多荷載對艦船水下管系位移影響分析

董仁義，吳崇建，李志印

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

艦船管系承擔(dān)著輸送各種流體介質(zhì)的任務(wù)，特別是艦船水下管系，在設(shè)計(jì)時(shí)受到船體內(nèi)部空間的限制，具有較為復(fù)雜的空間特性且距離長跨度較大，不同介質(zhì)的管路往往布置較為緊湊。另外，不同介質(zhì)的管系幾何尺寸、安裝固定以及工作壓力、使用工況各不相同，介質(zhì)管系往往受到多個(gè)負(fù)載的同時(shí)作用。

多負(fù)載一方面是來自管系的固有物理特性，比如管路質(zhì)量產(chǎn)生的重力荷載、輸送介質(zhì)的溫度所導(dǎo)致溫度荷載、水下管系連同舷外具備初始壓力的管系內(nèi)壓力荷載；另一方面是來自管路的使用工況。比如文獻(xiàn)[1]中，介紹了艦船液壓、疏水、海水冷卻等管系，由于流體流速較高、流量較大，在進(jìn)行管路流體截至和開啟過程中，改變了流體的方向或速度，在慣性作用下，產(chǎn)生流體瞬變現(xiàn)象。流體瞬變產(chǎn)生的壓力增值荷載和時(shí)程壓力荷載，會使管道發(fā)生的劇烈強(qiáng)迫振動，使管系的位移產(chǎn)生變化。這不僅會與其他管系產(chǎn)生碰撞干涉，損傷管系的防腐、保溫、隔振層，更嚴(yán)重的是會造成管路與支撐結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生微動磨損，使支撐剛度逐漸下降從而降低管系的固有頻率，當(dāng)其與管系泵組的壓力脈動頻率接近或者重合，就產(chǎn)生流固耦合振動，進(jìn)而影響整個(gè)管系的性能和降低設(shè)備的使用壽命，甚至可能導(dǎo)致艦船管系功能失效。

在對單一要素比如彎頭[2–3]、單一管道位移分析[4–5]、單一艦船系統(tǒng)仿真分析[6–7]和流體瞬變對管路激振分析[1]的基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻(xiàn)[8]組合載荷對艦船管路的靜動態(tài)分析，本文建立一個(gè)典型的具有復(fù)雜空間走向和安裝固定特性的艦船水下管系，對不同載荷作用下的管系位移進(jìn)行了仿真研究，分析了多荷載對艦船管系的影響。

1 艦船管系荷載類型及模型

艦船管系可能承受的荷載類型有，重力荷載：包括管道自重、防腐保溫阻尼層重、介質(zhì)重等；位移荷載：包括管道熱脹冷縮位移、端點(diǎn)附加位移、支撐沉降等；壓力載荷：包括內(nèi)壓力和外壓力；瞬變流載荷：如安全閥起跳或閥門快速啟閉時(shí)的壓力沖擊；兩相流脈動載荷；壓力脈動荷載；機(jī)械振動荷載等。文獻(xiàn)[1]進(jìn)行了的艦船水系統(tǒng)水錘特性仿真與試驗(yàn)研究，都是針對流體瞬變引起的動荷載。

本文選取的艦船管系是艦船水下連通舷外的疏水管路，在注水過程中具有重力荷載、熱脹冷縮位移荷載、壓力（內(nèi)壓力）荷載，在疏水管系的應(yīng)變分析中，這幾種屬于靜荷載。另外還有瞬變流荷載，是偶然性動荷載，其瞬時(shí)壓力值（Pressure transient）和壓力增值（Pressure Rise）采用下式計(jì)算：

式中： ?p為管路瞬時(shí)壓力值和壓力增值； ρ為流體密度；a為流體內(nèi)聲速； ?ν為閥關(guān)閉后流體流速的變化值。另外，流體內(nèi)聲速由下式來計(jì)算：

其中： ρ為流體密度；K為體積模量；E為管材的彈性模量；D為管路直徑；e為管路壁厚。當(dāng) ?p作為壓力增值的時(shí)候，本文將其用于管系增加的內(nèi)壓力荷載。

2 管系仿真模型

2.1 管系描述

某段典型的艦船空間管系的走向如圖1 所示，管系模型各個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號和坐標(biāo)如表1 所示。管路公稱通徑300 mm，實(shí)際外徑為323.85 mm，壁厚為9.525 mm，最小屈服強(qiáng)度為206.84 N/mm2，管材密度7 833 kg/m3。A00 點(diǎn)和A18 點(diǎn)固定，流體假定為海水，密度為1 028 kg/m3，由A18 點(diǎn)流入，沿管路至A00 點(diǎn)，同時(shí)在圖2 中標(biāo)注出各管點(diǎn)的標(biāo)號和管路的長度。在管系點(diǎn)A00 處有一管路截至閥，A00 點(diǎn)截止閥突然關(guān)閉將產(chǎn)生沿管線傳遞的壓力沖擊波。

圖1 典型艦船空間管系Fig. 1 Typical space pipeline

2.2 管系固定方式

圖2 中結(jié)合艦船管系的特點(diǎn)，給出了管系的固定方式，包含固定支座和移動支座，剛性支座和彈性支座。節(jié)點(diǎn)A00 和A18 為固定座，A01，A04，A05，A08，A09，A13，A15，A17 為垂向限位支架（vertical stop），限制管路上下移動與管路上下的間隙為0；A08 和A09 是彈簧吊架（spring hanger），A12 和A14 是導(dǎo)向支架（guide），限制管路的徑向運(yùn)動與管路上下左右的間隙為0，允許管路的軸向移動。

表1 典型艦船空間管系算例節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)Tab. 1 Point name and coordinate of space pipeline

圖2 艦船空間管系的固定方式Fig. 2 Fixed style of the space pipeline

3 不同荷載對管系位移作用仿真

空間管系固定時(shí)，已將支座與管系間隙設(shè)置為0，并且不考慮摩擦力的作用，進(jìn)行靜力荷載分析時(shí)忽略了系統(tǒng)中所有非線性約束，進(jìn)行靜荷載的線性分析。本文的靜荷載包括重力荷載（GR）、溫度荷載和內(nèi)壓力荷載。在本算例中，由于在艦船疏水管路工作時(shí)，介質(zhì)的溫度變化不大，并且初始設(shè)定為20 ℃，由溫度變化引起的熱脹冷縮導(dǎo)致的管系位移變化非常小，也可以忽略。初始的內(nèi)壓力載荷設(shè)定為水下10 m，管系內(nèi)海水靜壓為0.1 MPa。當(dāng)關(guān)閉A00 處的管系閥門，瞬變流產(chǎn)生壓力增值 ?p，在確定內(nèi)壓力荷載時(shí)，考慮壓力值P2為 ?p加上初始靜壓0.1 MPa 后的值，流體瞬變產(chǎn)生的動荷載的時(shí)程分析過程中的位移用代號M1表示。

管路的位移特性分析如圖3～圖7 所示，前8 階振動頻率見表2 所示。

表3 給出了管系節(jié)點(diǎn)在不同荷載下的沿坐標(biāo)軸位移值，GR+P2和GR+M1是為了方便對比分析所做的代表性的位移疊加，分別表示最大的靜力荷載所產(chǎn)生的位移，重力載荷與動荷載所產(chǎn)生的位移。

圖3 重力荷載作用下的管系位移（GR）Fig. 3 Pipeline displacement under gravity（GR）

圖4 內(nèi)壓力作用下的管系位移（P2）Fig. 4 Pipeline displacement under inner pressure（P2）

圖5 流體瞬變動載荷下的管系位移（M1）Fig. 5 Pipeline displacement under fluid transient（M1）

圖6 重力荷載和內(nèi)壓力疊加作用下的管系位移（GR+P2）Fig. 6 Combination displacement of gravity and inner pressure（GR+P2）

圖7 重力荷載和流體瞬變動荷載疊加作用下的管系位移（GR+M1）Fig. 7 Combination displacement of gravity and fluid transient（GR+M1）

表2 管系模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果Tab. 2 Modal frequency result of pipeline

表3 中所示的管系各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)與圖3～圖7 對應(yīng)。節(jié)點(diǎn)A00 和A18 為固定座，圖表中所示3 個(gè)方向的位移均為0；A01，A04，A05，A08，A09，A13，A15，A17 為垂向限位支架，圖表中所示的Y方向的位移為0；A12 和A14 是導(dǎo)向支架，圖表中所示X和Y方向的位移為0。限制管路的徑向運(yùn)動與管路上下左右的間隙為0，允許管路的軸向移動。在本算例中，可以看到流體瞬變所產(chǎn)生的動荷載是引起管路位移變化的最主要的因素，這與實(shí)際情況相符，證明對于管路振動特性的仿真可以作為管路設(shè)計(jì)參考。

4 結(jié) 語

艦船管系在工作過程中受到多荷載的作用，通過建立典型的空間管系，分析不同荷載對管路位移的影響。針對工作過程中介質(zhì)溫度不高，溫差變化和初始工作壓力較小的管系，溫度變化導(dǎo)致的熱脹冷縮和初始內(nèi)壓力荷載引起的位移變化相比動載荷引起的位移變化，可忽略其位移影響，管系位移主要是動載荷造成的。

表3 管系節(jié)點(diǎn)在多荷載下的位移Tab. 3 Pipeline displacement under multiple loads

續(xù)表3

艦船水下管系流體瞬變引起的管系壓力增量遠(yuǎn)大于管系靜水壓力，有必要作為內(nèi)壓力靜載荷進(jìn)行位移影響分析，特別是其擴(kuò)展應(yīng)用至材料剛性較小、結(jié)構(gòu)呈薄壁幾何特性并且工作介質(zhì)溫度極高或溫差范圍大的工業(yè)管系。多荷載對艦船管系位移影響研究方法和結(jié)論，需要全面考慮對管系設(shè)計(jì)因素，結(jié)果對于設(shè)計(jì)艦船管系空間管路設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，后續(xù)可以進(jìn)一步考慮其他因素，比如高溫、高壓、蒸汽介質(zhì)、管系恒定或周期的受力，支座和管系的非線性分析等來豐富荷載類型。