船舶管路布局優(yōu)化方法及應(yīng)用

余 波

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，江蘇 南京 210015）

0 引言

管道在船舶操作的實(shí)踐中起著重要作用，船舶管路不合理會(huì)造成空間資源的浪費(fèi),會(huì)增加維護(hù)成本?？紤]到一般船舶的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化方案和具體方法的應(yīng)用具有重要的實(shí)際意義。管路分為保障航行的動(dòng)力管路和保障運(yùn)營的船舶管路，通過這些管路實(shí)現(xiàn)各類介質(zhì)的按需流動(dòng)，從而保障船舶的正常航行和高效運(yùn)營[1]。

1 優(yōu)化管道布局的具體方法

1）靜態(tài)分析，指數(shù)字化建模的現(xiàn)有船舶的總體結(jié)構(gòu),并使用數(shù)字建模方法確保三維圖形化管線系統(tǒng)的完善與合理。通過完善的結(jié)構(gòu)模型，分析出此處管路的最佳布局方案。具體分析方法如下:綜合分析法通過對(duì)管路系統(tǒng)技術(shù)要求,如管路系統(tǒng)的壓力、材質(zhì)、管徑、連接方式、受力方向等,以及所處位置的結(jié)構(gòu)大小、材質(zhì)、強(qiáng)度要求進(jìn)行綜合研判[2]。通過分析方法,可以了解整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否普遍存在不利于管路布置的弊端和可以采用的補(bǔ)償措施，也可以得出管路布置的一些基本要求，如管道與管道之間的最大間距、可以采用的連接方式。通過此分析方法,可以進(jìn)一步評(píng)估管道系統(tǒng)。分析該方法并比較管道系統(tǒng)的具體參數(shù),如管道尺寸、布置空間、管路支架形式的選用等。借助數(shù)據(jù)能夠?qū)嵤┚唧w操作的優(yōu)化,以達(dá)到管路布置優(yōu)化目的。

2）動(dòng)態(tài)分析方法，目的是使用實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法驗(yàn)證管道的具體運(yùn)行狀態(tài)測量。一般來說,管道設(shè)計(jì)有科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn),其組成部分有明確要求。管路系統(tǒng)仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)分析決定了實(shí)際管路的工作情況,如水、氣和油特定啟動(dòng)/工作情況以及管路的振動(dòng)、壓力變形、水錘效應(yīng)、結(jié)構(gòu)變形等因素對(duì)管路布置造成的影響。利用軟件模擬,能夠準(zhǔn)確計(jì)算出管路系統(tǒng)在工作時(shí)的實(shí)際工況，如受力分析、管路變形的趨勢(shì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),能夠判定動(dòng)態(tài)和靜態(tài)之間的差異性。如果差異性在允許范圍內(nèi),則管路有效，不在允許范圍內(nèi)表示管路布局存在問題。根據(jù)具體結(jié)果,分析研究管道可能存在的問題,調(diào)整優(yōu)化布局,從而達(dá)到優(yōu)化管道布局的目的，進(jìn)而保證管路在實(shí)際工作中的安全性[3]。

2 實(shí)際放樣中管道布局優(yōu)化方法

2.1 靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析方法

通過設(shè)計(jì)軟件將所需的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行精準(zhǔn)的三維建模,管路總體布置的標(biāo)準(zhǔn)主要參數(shù)取決于船舶的管路前期策劃設(shè)計(jì)。因此，仿真技術(shù)的具體應(yīng)用不容忽視。以某型船管隧內(nèi)的管路布置為例，結(jié)合船體結(jié)構(gòu)、以及其他相關(guān)專業(yè)的設(shè)備布置，考慮到管子對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響、管子的制作與安裝方式以及后期的維護(hù)與檢修經(jīng)過綜合考慮，策劃形成的典型布置方案，如圖1所示。使用三維軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模后的模型，如圖2所示。

圖1 船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)布設(shè)圖

圖2 船體三維軟件設(shè)計(jì)建模

2.2 動(dòng)態(tài)分析方法

獲得管路總體布置方案后，結(jié)合實(shí)際工況,預(yù)判出管路的振動(dòng)、受力大小、受力方向等影響管路系統(tǒng)安全工作的因素。同時(shí)也可采用專用的應(yīng)力分析軟件進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，有針對(duì)性地做出相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)、完善。通過分析某型船壓載系統(tǒng)一處彎頭的受力變形趨勢(shì)后，增加止推支撐的方案。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，此處彎頭如果不加以限位固定的話，該系統(tǒng)工作時(shí)，此處彎頭除了承受系統(tǒng)壓力以外，還有旁邊支管上閥門的啟閉而引起的水錘效應(yīng)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常工作壓力，進(jìn)而造成彎頭處嚴(yán)重變形直至破壞。船體船壓系統(tǒng)變形，如圖3所示。

圖3 船體船壓系統(tǒng)變形

所在生產(chǎn)單位的生產(chǎn)加工能力以及所設(shè)計(jì)船型管路的特性，這類問題也應(yīng)給予重視。例如某40000 t級(jí)的成品油輪，雙層底不設(shè)置管隧，壓載艙內(nèi)布置有多路大口徑壓載管，表面處理為環(huán)氧涂塑處理。按常規(guī)慣例分段間的管子合攏時(shí)需要設(shè)置合攏管進(jìn)行調(diào)整，但出現(xiàn)以下問題：

1）調(diào)整管完成后會(huì)因分段合攏完畢無法出艙，也無法送至專門的涂裝廠家進(jìn)行處理。

2）人工在施工現(xiàn)場補(bǔ)涂，但是涂層品質(zhì)不穩(wěn)定，船東不接受。

經(jīng)與船東協(xié)商后決定分段之間不再設(shè)置合攏管，在盡可能保證安裝精度的情況下，出現(xiàn)的安裝誤差改為調(diào)節(jié)墊塊處理。具體方法：一路管子在分段合攏處人為留出30 mm間隙，合攏后根據(jù)2塊法蘭之間的實(shí)際間隙加工調(diào)節(jié)墊塊，如圖4所示。

圖4 實(shí)際間隙加工調(diào)節(jié)墊塊

3 船舶管路優(yōu)化布置的初步設(shè)計(jì)方案

船舶的管路優(yōu)化初步設(shè)計(jì)方案是否成功，關(guān)系到后續(xù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案過程的發(fā)展。因而，在強(qiáng)化管路布置時(shí)，要注意優(yōu)化其初步設(shè)計(jì)方案，在實(shí)際運(yùn)用中進(jìn)一步提高整體布置的科學(xué)合理性[4]。船舶的管路設(shè)計(jì)方案主體包含：管路初步布置方案完成后，需要對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)，以保證整體總體布局的科學(xué)合理性。

生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案主體包含：

1）結(jié)合原理圖，確定目標(biāo)設(shè)定的科學(xué)合理性，保證船舶管路統(tǒng)綜合布置的科學(xué)合理設(shè)計(jì)方案；

2）在管路生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案階段，應(yīng)融會(huì)貫通各種各樣強(qiáng)化安全措施，強(qiáng)化資源配置，進(jìn)一步提高管路詳細(xì)設(shè)計(jì)方案的效率，降低設(shè)計(jì)方案成本；

3）管路系統(tǒng)的總體布局應(yīng)滿足可靠性、安全性、可行性、耐用性等需求。

靜態(tài)分析法側(cè)重于：1）管路設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響；2）空間的合理利用；3）對(duì)系統(tǒng)功能的基本實(shí)現(xiàn)。

動(dòng)態(tài)分析法側(cè)重于：1）管子的制作、安裝過程的簡便性；2）管路的安全性、可靠性；3）管路系統(tǒng)在日常運(yùn)營中的可操作性、可維護(hù)性；4）在工作過程中防止其他因素帶來的振動(dòng)、高/低溫、腐蝕、可能的機(jī)械傷害等對(duì)管路的損壞，進(jìn)而采取補(bǔ)償性/保護(hù)性的設(shè)計(jì)方案。

2種分析方法在設(shè)計(jì)的過程中可以有先后，但是并不完全獨(dú)立，應(yīng)該互相兼容、互相影響。在保證系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的前提下，結(jié)構(gòu)的安全性和管路本身的安全性應(yīng)該予以優(yōu)先考慮。

4 管系設(shè)計(jì)優(yōu)化的發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代造船工業(yè)系統(tǒng)將向智能化大方向建設(shè)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)也在向智能制造的大方向建設(shè)。以往的管路功能優(yōu)化布置還應(yīng)遵從科技成果的技術(shù)創(chuàng)新，船舶管路布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)還需從適應(yīng)智能化生產(chǎn)的方面進(jìn)行研究，以適應(yīng)流水線加工的需求、機(jī)器人加工的需求等要素。

利用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行三維建模已經(jīng)成為主流船廠必備的設(shè)計(jì)手段，同時(shí)一些仿真管路應(yīng)力分析軟件的引進(jìn)和運(yùn)用也必然提上日程。通過科技化手段來代替依靠經(jīng)驗(yàn)值或者實(shí)測后修改原有設(shè)計(jì)方案，無疑可以大大提高設(shè)計(jì)的有效性，并且能夠降低建造中的修改成本。

隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，更多種類的非金屬材料、非焊接連接的管材因其成本低、重量輕、施工維護(hù)簡便等優(yōu)點(diǎn)，越來越被船廠和船東所接受，隨著逐步在各系列船型上的使用，范圍有明顯擴(kuò)大的趨勢(shì)[5]。原有的常規(guī)管路的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是否還能滿足新材料管路，非焊接管路的技術(shù)特性也是今后需要強(qiáng)化考慮的項(xiàng)目。例如比較常見的非金屬類玻璃纖維增強(qiáng)樹脂管（GRE/GRP）、聚乙烯管道（PE管）、聚氯乙烯管（PVC管）等，還有金屬類的非焊接密封的薄壁承插管、機(jī)械卡壓密封的管子，以及大規(guī)模使用“維特利”“斯特勞博”一類機(jī)械接頭的管路。此類管子在設(shè)計(jì)時(shí)因特性化的差異，不能完全套用常規(guī)金屬管路的設(shè)計(jì)思路。

從發(fā)展趨勢(shì)而言，管路布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)開始的時(shí)間點(diǎn)應(yīng)該前移，從技術(shù)規(guī)格書談判的階段，針對(duì)管子的選材、涂裝的方式等要素，到影響管子安裝方式的結(jié)構(gòu)分段劃分，再到可能會(huì)造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞時(shí)，對(duì)典型結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)方案以及針對(duì)原理圖中系統(tǒng)方案的優(yōu)化意見等，上述設(shè)計(jì)階段如能提前介入，對(duì)于后面的管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程是巨大的幫助[6]。

當(dāng)然大量船舶管路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累必不可少。通過長期的積累、統(tǒng)計(jì)、整理，進(jìn)而形成相對(duì)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)方案，不管是對(duì)于造船企業(yè)還是運(yùn)營企業(yè)，都非常有利。

5 結(jié)語

從目前的數(shù)據(jù)和研究成果來看，船舶配管布設(shè)對(duì)提升船舶的具體運(yùn)行有重要影響，對(duì)于船廠降低材料成本、人工成本有著巨大的幫助，對(duì)于船東降低運(yùn)營維護(hù)成本也有著不可替代的作用。本文歸納了管路布置前期策劃及生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段的一些思路、考慮因素及應(yīng)用方法，為管系設(shè)計(jì)人員特別是新入行設(shè)計(jì)員的實(shí)際操作提供了一些幫助和指導(dǎo)，期望能夠?yàn)樘岣叽肮苈飞a(chǎn)設(shè)計(jì)的學(xué)術(shù)性和系統(tǒng)性提供參考。