機(jī)艙軸流風(fēng)機(jī)風(fēng)管安裝方案及分析1

傅香菊，魏文俊

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)由機(jī)艙風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管路和附件等組成，主要有如下功能[1-3]：1）為機(jī)艙中安裝的各種機(jī)械設(shè)備提供運(yùn)行時(shí)必要的新鮮空氣，保證燃料的充分燃燒，提高熱效率；2）將機(jī)艙中的各種機(jī)械設(shè)備在工作過(guò)程中產(chǎn)生的油氣、水蒸氣、易爆炸的粉塵等威脅機(jī)艙安全的有害物質(zhì)排出機(jī)艙，提高艦船的安全性；3）通過(guò)換氣作用使機(jī)艙中的空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，改善機(jī)艙工作人員的工作環(huán)境和衛(wèi)生條件；4）將機(jī)艙中安裝的主機(jī)、輔機(jī)等熱力機(jī)械設(shè)備運(yùn)行時(shí)散發(fā)出來(lái)的大量熱量帶出機(jī)艙外，降低機(jī)艙溫度。

機(jī)艙風(fēng)機(jī)是機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，通常采用軸流風(fēng)機(jī)，具備效率高、風(fēng)量大、體積小等優(yōu)點(diǎn)[4-7]。目前，中小型船舶受安裝空間、施工可行性、噪聲指標(biāo)等因素的限制，通常在兩舷煙道布置立式軸流風(fēng)機(jī)，并通過(guò)通風(fēng)管路、消聲器和風(fēng)閘等附件連通機(jī)艙內(nèi)部風(fēng)管和百葉窗，以實(shí)現(xiàn)機(jī)艙進(jìn)風(fēng)和排風(fēng)的目的。然而，軸流風(fēng)機(jī)與通風(fēng)管路、通風(fēng)圍井、消聲器、風(fēng)閘等附件的連接形式種類繁多，這就產(chǎn)生多種安裝方案。需要對(duì)不同安裝方案進(jìn)行對(duì)比，分析不同施工環(huán)境適合選用的方案。

本文對(duì)現(xiàn)有機(jī)艙軸流風(fēng)機(jī)連接形式進(jìn)行介紹，并從施工周期、可操作性、便捷性等方面對(duì)3 種常用方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，確定最優(yōu)方案。

1 常用安裝方案介紹

由于中小型船舶的艙內(nèi)空間有限，無(wú)法設(shè)置機(jī)艙軸流風(fēng)機(jī)專用的風(fēng)機(jī)室，且考慮到軸流風(fēng)機(jī)與通風(fēng)管路、消聲器、風(fēng)閘等附件的安裝空間和后續(xù)檢修等因素，往往將軸流風(fēng)機(jī)布置于兩舷煙道處，并利用通風(fēng)管路來(lái)連通軸流風(fēng)機(jī)和通風(fēng)圍井（見(jiàn)圖1）。

圖1 立式軸流風(fēng)機(jī)安裝示意圖

通常情況下，立式軸流風(fēng)機(jī)安裝在甲板的船體基座上。對(duì)于有噪聲指標(biāo)的機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)，軸流風(fēng)機(jī)與船體基座間采用減振安裝[4]，并需要增設(shè)相應(yīng)規(guī)格的消聲器[4,6]。對(duì)于有關(guān)閉要求的機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)，還需要增設(shè)氣動(dòng)風(fēng)閘[3]。因此，機(jī)艙軸流風(fēng)機(jī)在連通上下兩層甲板間的通風(fēng)圍井時(shí)，主要涉及船體基座、減振器、軟管、消聲器、氣動(dòng)風(fēng)閘和鋼質(zhì)風(fēng)管。為簡(jiǎn)化各部件的連接、減少鋼質(zhì)風(fēng)管的管段數(shù)量，船體基座的面板、軸流風(fēng)機(jī)、消聲器、氣動(dòng)風(fēng)閘和鋼質(zhì)風(fēng)管的法蘭螺孔規(guī)格和數(shù)量采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，確保各部件的螺孔匹配。此外，在分段制造階段對(duì)船體基座、甲板面和通風(fēng)圍井進(jìn)行裝焊和數(shù)控開(kāi)孔，以提高船舶建造的精度和舾裝率。然而，在完成船體基座、軸流風(fēng)機(jī)和各部件的安裝和連接后，上下層分段制造、吊裝、裝配和焊接等因素往往會(huì)引起安裝誤差，這會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)圍井底部的鋼質(zhì)風(fēng)管安裝困難。目前，通風(fēng)管路與通風(fēng)圍井的連接主要有以下3 種方案，見(jiàn)圖2。

圖2 通風(fēng)管路與通風(fēng)圍井連接方案（單位：mm）

圖2中：D為鋼質(zhì)風(fēng)管外徑；t為鋼質(zhì)風(fēng)管壁厚；L為鋼質(zhì)風(fēng)管理論長(zhǎng)度。

1）方案1

合攏管+對(duì)接焊。測(cè)量最后一段鋼質(zhì)風(fēng)管的偏心距和長(zhǎng)度[8]，通過(guò)合攏管實(shí)現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)和通風(fēng)圍井的連接。通風(fēng)圍井的開(kāi)孔直徑比鋼質(zhì)風(fēng)管的內(nèi)徑小20 mm，滿足5 mm 焊角的施工間距[9]。

2）方案2

調(diào)整管+嵌入式裝焊。將鋼質(zhì)風(fēng)管的長(zhǎng)度加放一定余量[8]，并實(shí)現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)和通風(fēng)圍井的連接。通風(fēng)圍井的開(kāi)孔直徑比鋼質(zhì)風(fēng)管的外徑大100 mm，并采用腹板進(jìn)行補(bǔ)孔[9]。

3）方案3

調(diào)整管+對(duì)接焊。將鋼質(zhì)風(fēng)管做成變徑風(fēng)管，并將角鋼法蘭的翻邊寬度作為長(zhǎng)度方向的余量[8]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軸流風(fēng)機(jī)和通風(fēng)圍井的連接。通風(fēng)圍井的開(kāi)孔直徑與鋼質(zhì)風(fēng)管的通徑保持一致[9]。

2 不同方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

如圖3 所示，3 種安裝方案的施工流程均為船體基座裝焊→鋼圍壁開(kāi)孔→軸流風(fēng)機(jī)安裝（包括減振器和軟管等附件）→消聲器和風(fēng)閘等附件安裝→鋼質(zhì)風(fēng)管測(cè)量制作（或修正）→鋼質(zhì)風(fēng)管安裝。其中，3 種安裝方案在鋼質(zhì)風(fēng)管安裝的設(shè)計(jì)和施工方面存在較大差異，這就導(dǎo)致不同方案的施工周期、可操作性、便捷性不同。

2.1 鋼質(zhì)風(fēng)管安裝流程

方案1 主要采用了合攏管的安裝形式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量風(fēng)管附件到通風(fēng)圍井開(kāi)孔的間距和兩者中心的偏心距等尺寸，明確鋼質(zhì)風(fēng)管的實(shí)際尺寸[8]。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加工制造，可有效確保最后一根鋼質(zhì)風(fēng)管安裝的準(zhǔn)確性。最后一根鋼質(zhì)風(fēng)管的安裝流程如下：

1）在船體基座、軸流風(fēng)機(jī)（包括減振器和軟管）、消聲器和風(fēng)管附件均完成安裝后，測(cè)量風(fēng)管附件到通風(fēng)圍井開(kāi)孔的間距和偏心距等尺寸，在合攏管零件圖上標(biāo)注實(shí)測(cè)尺寸。

2）根據(jù)零件圖加工鋼質(zhì)風(fēng)管，現(xiàn)場(chǎng)裝焊風(fēng)管法蘭。

3）將風(fēng)管法蘭套在鋼質(zhì)風(fēng)管端部，并預(yù)裝到風(fēng)管附件上。將風(fēng)管兩端分別與風(fēng)管附件和通風(fēng)圍井的開(kāi)孔對(duì)中，將風(fēng)管法蘭與風(fēng)管附件的法蘭進(jìn)行對(duì)孔。完成上述操作后，將鋼質(zhì)風(fēng)管的管端與通風(fēng)圍井點(diǎn)焊固定，將風(fēng)管法蘭與鋼質(zhì)風(fēng)管點(diǎn)焊固定。

4）在船東認(rèn)可的情況下，可對(duì)鋼質(zhì)風(fēng)管及其法蘭進(jìn)行單面焊，并完成鋼質(zhì)風(fēng)管與風(fēng)管附件的緊固連接。若船東不同意單面焊，則需要拆下風(fēng)管附件，對(duì)鋼質(zhì)風(fēng)管與通風(fēng)圍井的對(duì)接端、風(fēng)管法蘭和鋼質(zhì)風(fēng)管的對(duì)接端進(jìn)行雙面焊。

方案1 的風(fēng)管安裝示意和流程圖見(jiàn)圖4。由于本方案中鋼質(zhì)風(fēng)管的零件圖是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)尺寸繪制的，故能有效規(guī)避施工誤差。方案1 的優(yōu)點(diǎn)包括安裝精度高、適用性廣泛，缺點(diǎn)包括施工周期長(zhǎng)、雙面焊時(shí)的安裝流程復(fù)雜。

方案2 主要采用了調(diào)整管和腹板裝焊的安裝形式，通過(guò)加放通風(fēng)圍井的開(kāi)孔尺寸和鋼質(zhì)風(fēng)管的長(zhǎng)度的方式確保最后一根鋼質(zhì)風(fēng)管的順利安裝。即使風(fēng)管附件和通風(fēng)圍井開(kāi)孔的間距或兩者中心的偏心距產(chǎn)生了一定的誤差，也能夠通過(guò)調(diào)整鋼質(zhì)風(fēng)管嵌入通風(fēng)圍井的長(zhǎng)度及腹板補(bǔ)孔等方法進(jìn)行修正。最后一根鋼質(zhì)風(fēng)管的安裝流程如下：

1）根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，從船體基座到最后一根鋼制風(fēng)管的累積安裝誤差一般不超過(guò)30 mm[10]，故將鋼制風(fēng)管的長(zhǎng)度增加50 mm 余量，以滿足豎直方向誤差消除和5 mm 焊角的施工需求。通風(fēng)圍井開(kāi)孔尺寸也增加50 mm 余量，以滿足水平方向誤差消除和5 mm 焊角的施工需求。腹板外徑比鋼質(zhì)風(fēng)管外徑大50 mm，可滿足通風(fēng)圍井補(bǔ)孔的施工需求。

2）根據(jù)零件圖直接加工鋼質(zhì)風(fēng)管，在內(nèi)場(chǎng)焊接風(fēng)管法蘭，現(xiàn)場(chǎng)裝焊腹板。

3）在船體基座、軸流風(fēng)機(jī)（包括減振器和軟管）和消聲器均完成安裝后，先將套有腹板的鋼質(zhì)風(fēng)管嵌入通風(fēng)圍井的開(kāi)孔中，并進(jìn)行點(diǎn)焊固定。再將消聲器和鋼質(zhì)風(fēng)管的風(fēng)閘等附件安裝到位。

4）在鋼質(zhì)風(fēng)管及其法蘭與風(fēng)閘附件完成對(duì)中工作后，進(jìn)行鋼質(zhì)風(fēng)管及其腹板與通風(fēng)圍井的裝焊工作，并將鋼質(zhì)風(fēng)管與風(fēng)管附件緊固連接。

方案2 的風(fēng)管安裝示意和流程圖見(jiàn)圖5。由于鋼質(zhì)風(fēng)管可根據(jù)零件圖直接制造，配合鋼質(zhì)風(fēng)管長(zhǎng)度加放余量、通風(fēng)圍井開(kāi)孔尺寸加放余量和腹板補(bǔ)孔等措施，方案2 可有效減少現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的施工誤差。方案2 的優(yōu)點(diǎn)包括施工周期較短、施工誤差可修正、安裝流程簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)包括焊接工作量大、當(dāng)通風(fēng)圍井較小時(shí)無(wú)法對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行焊接。

圖5 方案2 的風(fēng)管安裝示意和流程圖

方案3 主要采用了變徑風(fēng)管的安裝形式，通過(guò)加放鋼質(zhì)風(fēng)管的外徑尺寸和長(zhǎng)度確保最后一根鋼質(zhì)風(fēng)管的順利安裝。即使風(fēng)管附件和通風(fēng)圍井開(kāi)孔的間距或兩者中心的偏心距產(chǎn)生了一定的誤差，也能夠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)切割鋼制風(fēng)管及覆蓋通風(fēng)圍井開(kāi)孔等方法進(jìn)行修正。最后一根鋼質(zhì)風(fēng)管的安裝流程如下：

1）將鋼制風(fēng)管的長(zhǎng)度增加50 mm 余量，以滿足豎直方向誤差消除和5 mm 焊角的施工需求。通風(fēng)圍井開(kāi)孔尺寸也增加50 mm 余量，以滿足水平方向誤差消除和5 mm 焊角的施工需求。

2）根據(jù)零件圖直接加工鋼質(zhì)風(fēng)管，現(xiàn)場(chǎng)裝焊風(fēng)管法蘭。

3）在船體基座、軸流風(fēng)機(jī)（包括減振器和軟管）、消聲器和風(fēng)管附件等均完成安裝后，測(cè)量風(fēng)管附件到通風(fēng)圍井開(kāi)孔的距離，對(duì)鋼制風(fēng)管進(jìn)行切割，確保風(fēng)管法蘭安裝后的整體長(zhǎng)度與實(shí)測(cè)間距相同。

4）將風(fēng)管法蘭套在鋼質(zhì)風(fēng)管的端部，并預(yù)裝到風(fēng)管附件上，將風(fēng)管兩端分別與風(fēng)管附件和通風(fēng)圍井的開(kāi)孔對(duì)中，將風(fēng)管法蘭與風(fēng)管附件的法蘭進(jìn)行對(duì)孔。完成上述操作后，將鋼質(zhì)風(fēng)管的管端與通風(fēng)圍井點(diǎn)焊固定，將風(fēng)管法蘭與鋼質(zhì)風(fēng)管點(diǎn)焊固定。

5）在船東認(rèn)可的情況下，可對(duì)鋼質(zhì)風(fēng)管及其法蘭進(jìn)行單面焊，并完成鋼質(zhì)風(fēng)管與風(fēng)管附件的緊固連接。若船東不同意單面焊，則需要拆下風(fēng)管附件，對(duì)鋼質(zhì)風(fēng)管與通風(fēng)圍井的對(duì)接端、風(fēng)管法蘭和鋼質(zhì)風(fēng)管的對(duì)接端進(jìn)行雙面焊。

方案3 的風(fēng)管安裝示意和流程圖見(jiàn)圖6。由于鋼質(zhì)風(fēng)管可根據(jù)零件圖直接制造，配合鋼質(zhì)風(fēng)管直徑和長(zhǎng)度加放余量等措施，方案3 可有效減少現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的施工誤差。方案3 的優(yōu)點(diǎn)包括施工周期較短、施工誤差可修正，缺點(diǎn)是雙面焊接時(shí)的安裝流程較為復(fù)雜。

2.2 噪聲指標(biāo)和風(fēng)管質(zhì)量

在上述3 種方案中，鋼質(zhì)風(fēng)管的通徑與軸流風(fēng)機(jī)的通徑相同。然而，方案1 的鋼質(zhì)風(fēng)管采用對(duì)接焊的形式，這會(huì)導(dǎo)致通風(fēng)圍井的開(kāi)孔尺寸比鋼質(zhì)風(fēng)管的內(nèi)徑小20 mm。因此，方案1 在鋼質(zhì)風(fēng)管和通風(fēng)圍井連接端的局部風(fēng)速和噪聲聲功率級(jí)均高于另外2 個(gè)方案。噪聲聲功率級(jí)的計(jì)算公式為

式中：Lw為噪聲的聲功率級(jí)；Lwc為比聲功率級(jí)；v為氣流流速；F為風(fēng)管截面積。

實(shí)船風(fēng)速和噪聲聲功率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。2 型重吊船采用的鋼質(zhì)風(fēng)管的壁厚為5 mm，外貿(mào)船采用的鋼質(zhì)風(fēng)管的壁厚為3 mm。

表1 實(shí)船風(fēng)速和噪聲聲功率計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，方案1 為滿足焊角要求而減小開(kāi)孔尺寸的做法引起的風(fēng)速提升約為6.3%、噪聲聲功率值提升約為1.5%，基本可以忽略不計(jì)。

3 種方案鋼質(zhì)風(fēng)管的形式和尺寸不同，其成品風(fēng)管的質(zhì)量也存在差異。外貿(mào)船送風(fēng)機(jī)所接的鋼質(zhì)風(fēng)管尺寸如圖7所示，風(fēng)管的理論質(zhì)量為73.41 kg。方案2 無(wú)法通過(guò)切割設(shè)計(jì)余量來(lái)修正誤差，導(dǎo)致該方案的成品風(fēng)管質(zhì)量明顯高于理論質(zhì)量，方案1 和方案3 的成品風(fēng)管質(zhì)量則基本相同，且與理論質(zhì)量的偏差不超過(guò)±7%，見(jiàn)圖8。

圖7 外貿(mào)船送風(fēng)機(jī)所接的鋼質(zhì)風(fēng)管尺寸（單位：mm）

續(xù)圖7 外貿(mào)船送風(fēng)機(jī)所接的鋼質(zhì)風(fēng)管尺寸（單位：mm）

圖8 各方案風(fēng)管質(zhì)量曲線

2.3 各方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

各方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況見(jiàn)表2，3 種方案均能滿足安裝要求。方案1 的施工周期最長(zhǎng)，方案2 的鋼質(zhì)風(fēng)管質(zhì)量最大，方案3 的特點(diǎn)則介于兩者之間。

表2 各方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比情況

3 實(shí)船的安裝效果及優(yōu)化

上述3 種方案均采用硬連接的安裝方式，且為滿足密性和漏風(fēng)量的要求，各部件的安裝緊密性較高。因此，硬連接的部件往往難以拆卸，進(jìn)而導(dǎo)致軸流風(fēng)機(jī)在檢修和重新安裝時(shí)的難度較大。為進(jìn)一步方便現(xiàn)場(chǎng)施工，在外貿(mào)船上增設(shè)一段軟管（見(jiàn)圖9），該軟管采用船用防火軟管制作，由防火布、聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）涂層、鋼絲線和法蘭等構(gòu)成，具有施工方便、防火性和密封性較好等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)施工和實(shí)船使用的需求。外貿(mào)船主要采用方案3 進(jìn)行安裝，防火軟管的設(shè)置在理論尺寸上增加了50 mm 的設(shè)計(jì)余量，以便消除現(xiàn)場(chǎng)可能產(chǎn)生的安裝誤差[10]。此外，防火軟管的設(shè)置還能進(jìn)一步簡(jiǎn)化安裝過(guò)程的工作量。

圖9 增設(shè)軟管示意圖（單位：mm）

4 結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)有機(jī)艙軸流風(fēng)機(jī)連接形式進(jìn)行介紹，并從施工周期、可操作性、便捷性等方面對(duì)3 種常用方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，可得出如下結(jié)論：

1）方案3 為適用性最優(yōu)的方案。

2）方案3 配合軟管使用，能夠較好地滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工的要求，具有舾裝率高、安裝誤差可控、風(fēng)管無(wú)須修正、安裝流程簡(jiǎn)易可行、檢修拆裝簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)。