壞橡膠部件。

圖3 進(jìn)氣補(bǔ)償接管與船體系統(tǒng)進(jìn)氣管安裝示意圖

5.2 彈性支承

管路在艙內(nèi)布置時(shí)，管路每間隔一定的長(zhǎng)度應(yīng)有支承結(jié)構(gòu)。為減少通過(guò)支承結(jié)構(gòu)向艙壁殼體的傳遞結(jié)構(gòu)噪聲，應(yīng)在支承和懸吊結(jié)構(gòu)處采取彈性墊層，厚度不小于12 mm，形成彈性支承，使管路至支承以及支承至艙壁殼在連接剛度上發(fā)生突變，即彈性墊層使支承剛度形成硬—軟—硬的狀況，以阻礙彈性波的傳播。

管路彈性支承在必要時(shí)也可采用隔振器，隔振器的型號(hào)和參數(shù)可根據(jù)支承管路系統(tǒng)振動(dòng)分析的結(jié)果來(lái)確定，即根據(jù)激勵(lì)特性和管路系統(tǒng)的模態(tài)分析，選擇的隔振器使管路系統(tǒng)的固有頻率避開(kāi)激勵(lì)頻率。

通常的管路彈性支承主要是隔離振動(dòng)沿管壁的傳播，忽略了管內(nèi)流體流速的影響。當(dāng)管內(nèi)流體流速對(duì)管路系統(tǒng)振動(dòng)影響較大時(shí)，彈性支承參數(shù)的選取還需考慮流速的影響。

5.3 彈性管夾

彈性管夾一般安裝在甲板上，對(duì)于流量較大的管路常用的彈性管夾厚度至少12.7 mm 的橡膠墊，橡膠墊由邵氏硬度為40～50的橡膠制成。其余管子每隔適當(dāng)距離裝設(shè)帶有耐油橡膠的管卡固定，以達(dá)到防振固定目的。

5.4 彈性吊架

對(duì)于排氣管路、水管和油管等質(zhì)量較大、脈沖壓力較大的管路最好采用彈性吊架連接，一般安裝在天花板以下。目前市場(chǎng)上有較多型號(hào)的彈性吊架，首先通過(guò)管路的振動(dòng)特性選擇合適的彈性吊架，避免發(fā)生共振，保證吊架強(qiáng)度前提下，橡膠盡量多一些，橡膠的硬度要合 適，避免變形過(guò)大，達(dá)不到預(yù)期的隔振效果。

對(duì)于振動(dòng)較大的管路如排氣管等可以在彈性吊架處安裝隔振器，隔振器選型要計(jì)算分析避免發(fā)生共振；彈性吊架安裝時(shí)，檢查橡膠的變形、彈性吊架的支承結(jié)構(gòu)和橡膠的連接部件間隙，避免發(fā)生振動(dòng)短路，同時(shí)排氣管與甲板支承的位置采取隔振處理，如圖4所示，采用彈性吊架的排氣管不能進(jìn)行剛性連接，焊接固定到船體結(jié)構(gòu)。

圖4 排氣管彈性支承和彈性吊架圖

具體的隔振形式、彈性吊架的選型、間隔距離等需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)放樣采用有限元計(jì)算方法得到。

5.5 排氣波紋管的聯(lián)接

船體系統(tǒng)排氣管法蘭與設(shè)備排氣波紋管法蘭對(duì)中且平行，徑向偏差應(yīng)不大于3 mm，軸向偏差應(yīng)不大于2 mm，

超出偏差必須調(diào)整，不允許用排氣波紋管變形（壓縮、拉伸、偏離、扭轉(zhuǎn)）的方法來(lái)調(diào)整管道的安裝偏差，以免影響排氣波紋管的正常功能，降低使用壽命和增加管系、設(shè)備、支承構(gòu)件的載荷。船體系統(tǒng)的管道必須加以固定，排氣波紋管不允許承受外力。如圖5所示，排氣波紋管承受了通風(fēng)管的外力，為錯(cuò)誤的聯(lián)接方式。排氣波紋管與船體系統(tǒng)管路聯(lián)接如圖6所示。

圖5 波紋管的安裝包覆示意圖

圖6 排氣波紋管與船體管路聯(lián)結(jié)示意圖

如安裝時(shí)需要焊接，必須保護(hù)波紋管的表面，防止焊接飛濺物燒傷波紋管，應(yīng)用濕石棉布保護(hù)，同時(shí)對(duì)整個(gè)波紋管進(jìn)行絕緣包覆。

進(jìn)排氣管與船上系統(tǒng)管路聯(lián)接的安裝方式為卡箍固定，橡膠軟管套入金屬硬管深度應(yīng)為 60～100 mm。安裝時(shí)，箱裝體上的管路與船體系統(tǒng)管路必須對(duì)中，不允許橡膠軟管扭曲安裝。

5.6 穿艙管路的處理

在管路穿過(guò)艙壁時(shí)，管路和隔艙采用剛性焊接或剛性法蘭連接后，再采用橡膠接管連接管路；管路穿艙減振接管可單個(gè)使用也可多個(gè)串聯(lián)使用，一般單個(gè)橡膠接管長(zhǎng)度選用50～200 mm，厚度為 8～10 mm，內(nèi)徑與安裝接管相同，單個(gè)軟管的隔振效果為3～5 dB。

對(duì)于某些流速較大的水管和排氣管穿艙時(shí)不能焊接在艙壁或者天花板上，需要進(jìn)行開(kāi)孔并進(jìn)行彈性連接。

5.6.1 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

靠近風(fēng)機(jī)處管路進(jìn)出風(fēng)口的法蘭采用橡膠接管連接到管路中，在固定安裝風(fēng)管的結(jié)構(gòu)處應(yīng)增設(shè)隔振的環(huán)形橡膠墊，在管路穿過(guò)隔艙時(shí)，管路與隔艙采用剛性焊接或剛性法蘭連接后，再采用橡膠接管連接管路。管路穿艙減振接管可單個(gè)使用或多個(gè)串聯(lián)使用。一般單個(gè)橡膠接 管長(zhǎng)度選用5～20 cm，厚度為 0.8～1.0 cm，內(nèi)徑尺寸與安裝管路相同，一般每個(gè)接管的減振效果 3～5 dB，雙個(gè)串聯(lián)減振效果 6～10 dB。

5.6.2 液壓供油系統(tǒng)

液壓供油系統(tǒng)的管路通常采用金屬撓性接管或橡膠接管減小振動(dòng)的傳播，在泵組進(jìn)出口及靠近隔艙處進(jìn)行隔振處理。管路的支承結(jié)構(gòu)處也必須增加隔振墊或環(huán)形橡膠墊，在穿越隔艙處管路一般采用剛性焊接。管路穿艙后一般采用單個(gè)或多個(gè)串聯(lián)，單個(gè)橡膠接管選用長(zhǎng)度 40～60 cm，厚度1～2 cm，內(nèi)徑尺寸與安裝管路相同，減振效果隨著壓力變化，一般為 6～10 dB。

5.7 管路包覆

5.7.1 隔聲包覆

管路采用多孔材料包覆，降低管道表面輻射噪聲，同時(shí)具有吸聲、振動(dòng)阻尼的作用。將材料安裝在管壁后，用薄層或者玻璃纖維布、膠帶將其包住，材料的選用和厚度應(yīng)根據(jù)管路頻率而定。如果包覆的材料是無(wú)機(jī)纖維材料，為保持均勻的厚度、強(qiáng)度和剛度，覆層應(yīng)予以縫攏，同時(shí)考慮防火絕緣要求。

在易磨損和機(jī)械損傷的地方，不應(yīng)使用玻璃纖維絕緣外套；管子的覆層應(yīng)該做到：不因受熱或部件的運(yùn)動(dòng)而使覆層發(fā)生任何形式的損壞，降低減振降噪性能。所有外套應(yīng)敷設(shè)牢固、整齊、平滑。

5.7.2 阻尼包覆

管道和支架連接處加設(shè)阻尼材料增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼。

（1）阻尼圖層采用澆注的方式進(jìn)行施工，外表面應(yīng)光滑平整，澆注厚度根據(jù)減振要求而定。

（2）阻尼帶采用膠粘及纏繞方式進(jìn)行施工，外表面帶與帶之間的連接處應(yīng)密實(shí)。

（3）阻尼板采用壓模加粘貼方式進(jìn)行施工，同時(shí)考慮溫度和外界環(huán)境的影響。

（4）與管路或艙壁接觸的材料不應(yīng)對(duì)管路材料產(chǎn)生腐蝕。

（5）所有外套應(yīng)敷設(shè)牢固、美觀。

6 特殊要求

對(duì)于海事測(cè)量船舶，振動(dòng)噪聲及水下噪聲指標(biāo)要求比較嚴(yán)格，船體水線以下外板結(jié)構(gòu)連接的管路需要重點(diǎn)關(guān)注，尤其是直徑較大的油水管路及直接排向海水的管路。對(duì)于水線以下舷側(cè)外板直接連接的管路采用彈性連接，加強(qiáng)基座結(jié)構(gòu)，避免管路產(chǎn)生的脈動(dòng)激勵(lì)直接傳遞到外板產(chǎn)生結(jié)構(gòu)聲輻射，具體的隔振形式和連接方式根據(jù)功能和現(xiàn)場(chǎng)放樣確定。對(duì)于直接排向海水的管路采取降噪措施，避免高速、高壓流體直接排向水下產(chǎn)生流噪聲影響。

7 船舶管路彈性安裝的建議

（1）針對(duì)主甲板以下區(qū)域，含甲板、天花板、艙壁、舷側(cè)外板等。

（2）淡水冷卻管系、海水冷卻管系、燃油日用管系、燃油駁運(yùn)管系、滑油駁運(yùn)和凈化管系、壓載水管系、機(jī)艙排氣管系等。

（3）液壓動(dòng)力站：舵機(jī)液壓管路、減搖系統(tǒng)、升降鰭液壓管路等。

需重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域有：

①與發(fā)電機(jī)組相連的滑油、燃油、冷卻水管路。

②與啟動(dòng)空壓器、主淡水冷卻泵、主海水冷卻泵等輔機(jī)設(shè)備相連的管路。

③柴油機(jī)排氣系統(tǒng)。

8 結(jié) 語(yǔ)

海事測(cè)量船舶主要承擔(dān)我國(guó)管轄海域特別是南海等深遠(yuǎn)海海域海道測(cè)量任務(wù)，兼顧對(duì)深遠(yuǎn)海失事船舶、遇難沉船、失聯(lián)飛行器等進(jìn)行應(yīng)急搜尋掃測(cè)任務(wù)，以及國(guó)際聯(lián)合海洋測(cè)繪交流工作。對(duì)水下噪聲以及舒適性要求較高，因此減振降噪工作應(yīng)貫穿于建造項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝編制及現(xiàn)場(chǎng)施工、制造、產(chǎn)品檢驗(yàn)整個(gè)過(guò)程。

本文通過(guò)以上分析論述后，對(duì)船舶管路振動(dòng)噪聲傳播途徑能夠有了更加充分的認(rèn)識(shí)及了解。同時(shí)，也深入分析了船舶管路振動(dòng)噪聲相關(guān)控制及安裝設(shè)計(jì)措施，便于后期更好地控制船舶的振動(dòng)噪聲及為相關(guān)船舶的發(fā)展及建造提供參考。