摘要：本文主要是对船舶排烟管路的柔性设计过程及注意事项、弹性元件的选型进行分析，探究合理的设计方法。
关键词：排烟管；弹性吊架；弹性支撑；膨胀节；管子应力
一．排烟管路设计的主要过程
排气系统的作用是通过在柴油机和锅炉等设备的排气口处连接排烟管和相关设备、附件，将其燃烧的废气顺利地排出船外。由于船上产生废气的设备较多，如主机、辅机、锅炉、焚烧炉等，在设计排烟管路时需要综合布置，使各部件之间方便安装、维护。主要过程如下：
1.根据主机等设备及烟囱的综合布置，初步确定排烟管路的布置走向。排烟管的布置应和废气锅炉、消音器及火星熄灭器等设备及烟囱的位置综合考虑，使排气管长度最短、弯头最少、固定容易并安装方便。
2.根据排烟管路的走向及长度，以及主机等设备工作时的排气温度，计算排气管路各管段、消音器及废气锅炉等设备的膨胀量，在适当的位置设置膨胀节以补偿管子、设备的膨胀，减少管子膨胀应力。
3.根据设备、管子、膨胀节的相对位置，在适当的位置设置弹性支撑、弹性吊架，以应对管子的膨胀及减少振动。
二．排烟管道柔设计的主要内容
由于排气系统属于低压、高温的系统，且管径往往较大，其主要应力主要是来自管子、设备的自重及其热膨胀产生的应力。这些应力会造成金属的疲劳损坏、法兰的泄露、设备管口的应力过大从而导致设备的损坏，而且主机等设备的振动传递到船体结构，会引起振动和噪音。通过对排烟管进行柔性设计，可以改善管子、设备的应力状态，能提高系统的运行寿命。影响排烟管柔性的主要两个影响因素，一是管路自身的刚度，另一个是管路支架的刚度。一般采用金属波纹膨胀节补偿管子的热膨胀以降低管道膨胀应力，使用弹性支撑及弹性吊架以降低支架刚性。弹性支撑及弹性吊架既能承受管子、设备的重量，又能允许其适当的变形，将变形时产生的应力进行释放，同时也能减少主机与船体结构之间的振动传递。
1.膨胀节设置及选型
根据管路布置具体情况综合考虑，一般在主机出口、废气锅炉及消音器出口等处优先考虑设置膨胀节，以减小管子膨胀对设备口的应力作用。然后根据管路膨胀计算，确定是否需在每一个水平段及竖直管段安装膨胀节。船舶排烟管路一般采用不锈钢材质的波形膨胀节，选用波形膨胀节时必须使该膨胀节的允许伸缩量大于该段管子的可能膨胀量，膨胀节不得承受排烟管的附加重量。排烟管段的膨胀量与管子的长度、温差有关，钢管的线性膨胀系数一般可以直接取为
，即每升高100K管子将伸长约1.2mm/m，也可按以下公式
进行计算。设备的膨胀量，可按设备厂家的参数或推荐，如无则按钢管膨胀计算公式进行估算。膨胀量计算时，需要同时考虑竖直方向和横向的膨胀。膨胀节的选取通常可先参考GB/T 12522-2009不锈钢波纹膨胀进行初步选取，当有厂家资料后需按厂家资料选取复核。
2.支架、支撑、吊架的型式及选取
支架分为固定支架和弹性支撑。固定支架与管子和设备之间为刚性连接，仅能承受管子和设备的重量，不允许其竖直方向的移动，一般由船厂自行设计；弹性支撑既能承受管道和设备的重量，也允许其在竖直方向一定范围内的运动，还能起到减振的作用。弹性支撑选型时主要是通过计算其要承受的重力，按其工作负荷进行选取。重量计算时，应将管子、设备的绝缘的重量考虑进去。
排烟管吊架可分为固定吊架，滑移式吊架、弹簧吊架。固定吊架仅能承受管子和设备的重量，不允许其移动；滑动吊架、弹性吊架既能承受管子和设备的重量，又允许其在一定范围的移动。固定吊架及滑动吊架一般由各船厂自行设计，弹性吊架则按设备资料进行选型。弹性吊架选型时，应根据计算出的管段重量，按照对应的吊架工作负荷来选择，具体需按设备厂产品说明书。比如某国产的吊架选型时，（吊架对称安装的情况下）管子重量乘以0.88，在最大工作负荷范围内选择匹配的吊架即可。
三．柔性设计的优化原则及影响
1.设备口处柔性设计应注意避免设备口应力及疲劳损坏
1.1主机出口处应设置膨胀节，且应在距离膨胀节尽量近的管路上设置固定支撑，避免管子的膨胀及振动对其产生破坏。如果主机出口与主管路还有弯支管连接，且固定支撑设置于主管路上，则需在弯支管上设置固定吊架以限制弯支管在水平方向的膨胀对主机口膨胀节产生应力的影响，且在固定支撑支座孔需设计成长槽行以释放水平方向的管子膨胀应力。
1.2消音器，废气锅炉等设备，应在进出口与管路连接处设置膨胀节，并应在设备重心附近设置固定支撑或弹性支撑以承受设备的重量。支撑座应有足够的强度，且螺栓孔需设计成长槽形以补偿消音器、废气锅炉径向的膨胀。如果设备较长，则应在设备接口两端附近设置合适的弹性吊架约束设备的振动。如果消音器出口之后的管路较短，且该重量在消音器允许的负荷范围内则可不设膨胀节，但该管路穿出烟囱时应设计为活动穿舱形式，并应用弹性吊架约束其振动。
2.长管路的柔性设计应注意膨胀节与管子支架、支撑的位置相互关系
水平管路及竖直管路都应设置膨胀节，膨胀节与弹性支撑、弹性吊架的设置位置应综合考虑。一般每段管路只允许有一个固定点，固定点应设置在靠近管路中部或中部偏上的位置，避免因重心偏置引起管路的晃动。同时在管路靠近膨胀节处设置弹性吊架进行约束，避免管子振动对膨胀节造成破坏。对于管路上有90°弯的管路，固定支撑或弹性支撑应设置在弯头附近，避免管路的膨胀在弯管附近产生弯矩。
3.弹性支撑、弹性吊架的安装
3.1弹性支撑、弹性吊架等的安装形式
国内吊架厂家目前允许仅用吊架吊住竖直管路的方式，在这种情况下，管子的重量由弹性吊架承受，但是管子膨胀时，会造成管子下端的弹性吊架负荷增大，上端吊架负荷变小的情况，负荷分配不均匀容易造成吊架加速损坏。国外的吊架厂家很多已经推崇弹性支撑与弹性吊架配合安装的形式，即采用弹性支撑承受管子重量，而弹性吊架在水平呈90°的方向安装，用以限制管子的振动。
3.2弹性支撑、吊架的船体支架设计
支架强度应足够，对于需要考虑径向膨胀的弹性支撑支架，应将其螺栓孔设计成长槽形，以使其能自由膨胀。吊架不能直接与烟囱的壁板直接连接，而应焊接到船体的加强结构处，避免因船体结构强度不够引起振动传递、产生噪音。弹性吊架的安装，还应注意满足设备资料的安装角度要求，并且应注意使其铰链的转动方向与管子的膨胀方向一致，避免管子膨胀时对铰链产生额外的弯矩。
4.排烟管穿过防火舱壁的设计
由于舱室及防火布置的原因，燃油锅炉、辅发电机、焚烧炉等的排烟管通常需要由设备舱室穿过舱壁汇集到烟囱进行综合布置。常规设计时会采取用管子穿舱件与船体焊接，并在穿舱件两端加设膨胀节的安装方式，但是由于布置空间的限制，往往存在不够空间安装膨胀节的问题。目前已有厂家推出了防火穿舱件的产品，该产品在起到防火隔离的同时，能允许排烟管在管子膨胀方向自由的移动，能减少膨胀节安装的数量，在空间有限时可以采取此方式。
结束语：
随着对管路柔性设计的不断了解，柔性设计的理论也在不断更新。除了考虑排烟管路的膨胀的影响，现代的设计还需要在对弹性元件选型时，将设备、管子的振动频率考虑进去，选择合适的固有频率的弹性元件，避免共振现象从而对设备产生损坏。船舶设计师需要不断进行开拓创新，运用科学的设计理念，提高管路柔性的设计水平。同时弹性元件的设计生产厂家也需要不断进行研究试验，提供多元化的产品，以适应船舶设计时的复杂情况。
参考文献：
[1]CB/T 3262-2013金属弹簧吊架
[2]CB*3321-88金属弹性支撑
[3]CB/T 3605-1995排气管及消声器的安装质量要求
[4]GB/T 12522-2009不锈钢波纹膨胀节
论文作者:林树发
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/12
标签：吊架论文; 管路论文; 弹性论文; 设备论文; 烟管论文; 膨胀节论文; 应力论文; 《基层建设》2019年第17期论文;