船舶管路管徑計算的新方法

楊曉獻(xiàn)

（巴柏賽斯船舶科技（上海）有限公司，上海 201206）

船舶管路管徑計算的新方法

楊曉獻(xiàn)

（巴柏賽斯船舶科技（上海）有限公司，上海 201206）

文章介紹了管路管徑計算的一種新方法，通過理論推導(dǎo)建立數(shù)據(jù)模型，并在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上結(jié)合ASP.NET技術(shù)，推出網(wǎng)頁版計算軟件。避免了常規(guī)管路計算的方法對小管徑計算偏差很大的問題，不再需要手動查表選取合適的管徑?？墒咕钟蚓W(wǎng)內(nèi)所有人員方便使用，減少低效的管徑計算時間，提高工作效率。

船舶管路；管徑計算；流速；網(wǎng)頁版計算

0 引言

對于船舶輪機(jī)設(shè)計而言，不同系統(tǒng)、不同介質(zhì)管路管徑的計算，是輪機(jī)工程師耗費(fèi)大量時間的設(shè)計內(nèi)容，如何在滿足流體管路的供給要求的同時使得管徑（造價）合理，并且實現(xiàn)自動計算適應(yīng)電算化，是本文的研究要點(diǎn)。

1 船舶管路設(shè)計的原則

在船舶管路設(shè)計中，通常在滿足船舶建造規(guī)格要求的前提下，按管路工藝要求和安全運(yùn)用的原則，根據(jù)所輸送介質(zhì)的流體性質(zhì)和流體力學(xué)知識，計算出經(jīng)濟(jì)性最好的管徑，通常稱為經(jīng)濟(jì)管徑。

船上的空間比較小，特別是機(jī)艙設(shè)備多、管路多，空間相對其他區(qū)域更加狹小，在滿足功能性和經(jīng)濟(jì)性的前提下盡可能使用小的管徑，對于后續(xù)管路的布置和施工、通道的預(yù)留、管路的重量（空船重量）的減少都非常有益處。管路減小一檔，管路的壁厚、管子的重量、管路輸送的介質(zhì)重量、管路上的閥門、附件的尺寸和重量均會大大減少，如管路上包絕緣層，絕緣的重量和管路所占的空間也將相應(yīng)減少，整個系統(tǒng)管路等初期投資成本相應(yīng)降低。

如上所述，在設(shè)計過程中應(yīng)盡可能選用較高的流速，減小管徑。但是，隨著流速的增高，管內(nèi)流體摩擦阻力也相應(yīng)增加，泵和設(shè)備的功

對于小管徑的管子，舉例一臺 3 m3/h海水冷卻泵后的海水冷卻管的直徑：

1）介質(zhì)和流速參考上面例子的步驟和取值；

2）根據(jù)公式計算得出管路最小內(nèi)徑18.8 mm～25 mm，在標(biāo)準(zhǔn)管中DN15、DN20和DN25的管子都接近計算值，核對設(shè)備資料通常管徑選擇DN32，因此小管徑根據(jù)流速計算，合理的管徑通常不在流速計算的范圍內(nèi)。

上述計算需要查詢表[1-2]，而且推薦流速范圍比較大，比較難確定合理的值，小管徑計算出的管徑和設(shè)備配合時常常偏小。所以設(shè)計中需要找到一種比較簡單的計算方法，直接計算出合理的管徑，并且在小管徑時也保證足夠精度。

3 改進(jìn)后的管徑計算

上述常規(guī)使用手工查表得出流速后再計算管徑的方法，過程繁瑣，耗時比較長，并且容易出錯，另外對于小尺寸管徑查表計算后管徑偏小，同時不適應(yīng)當(dāng)前的自動化及電算化的趨勢。經(jīng)過查詢，收集大量資料，找到下述的電算化解決方案，既解決小尺寸管徑計算時誤差過大的問題，同時能涵蓋大尺寸管徑的計算，直接給出合理精確的管徑，大大減少了設(shè)計人員的查表和計算時間。

計算公式如下[3]：

實際船舶管路計算中，通常給定條件為介質(zhì)的運(yùn)動粘度（cSt），極少使用動力粘度（Pa.s），運(yùn)動粘度和動力粘度的關(guān)系式如下：

把式(2)代入式(1)，通過下面的步驟變換出式(3)：

上述式中，d為管道的內(nèi)徑，mm；Qv為管內(nèi)介質(zhì)的體積流量，m3/h；ρ為介質(zhì)在工作條件下的密度，kg/m3；ΔP100為 100 m計算管長的允許壓力降值，kPa；μ為介質(zhì)在工作條件下的動力粘度，Pa.s；υ為介質(zhì)在工作條件下的運(yùn)動粘度，cSt。

首先了解一下式中ΔP100的 概念，該參數(shù)為100 m直管段長度的最大允許壓力降值，要求計算后的管徑在 100 m長度的壓力降值不超過該允許值。通常管路計算時該值從推薦表格中直接選取數(shù)值，然后代入公式計算管徑，而ΔP100公式由下面的直管段摩擦阻力計算公式推導(dǎo)而來：

式中，ΔP為直管路壓力降值，kPa；λ為管路摩擦系數(shù)，無量綱值；L為直管段長度，m；V為管內(nèi)介質(zhì)流速，m/s。

L取值100 m，代入上式計算的壓降值即為：

經(jīng)過多方查找資料和計算值對比收集，整理出了船舶常用的介質(zhì)的物理性質(zhì)（見表 1）和推薦的流速、允許壓降值（見表2）。

表1 常用管路系統(tǒng)介質(zhì)密度、粘度

為方便設(shè)計人員使用，在我司內(nèi)部網(wǎng)上編制了一個ASP.NET計算頁面，后臺使用數(shù)據(jù)庫存儲表上的介質(zhì)屬性。在頁面輸入介質(zhì)流量值后，選擇介質(zhì)類型、介質(zhì)的缺省溫度、密度、粘度值、流速范圍值以及ΔP100從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中兩個表中提取出來，自動填入相應(yīng)數(shù)據(jù)輸入框。如提取出的數(shù)值和實際值不一致，或者介質(zhì)溫度不一致，手動更改為實際值后，點(diǎn)擊計算按鈕，服務(wù)器將進(jìn)行計算并在頁面上顯示最小內(nèi)徑，同時把該計算管徑所對應(yīng)的流速以及介質(zhì)建議的流速范圍顯示在頁面最后一行，方便使用者判斷計算的管徑是否合理。

表2 管路系統(tǒng)常用介質(zhì)流速范圍和ΔP100允許壓力降表

使用第 2段內(nèi)的手動計算參數(shù)，使用網(wǎng)頁計算程序計算，計算結(jié)果截屏如圖3所示。

與前面第 2部分的計算值比較，大管徑是一致的，頁面計算的小管徑更大，和設(shè)備接口比較匹配，更符合工程實際。

4 結(jié)論

管徑計算的主要依據(jù)是流體流量及壓頭，本文通過理論推導(dǎo)建立數(shù)據(jù)模型，并在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上結(jié)合ASP.NET技術(shù)，推出網(wǎng)頁版計算軟件，局域網(wǎng)內(nèi)所有人員使用非常容易，頁面的后期升級和維護(hù)也很容易，服務(wù)器上的頁面和數(shù)據(jù)庫有任何更新，刷新頁面馬上得到最新的數(shù)據(jù)和格式。

根據(jù)長期對不同輸送介質(zhì)的管徑計算和實踐檢驗，上述改進(jìn)后的計算公式滿足船舶管路大小管徑計算的要求，提高了工作中的效率和準(zhǔn)確性。

管徑計算在管路系統(tǒng)圖設(shè)繪中占用大量的時間，未來將結(jié)合AUTOCAD繪制的系統(tǒng)原理圖，在系統(tǒng)管線內(nèi)寫入每一根管線的流量和介質(zhì)，添加一個CAD命令查找所有管線，根據(jù)管線的流量和介質(zhì)自動計算合理管線尺寸，自動添加管線通徑、外徑和壁厚信息，并根據(jù)需要生成相應(yīng)的材料表格。這將顯著節(jié)省設(shè)繪工程師的時間，減少低效的管徑計算時間，將更多時間放在系統(tǒng)的合理性和優(yōu)化上。

參考文獻(xiàn)：

[1]JIS F7101-2002, 船舶機(jī)械管路——標(biāo)準(zhǔn)流體流速[S].東京: 日本標(biāo)準(zhǔn)委員會出版社, 2002.

[2]CB*/Z 344-1985, 動力管路的流速[S].北京: 船舶標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會, 1985.

[3]辛田, 周國慶.化學(xué)工藝設(shè)計手冊(下冊)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

New Method for Ship Pipe Size Calculation

Yang Xiaoxian
(CS Marine Technology Pte., Ltd., Shanghai 201206, China)

The paper introduces a new method for pipe size calculation.By theory derivation, the data model is established.Combining with the ASP.NET technology based on the mathematical model, the webpage calculating software is presented.The method can avoid the problem of large deviation on small size calculation by traditional pipe calculation method.There is no necessary to use manual table-checking to get suitable size.All people on the LAN can use easily.The lowefficiency calculating time is reduced and the working efficiency is raised.

marine pipe; pipe size calculation; velocity; webpage calculation

U664.84+1

A

10.14141/j.31-1981.2017.01.011

楊曉獻(xiàn)（1974—），男，工程師，研究方向：船舶動力、系統(tǒng)、通風(fēng)設(shè)計。