艦船蒸汽管路的柔性設(shè)計分析

董仁義，吳崇建，李志印

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064)

0 引言

艦船蒸汽系統(tǒng)的主要任務(wù)是向蒸汽用戶輸送、配給需求品質(zhì)和流量的蒸汽，保證系統(tǒng)的安全，滿足各項性能指標要求。蒸汽管路是蒸汽系統(tǒng)的重要組成部分，特別是主蒸汽管路，一方面管路通徑和壁厚特征，自身重量較大，另一方面最大蒸汽絕對壓力以及飽和蒸汽的蒸汽溫度對主蒸汽管路荷載較大，兩方面使得蒸汽管路承受了較大的應(yīng)力。蒸汽管路的應(yīng)力分為一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，一次應(yīng)力是指承受的介質(zhì)內(nèi)壓、自重、介質(zhì)重量等持續(xù)外荷載而產(chǎn)生的應(yīng)力，二次應(yīng)力是指管路變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，不直接與外力平衡，一般由熱脹冷縮和端點位移引起。

艦船蒸汽管路在設(shè)計過程中需要避免管路因應(yīng)力造成破壞而進行柔性設(shè)計，然而艦船蒸汽管路與陸上相比，其最大的不足之處就是安裝空間狹小，并且需要兼顧減振的要求，難以安裝體積較大的抗沖減振元件等。在艦船管路靜動態(tài)特性分析方面，很多文獻已經(jīng)開展了相應(yīng)的工作。文獻[1–2]對艦船典型的空間疏水管路在閥門關(guān)閉過程中的動態(tài)特性進行了分析；文獻[3–4]分別對一段固支的輸液曲管進行了位移影響分析和流場分析；文獻[5–6]則是對艦船液壓系統(tǒng)進行了多領(lǐng)域的仿真，分析了管路內(nèi)部特征點的壓力變化和液壓系統(tǒng)質(zhì)量塊負載的運動特征；文獻[7]應(yīng)用流固耦合的計算方法模擬了注水管路流激振動噪聲；特別是在艦船蒸汽管道方面，文獻[8]采用Ls-dyna軟件對典型的主蒸汽管道U形防甩裝置的甩擊動態(tài)過程進行非線性有限元分析，計算得到應(yīng)力—應(yīng)變分布及U形防甩裝置（U形箍）甩擊力時歷曲線隨管箍初始間隙、管箍軸向位置的變化規(guī)律。其中，只有文獻[3]在分析過程中通過改變管路系統(tǒng)支撐方式，分析了管點位移的變化，但是也沒有進行受力分析，同時分析對象是疏水管路，還有深入研究的空間。本文在以往研究的基礎(chǔ)上建立艦船典型的主蒸汽管路模型，對主蒸汽管路工作狀態(tài)下進行仿真，對比分析主蒸汽管路考慮柔性設(shè)計前后位移和受力變化。

1 蒸汽管路仿真模型

1.1 管路柔性設(shè)計方法和原則

管路的柔性是反映管路變形難易程度的概念，它表示管路通過自身變形吸收熱脹、冷縮和其他位移變形的能力。對管路進行柔性設(shè)計，其目的是確保管路設(shè)計后在使用條件下具有足夠的柔性，防止管路熱脹、冷縮、端點附加位移、管路支撐選型設(shè)置不當?shù)纫蛩卦斐刹焕绊?，比如管路在運行條件下應(yīng)力過大或金屬疲勞可能引起的破壞，管路運行使用時接頭泄漏，出現(xiàn)管路推力或力矩過大，造成與其相連接的設(shè)備產(chǎn)生過大的應(yīng)力或變形，影響設(shè)備的正常運行，運行條件下管路推力或力矩過大引起管路對支吊架的破壞等。

在管路應(yīng)力校核設(shè)計中，增強管路柔性的方法主要有：改變管路走向布置、選用波紋管膨脹節(jié)或撓性接管和采用彈黃支吊架等。

在進行管路柔性設(shè)計時，一般會遵循考慮以下原則：

1）在管路布置條件允許的情況下，應(yīng)首先考慮采取改變管路走向和選用彈簧支吊架的方法來増加管路柔性。一般情況下，管路兩固定點位置一定時，增加管系的長度可以增加管路的柔性；實際布置的管路在某一方向上過于剛硬時，増加與其垂直方向的管段長度可大大減小管路的剛度。彈簧支吊架的選用可以使管路存在的垂直位移將約束放松，増加管系的柔牲。

2）當管系管徑較大，實際配管布置場地受到限制且需要位移補償量較大時，可考慮選用波紋管膨脹節(jié)的方式増加管路柔性。但是波紋管膨脹節(jié)制造結(jié)構(gòu)較為復雜，價格髙，因此低壓大直徑管路上常選用。特別注意的是波紋管膨脹節(jié)是管系中的薄弱部位，應(yīng)該盡量避免采用。

3）進行管路柔性設(shè)計時，在保證管路具有足夠柔性來吸收變形的前提下，要避免過度考慮管系柔軟。

1.2 管路分析方法

本文采用的線性分析是一種簡化的靜力分析，計算過程忽略了管路中間隙、摩擦等所有非線性因素，計算公式為：

式中：K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，U為響應(yīng)（位移）矩陣，R為荷載矩陣。結(jié)構(gòu)剛度矩陣K由單元剛度矩陣集合而成。荷載矩陣R由作用在系統(tǒng)元素和點上的荷載組成，R一般可以包含一種或多種負載。位移矩陣U采用高斯消去法計算，用來決定元素所受的端面壓力和力矩，從而也可以相應(yīng)計算出每個點的應(yīng)力。

2 蒸汽管路仿真模型

艦船蒸汽管路是較為復雜的空間管路，圖1為一段典型的水下艦船主蒸汽管路俯視圖。為了降低艙室溫度、熱力管路外表面溫度、改善工作環(huán)境、減少熱量損失、保護人員安全，對艙段內(nèi)蒸汽管路等溫度較高的管路、閥件和包覆熱絕緣材料。圖2為依據(jù)圖紙所建立的空間管路仿真模型。

圖1 典型蒸汽管路的俯視圖Fig.1 Top view of typical steam pipe

圖2 典型蒸汽管路空間模型Fig.2 Typical space model of steam pipe

模型中采用管路公稱通經(jīng)100 mm，外徑為114.3 mm，密度為8.025×103kg/m3，保溫層為鐵石棉，厚度為20 mm，管內(nèi)蒸汽壓力為1.5MPa，介質(zhì)溫度為260℃。主蒸汽管路出入口分別為B01和A 19，初始固定方式為A 04和A15處的固定支座。

3 蒸汽管路的應(yīng)力分析

管路應(yīng)力分析結(jié)果包括持續(xù)應(yīng)力、膨脹應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力。持續(xù)應(yīng)力屬于一次應(yīng)力，由內(nèi)壓、自重和外荷載所產(chǎn)生的正應(yīng)力（環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力）和剪應(yīng)力等應(yīng)力合成。因為一次應(yīng)力沒有自限性，所以過大的應(yīng)力產(chǎn)生的變形將無限制地增大，以致破壞。持續(xù)應(yīng)力可以通過改變支撐的數(shù)量來調(diào)節(jié)；膨脹應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，是由于管道變形受阻而引起的正應(yīng)力和剪應(yīng)力等合成的。因為二次應(yīng)力具有自限性，所以在熱脹推力或內(nèi)壓膨脹的作用下，管道局部屈服而產(chǎn)生少量塑形變形時，就會使推力不再增加，塑形變形不再擴展。膨脹應(yīng)力可以通過柔性設(shè)計來調(diào)節(jié)；環(huán)向應(yīng)力與管道壁厚相關(guān)，內(nèi)壓一定時，環(huán)向應(yīng)力和管道壁厚成反比，如果環(huán)向應(yīng)力大于許用應(yīng)力，說明壁厚太小，需要將壁厚增厚。

蒸汽管路支撐首先采用剛性設(shè)計，在A 04和A 15處設(shè)置剛性支撐，對蒸汽管路在重力、溫度和內(nèi)壓共同作用下的應(yīng)力狀況進行仿真計算，圖3所示的應(yīng)力云圖采用比率的顯示方式，為計算值和容許值的比值。

圖3 剛性設(shè)計時的應(yīng)力比率分布Fig.3 Stress ratio under rigid design

由圖3可知，應(yīng)力最大處為管點A 04。查看節(jié)點應(yīng)力計算結(jié)果可知，A 04點處持續(xù)應(yīng)力比為0.84，膨脹應(yīng)力比為0，環(huán)向應(yīng)力比為0.04。A04點是設(shè)置的固定支座點并且靠近蒸汽出口，應(yīng)力主要是由重力所產(chǎn)生的。

根據(jù)剛性設(shè)計的初步結(jié)果，為了降低蒸汽管路的局部應(yīng)力，依據(jù)管路柔性設(shè)計的原則，對蒸汽管路進行柔性設(shè)計，同時兼顧管路設(shè)計的經(jīng)濟性，保留A04處的固定支座，將A 15處的固定支座改為彈性支撐，同時在A 01處增加一個彈性支撐。這種柔性設(shè)計方案的應(yīng)力比率分布如圖4所示。查看節(jié)點應(yīng)力計算結(jié)果可知，此時A04點處最大持續(xù)應(yīng)力比為0.7，膨脹應(yīng)力比為0，環(huán)向應(yīng)力比為0.19。對比圖3和圖4可知，由于增加了一個彈性吊架，降低了最大應(yīng)力點A04處的應(yīng)力值，但是增加了環(huán)向應(yīng)力。

圖 4柔性設(shè)計時的的應(yīng)力比率分布Fig.4 Stress ratio under flexibility design

為了對比剛性和柔性設(shè)計下蒸汽管路的差異，表1給出了管路節(jié)點的位移值。

圖5 為剛性設(shè)計和柔性設(shè)計下不同管點的位移值，其中A04點一直是固定支座，圖中2種狀態(tài)下的位移值都為0，A15在剛性和柔性設(shè)計下的位移對比就非常明顯了，柔性設(shè)計為蒸汽管路提供了更大的位移補償，這也復合實際工程情況。

表1 不同設(shè)計狀態(tài)下的管點位移值Tab.1 Combined displacement under rigid and flexibility design

圖5 不同設(shè)計狀態(tài)下的管點位移對比圖Fig.5 Combined displacement under rigid and flexibility design

表2 給出了剛性設(shè)計和柔性設(shè)計下的蒸汽管路主要受力節(jié)點的力和力矩。本文只考慮蒸汽管路在重力、溫度、內(nèi)壓共同作用下的結(jié)果。

從圖6可以看出，從剛性設(shè)計轉(zhuǎn)化為柔性設(shè)計的過程中，增加支撐可以降低管點受力最大值，但是管點受力趨勢不會改變。蒸汽管路位于兩端支撐點中心位置的A09和A 10管點附近受力較小，支撐點A 04與A 15附近管點受力較大。支撐點處管點受力較大，應(yīng)力較為集中的特征在圖3和圖4的應(yīng)力分布云圖上也得到了體現(xiàn)。

從圖7可以看出，同樣由于增加了管點A 01處的柔性支撐點，柔性設(shè)計也降低了剛性設(shè)計時管點合力矩的最大值，A 01和A 04之間的合力矩明顯減小。管點A 15附近在剛性設(shè)計時的合力矩明顯高于柔性設(shè)計，說明柔性設(shè)計增加的變形量可以減小管點所受合力矩。支撐點兩端懸空的管點合力矩躍變?yōu)?，這也復合工程實際情況。

4 結(jié)語

通過實艇蒸汽管路數(shù)據(jù)，建立艦船蒸汽管路模型，設(shè)定管路的剛性固定方式，再根據(jù)管路柔性設(shè)計的方法和原則，經(jīng)過新增布置彈性吊架和用彈性吊架原位替換部分剛性支撐的方式，在增加了管路的支撐個數(shù)，保證管路的穩(wěn)定性的同時將管路的垂直約束放松，實現(xiàn)了蒸汽管路的柔性設(shè)計。

表2 不同設(shè)計狀態(tài)下的節(jié)點合力及合力矩Tab.2 Combined force and moment under rigid and flexibility design

經(jīng)過不同設(shè)計狀態(tài)下的仿真對比分析可知，艦船蒸汽管路的柔性設(shè)計減少了剛性設(shè)計管點受力最大值，但沒有改變管點的受力趨勢，支撐點附近的合力依然較支撐點中部位置管點大；柔性設(shè)計帶來的位移補償能夠有效降低管路和支撐點附近的合力矩。本文對比分析了剛性設(shè)計和柔性設(shè)計下蒸汽管路的合位移、合力及合力矩的變化，并沒有針對受力方向及受力形式所占比例方面進行細致的區(qū)分，只是從蒸汽管路整體表征現(xiàn)象出發(fā)，驗證了蒸汽管路柔性設(shè)計相比剛性設(shè)計所產(chǎn)生的不同結(jié)果，對艦船蒸汽管路設(shè)計時的布置和固定具有一定的指導意義。

圖6 不同設(shè)計狀態(tài)下的管點合力對比圖Fig.6 Combined forceunder rigid and flexibility design

圖7 不同設(shè)計狀態(tài)下合力矩對比圖Fig.7 Combined under rigid and flexibility design