機艙風管型式選擇

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

船舶建造中的機艙通風一般采用矩形風管和圓形風管(螺旋風管)兩種方式。矩形風管形式靈活，在保證截面積的情況下容易調(diào)整，尤其在一些位置復(fù)雜的區(qū)域具有優(yōu)勢；螺旋風管則有著質(zhì)量輕，安裝方便，價格便宜的特點。目前國內(nèi)船舶機艙通風基本采用矩形風管，而國外船廠已經(jīng)普遍采用螺旋風管。機艙風管量占全船通風管系統(tǒng)比重非常大[1]，從降低制作成本，減輕空船質(zhì)量，減少振動噪聲，提升通風性能的角度考慮，有必要對機艙采用的鋼制風管和螺旋風管的制作工藝、材質(zhì)質(zhì)量、安裝施工、通風性能、振動噪聲等方面進行對比分析，為合理選擇機艙風管型式提供相關(guān)依據(jù)。

1 風管選材及制作工藝

1.1 矩形風管

材質(zhì)按適用區(qū)域進行選取，厚度按管徑大小選取，將矩形風管截面長邊L作為板材厚度選取依據(jù)，參照國家標準，實船建造時取值見表1[2]。

表1 矩形風管壁厚取值標準

機艙區(qū)域矩形風管通常選用普通鋼板，厚度在2.5 mm以上。

選用普通鋼板進行通風管路制作時，可采用彎板、角焊、對接焊等形式，對于壓力等級較高的管路可以采用雙面角焊的形式[3]，見圖1。

圖1 矩形風管管段焊接形式

選用普通鋼板風管法蘭裝配時，需要對法蘭和風管進行焊接，焊接形式見圖2。

圖2 矩形風管法蘭焊接形式

經(jīng)過焊接成型后再經(jīng)表面油漆處理，作為成品管段。

1.2 螺旋風管

螺旋風管主要是在風管鐵皮上鍍鋅，對鐵皮起到保護作用。螺旋風管制作采用鍍鋅鐵帶，根據(jù)螺旋風管機的型號選擇鐵帶寬度(通常選用125 mm鐵帶)。材料厚度參照國家標準[3]，實船建造取值見表2。

表2 螺旋風管壁厚選用標準

鍍鋅白鐵皮經(jīng)過風管機進行機械加工，卷制成螺旋形薄壁管。外形無縫連接，制作過程完全機械化，無需焊接，無需手工敲打，見圖3。

圖3 螺旋風管成品

為提高機艙區(qū)域風管抗腐蝕性和裝飾性，成型后的螺旋風管通常會進行表面油漆處理。

1.3 對比分析

機艙鋼制風管在制作時存在大量焊接打磨工作，制作能耗較高，自動化程度低，制作鋼制風管原材料鋼板需求量較大。

機艙螺旋圓風管的生產(chǎn)已高度自動化、系統(tǒng)化，并具有工業(yè)化的質(zhì)量控制。機械制作螺旋風管快速且美觀，精巧的螺旋壓制楞筋工藝使螺旋風管具有承受壓力的最佳強度，增加螺旋型楞筋后，咬口潛縫厚度是管體的4倍，管道的剛性非常大，顯示出堅固的優(yōu)越性，能承受最大的壓力負荷而無損變形，用材厚度可減小15%，降低成本。相同截面積時，長寬比為1∶3的矩形風管周長比螺旋風管的周長長40%，用材省。

選用螺旋風管制作簡單且供貨周期更短。

表3中包含從船廠建造的208KBC系列船抽取的機艙矩形風管數(shù)據(jù)，以及轉(zhuǎn)換為對應(yīng)螺旋風管的相關(guān)數(shù)據(jù)。

由表3可見，改用相應(yīng)螺旋風管后，總質(zhì)量減輕至少12 t；在價格方面，至少節(jié)省10萬元。由此可見，選用螺旋風管代替矩形風管，有助于降低造船企業(yè)的成本，另一方面也有利于減輕船舶整體質(zhì)量。

表3 質(zhì)量及價格對比表

2 安裝施工對比

在不增加任何壓降的情況下，安裝空間內(nèi)直徑為200 mm的圓形管道可取代250 mm×150 mm的矩形管道。在不增加額外安裝空間的前提下，數(shù)條平行的圓形管道可取代扁平矩形管道。考慮了所有的因素，在絕大多數(shù)情況下，圓形管道所占用的空間都要少于矩形管道。對同樣的壓力特性，數(shù)條圓形管道的安裝空間常常與1條矩形管道的的安裝空間相同或更少。許多矩形管道系統(tǒng)安裝時需要4螺栓系統(tǒng)，因而在管道的各個方向增加40～80 mm。

由于鋼制風管相對螺旋風管質(zhì)量大很多，從風管的運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝，鋼制風管都需要借助機械設(shè)備吊裝圖片。而螺旋風管管段基本可以人工搬運，施工難度低，安全系數(shù)高。除此之外，螺旋風管具有一定的韌性，在一定程度上消除了因施工誤差導(dǎo)致無法安裝的問題。據(jù)83K VLGC實際建造采用螺旋風管統(tǒng)計，圓形風管的安裝時間只有相類似的矩形管道的1/2，很大程度提升船舶建造效率。

3 通風性能對比

3.1 阻力損失計算

3.1.1 沿程摩擦阻力損失

1)摩擦損失△pf[1]。

(1)

其中：A為風管截面積，mm2;P為截面周長，mm。

2)當量直徑De[2]。

(2)

式中：De為與等流量、等阻力和等長度矩形風管相當?shù)膱A管的直徑，mm；a為風管高度，mm；b為風管寬度，mm。

3.1.2 局部阻力損失

空氣流經(jīng)管路附件產(chǎn)生的局部阻力損失Δpj[1]為

(3)

式中：ξ為局部阻力系數(shù)，查表[1]；ω為風速，m/s；ρ為空氣密度，m3/h。

3.1.3 總阻力損失

管道總阻力損失Δp為

Δp=Δpf+Δpj

(4)

3.2 算例

3.2.1 原矩形風管管段

180KBC散貨船機艙發(fā)電機位置的部分矩形風管，見圖4。相關(guān)阻力計算數(shù)值見表4。

圖4 原矩形風管管段布置示意

表4 原矩形風管阻力計算表

3.2.2 理論等效螺旋風管管段

圖5是根據(jù)圖4以相同風量及風速選取的圓形螺旋風管，相關(guān)阻力計算值見表5。

圖5 理論等效螺旋風管管段布置示意

3.2.3 實際選型螺旋風管管段

圖6是參考圖5通過廠家資料選取的相應(yīng)規(guī)格螺旋風管，相關(guān)阻力計算值見表6。

圖6 實際選型螺旋風管管段布置示意

表5 理論等效螺旋風管阻力計算表

表6 實際選型螺旋風管阻力計算表

從以上表格對比分析可見，當機艙選用螺旋風管時，阻力損失減小，使機艙的通風效果更好，整體的通風性能有很大提升；與此同時，在風機的選型上如果使用螺旋風管系統(tǒng)，可以適當?shù)慕档惋L機的靜壓[4-5]，一方面可以減小風機噪音，另一方面可以達到降低成本的目的。

顯然，螺旋風管通風性能優(yōu)于矩形風管。

4 噪聲對比

船舶主要噪聲源：通風系統(tǒng)、機器噪聲、推進系統(tǒng)三部分。機械設(shè)備和推進裝置自身降噪技術(shù)難，成本高。如能對船舶通風系統(tǒng)噪音優(yōu)化設(shè)計，能起到事半功倍的效果。機艙通風管路系統(tǒng)噪音通常選用能力法和波動方法計算，模擬通風系統(tǒng)噪音模型[6]，見圖7。

在變量因數(shù)方面分殼體振動、管壁振動、管內(nèi)噪聲三部分。通過控制變量法，假定風管安裝高度相同，選用當量的矩形風管和螺旋風管并對比相關(guān)屬性(系數(shù)計算根據(jù)實船模型取樣)，見表7。

圖7 通風系統(tǒng)風管布置模型

質(zhì)量平均重心高度風管震動延程損失風管管內(nèi)噪音矩形風管m0.9L強烈△p高螺旋風管0.23m0.5L一般0.85△p低

噪聲是由于振動產(chǎn)生的，而船舶噪聲按傳播途徑分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲。螺旋風管自身結(jié)構(gòu)振動小，一定程度上降低結(jié)構(gòu)噪聲；依據(jù)壓降損失計算，矩形風管摩擦阻力所產(chǎn)生的沿程損失能量大于螺旋風管，通風系統(tǒng)空氣湍流明顯高于螺旋風管，風管內(nèi)空氣動力噪音亦高于螺旋風管[7]。

結(jié)合實際建造船舶噪聲測量數(shù)據(jù)(見表8)，機艙內(nèi)一些典型區(qū)域，選用螺旋風管的噪音值明顯低于選用矩形風管船型。進一步佐證了選用螺旋風管可以起到降低噪音的效果。

表8 實船試航測試數(shù)據(jù) dB(A)

結(jié)合當下民船市場，在能滿足布置和使用要求的前提下，在機艙區(qū)域通風設(shè)計中應(yīng)大力選用螺旋風管。

5 結(jié)論

相比矩形風管，螺旋風管在制作工藝、質(zhì)量成本、安裝施工、通風性能、振動噪音等方面有突出的優(yōu)勢。但也不應(yīng)該忽視矩形風管在一些特殊船型和復(fù)雜的場合具有布置方便的優(yōu)勢，同時尺寸規(guī)格也能做到靈活多變，而螺旋風管只有一些特定的規(guī)格。螺旋風管壁厚較薄，受材料性能所限，不能做到很大的尺寸，因此，在大口徑風管上，矩形風管依然無法被替代。