提高艦船管路抗沖擊能力探討

肖紅林 謝最偉

摘 要：管系的抗沖擊性能是艦艇生命力、戰(zhàn)斗力不可或缺的組成要素。本文總結(jié)了目前艦船在設(shè)計(jì)、建造過程中管路系統(tǒng)在抗沖擊方面的現(xiàn)狀，并提供了相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：艦船；管系；沖擊

中圖分類號(hào)：U664.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Ability of anti-shock of the pipeline system is the fundamental factor of navy ships combat capability and survivability. This paper summarizes the status of anti-shock-designing and building of the pipeline system in the navy ship， and gives some suggestions to improve the ability of anti-shock of the pipeline system.

Key words： navy ship； pipeline system； shock

1 引言

艦船是擔(dān)負(fù)國家特殊使命的一類船舶，要求能夠經(jīng)受起戰(zhàn)場(chǎng)嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，如水下接觸或非接觸爆炸沖擊、自身武器發(fā)射所帶來的反座力沖擊等。我國軍標(biāo)基于設(shè)備對(duì)艦船航行安全和連續(xù)作戰(zhàn)能力的重要性，將設(shè)備抗沖擊等級(jí)分為A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)。諸如主機(jī)、齒輪箱、軸系、通信、導(dǎo)航、火控、電子對(duì)抗等設(shè)備是對(duì)艦艇安全和戰(zhàn)斗力起決定性作用的重要設(shè)備，軍標(biāo)都將其列為A類抗沖擊設(shè)備[1]。在工程實(shí)際中，A類抗沖擊設(shè)備從論證、方案、工程設(shè)計(jì)、制造到總裝，每個(gè)環(huán)節(jié)都力求抗沖擊能力能達(dá)到實(shí)戰(zhàn)要求。顯然，這些重要設(shè)備、系統(tǒng)要發(fā)揮其戰(zhàn)斗效能，離不開保障系統(tǒng)的支持，如果動(dòng)力設(shè)備無油水供給保障、武備系統(tǒng)無冷卻通風(fēng)保障，則系統(tǒng)將很快陷于癱瘓狀態(tài)，且系統(tǒng)的某個(gè)部分因受沖擊而損壞，若無冗余設(shè)計(jì)則不太可能自動(dòng)恢復(fù)，也很難人為迅速排除故障，有可能導(dǎo)致延誤戰(zhàn)機(jī)，甚至影響整個(gè)戰(zhàn)局，因此這類保障系統(tǒng)對(duì)艦艇安全和戰(zhàn)斗力也起著不可忽視的作用。

2 A類抗沖擊管路及附件

軍標(biāo)規(guī)定，所有包含A類抗沖擊系統(tǒng)或子系統(tǒng)的物件均應(yīng)定為A類抗沖擊物件，如果輔助系統(tǒng)對(duì)A類抗沖擊系統(tǒng)或子系統(tǒng)為必不可少的重要保障，則此類輔助系統(tǒng)也定位為A類抗沖擊系統(tǒng)[2]。根據(jù)這一原則，大多數(shù)A類抗沖擊設(shè)備的支持保障系統(tǒng)都應(yīng)列為A類抗沖擊系統(tǒng)，主要包括泵、風(fēng)機(jī)及相應(yīng)的管路和附件。

應(yīng)滿足A級(jí)抗沖擊能力要求的管路及附件有：

燃油或滑油加熱蒸汽管系、艦船消防系統(tǒng)、主動(dòng)力淡水冷卻系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、壓載水系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、燃油注人管與轉(zhuǎn)運(yùn)管系、噴氣燃料注人與轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、氣幕降噪系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、補(bǔ)給和接收系統(tǒng)、日用燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、汽輪機(jī)蒸汽系統(tǒng)、主鍋爐凝水和給水系統(tǒng)、主鍋爐鼓風(fēng)系統(tǒng)、主機(jī)空氣起動(dòng)系統(tǒng)、主機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、重要機(jī)械處所通風(fēng)系統(tǒng)、穿水密艙壁的風(fēng)管及風(fēng)閥；重要艙室的通風(fēng)系統(tǒng)；需在三防狀態(tài)下關(guān)閉的通風(fēng)系統(tǒng)及其部件[2]，如集體防護(hù)區(qū)濾毒通風(fēng)裝置前后的風(fēng)管及附件等。

由此可以看出，艦船內(nèi)遍布了大量需滿足A類抗沖擊要求的管路，不同艦型會(huì)有不同的A類抗沖擊管路，相同艦型也會(huì)有不盡相同的A類抗沖擊管路分布。但無論什么艦型，機(jī)艙區(qū)A類抗沖擊要求的管路的分布是最密集的。

3 存在問題及建議

雖然標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中明確了這類保障系統(tǒng)的抗沖擊要求，但在工程實(shí)際中，抗沖擊要求往往只關(guān)注了泵、風(fēng)機(jī)等單體設(shè)備，對(duì)整個(gè)支持保障系統(tǒng)的抗沖擊能力，在設(shè)計(jì)和建造過程中都容易被忽略，有待改進(jìn)或加強(qiáng)。

以上海電器科學(xué)研究所為例，該所擁有一臺(tái)滿足美國MIL.S.901C標(biāo)準(zhǔn)的2.7 t的中型沖擊機(jī)和一臺(tái)輕型沖擊機(jī)，承擔(dān)了我海軍許多上艦設(shè)備（主要是電子設(shè)備）的沖擊測(cè)試和考核工作。但據(jù)統(tǒng)計(jì)，在近幾年的沖擊試驗(yàn)中，沒有一項(xiàng)與管路系統(tǒng)有關(guān)[3]。由此可見在提高這類管系和附件的抗沖擊性能上，從艦船的設(shè)計(jì)到建造，存在以下四個(gè)方面的不足：

（1）根據(jù)GJB4000-2000的要求，列為A級(jí)或B級(jí)的設(shè)備、系統(tǒng)，應(yīng)按GJB150.18的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行抗沖擊考核鑒定或沖擊動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，以確保設(shè)備、系統(tǒng)滿足相應(yīng)的抗沖擊要求。由于艦船管路繁多，其布置、走向隨意性相對(duì)較大，即使是同型號(hào)艦船，不同船廠建造的艦船的管路布置也不盡相同。鑒于管系分散、走向各異的特點(diǎn)，其抗沖擊能力不能像某些機(jī)電設(shè)備那樣進(jìn)行抗沖擊考核鑒定，而應(yīng)該是在完成管路三維放樣、明確了系統(tǒng)的邊界條件后，采用沖擊動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算或選用典型的局部管路做沖擊試驗(yàn)考核，以此來驗(yàn)證管系的抗沖擊能力。沖擊動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算是管系吊架的選型、選材及安裝工藝的基礎(chǔ)，但目前這部分工作做得還很不充分。

（2）吊架的選擇普遍要求按船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CB/T210《風(fēng)管吊架》或CB/T3780《管子吊架》配置。這兩份標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是民用船舶管路吊架結(jié)構(gòu)形式，而民用船舶與軍用艦船所面臨的環(huán)境大不相同，兩者的應(yīng)急處置能力也相距甚遠(yuǎn)，民用船舶奉行的是經(jīng)濟(jì)適用的原則，因此選用的吊架結(jié)構(gòu)形式及材料均未考慮抗沖擊要求，吊架材料均為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A，其材質(zhì)較脆，在沖擊環(huán)境下對(duì)材料的缺口比較敏感，交貨時(shí)只考核抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、延伸率，必要時(shí)附加冷彎試驗(yàn)的要求，而對(duì)艦艇很重要的抗沖擊性能則不作考核[4]。該材料的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格較便宜，焊接工藝性較好，很適合應(yīng)用于民船，因?yàn)槊翊瑢?duì)強(qiáng)度要求不高，也不用考慮抗沖擊要求，但對(duì)于作戰(zhàn)艦艇則值得商榷。

（3）管系的聯(lián)接形式缺乏抗沖擊考量，在總體設(shè)計(jì)時(shí)一般只明確管徑、材質(zhì)及壁厚，對(duì)連接方式基本不作要求。船廠在做生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，一般都是根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)、工作壓力及安裝的工藝性來確定接頭形式。不同的聯(lián)接形式，抗沖擊的能力是有明顯差別的，如螺紋接頭，具有連接方便、節(jié)省安裝空間的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是抗沖擊能力不足，對(duì)交變的軸向負(fù)荷也比較敏感，容易導(dǎo)致螺牙磨損而無法咬合，因此在A類抗沖擊管路系統(tǒng)中，應(yīng)盡量避免使用，但現(xiàn)實(shí)情況卻不盡其然。類似情況還有風(fēng)管中常采用“插柳”形式連接，這種連接形式強(qiáng)度低，在A類抗沖擊管路系統(tǒng)中應(yīng)絕對(duì)禁止使用。

（4）管系在確定了吊架、管徑、材料后，吊架的安裝布置形式就對(duì)管系的抗沖擊性能起決定性作用。但總體設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)吊架的安裝形式、間隔一般都不作明確要求，多數(shù)船廠的生產(chǎn)設(shè)計(jì)（三維放樣）深度不夠，在管路放樣時(shí)不考慮吊架的安裝布置，出圖時(shí)僅要求參照船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB/Z345《船舶管系布置和安裝工藝要求》進(jìn)行安裝。將此標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于軍用艦船，缺陷顯而易見，它與CB/T210《風(fēng)管吊架》及CB/T3780《管子吊架》一樣，是不考慮抗沖擊要求的。船廠編制的管路安裝工藝，關(guān)注較多的是系統(tǒng)的清潔防護(hù)、防腐及附件的操縱性、可維性等問題，幾乎不涉及抗沖擊要求。因?yàn)閳D紙、工藝均無抗沖擊工藝要求，導(dǎo)致吊架的安裝布置隨意性大，往往出現(xiàn)以下不合理的布置問題：

①吊架間距長短不一，經(jīng)常出現(xiàn)大間距吊架布置；

②出現(xiàn)較長的懸臂式吊架；

③吊架遠(yuǎn)離質(zhì)量集中點(diǎn)（如大的閥件、流量計(jì)）；

④吊架遠(yuǎn)離強(qiáng)度薄弱點(diǎn)（如接頭）。

長間距布置吊架及長懸臂式吊架對(duì)于大通徑管路的抗沖擊性能的危害特大，因?yàn)橥◤酱螅跫茇?fù)載大，長間距布置吊架加重了吊架的受力；懸臂梁結(jié)構(gòu)惡化了構(gòu)件的應(yīng)力分布，且懸臂梁越長，力矩越大，負(fù)載亦大，故當(dāng)大通徑管路不可避免地需要使用長懸臂式吊架時(shí)，應(yīng)盡量采用三角架支撐；系統(tǒng)存在質(zhì)量集中點(diǎn)時(shí)，在質(zhì)量集中點(diǎn)附近應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，這點(diǎn)對(duì)于小通徑管路特別重要，因?yàn)橥◤叫?，本身的支撐作用有限，在受沖擊時(shí)集中質(zhì)量點(diǎn)的連接部位會(huì)成為一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，管路自身容易受到損傷，也容易碰撞相鄰的設(shè)備或構(gòu)件，威脅其他設(shè)備安全，因此特別需要對(duì)吊架予以加強(qiáng)；吊架應(yīng)靠近管路強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)，如管路接頭、管路分支部位等?？傊?，應(yīng)避免大間距吊架及長懸臂式吊架，吊架應(yīng)靠近質(zhì)量集中點(diǎn)及強(qiáng)度薄弱點(diǎn)布置，這是管路抗沖擊設(shè)計(jì)、安裝的重要原則。

四個(gè)方面的不足，究其原因是因?yàn)榭箾_擊理論專業(yè)性很強(qiáng)，未接受專業(yè)培訓(xùn)的人員很難正確把握其要求，而目前在參與設(shè)計(jì)、建造、檢驗(yàn)等重要環(huán)節(jié)的人員當(dāng)中具有相應(yīng)專業(yè)背景的不多，加上相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范或技術(shù)文件比較欠缺，一般只要求靜態(tài)牢靠、航行時(shí)無異常振動(dòng)即可。因此，應(yīng)盡早開發(fā)專業(yè)高效的管路系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析專用軟件，這是對(duì)艦艇管路系統(tǒng)沖擊進(jìn)行模擬計(jì)算的最有效也易推廣的方法，以彌補(bǔ)設(shè)計(jì)、建造人員在抗沖擊理論上的不足。同時(shí)，也應(yīng)加快國內(nèi)相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建立，加強(qiáng)設(shè)計(jì)、建造、驗(yàn)收方面人員的培訓(xùn)工作，這是提高艦船管路抗沖擊能力的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。

4 結(jié)論

綜上所述，管系的抗沖擊性能是艦艇生命力、戰(zhàn)斗力不可或缺的組成要素，但在艦船設(shè)計(jì)、建造過程中，提高管路的抗沖擊能力受到諸多環(huán)節(jié)的制約，要提高艦艇管路的抗沖擊能力，首先應(yīng)加強(qiáng)對(duì)管路抗沖擊能力重要性的認(rèn)識(shí)，系統(tǒng)的抗沖擊能力，是由相應(yīng)的設(shè)備及其支持保障系統(tǒng)共同決定的，只有全面考慮才能讓系統(tǒng)的抗沖擊能力不留短板；其次，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，強(qiáng)化管路的抗沖擊動(dòng)力學(xué)分析計(jì)算，為管路的抗沖擊設(shè)計(jì)、建造提供基礎(chǔ)支撐，開發(fā)推廣專用計(jì)算軟件，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，優(yōu)化管材、吊架的選型，規(guī)范安裝、布置及連接要求；第三，應(yīng)強(qiáng)化軍用艦船抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)，從宏觀角度規(guī)范抗沖擊設(shè)計(jì)、建造工作，區(qū)別對(duì)待民用商船與軍用艦船的抗沖擊要求。要做到以上幾點(diǎn)，應(yīng)加大投入，從各方面保證資源需求，只有這樣才可能切實(shí)落實(shí)抗沖擊建造要求，提高艦艇的生命力和戰(zhàn)斗力。

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