船舶管系的应力补偿及挠性连接

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摘要：本论文主要讲述了船舶上管系产生的应力以及应力补偿方法：挠性连接，就其挠性连接的必要性、安全可靠性、挠性连接管特点分别介绍了不锈钢金属软管，金属膨胀节，非金属膨胀节等几种典型连接方式，从其各自的结构、优点特性、选型、应用及安装方法和要求等方面详细的介绍了其工作性能。

关键词：应力补偿，挠性连接，金属软管，膨胀节

中图分类号：F407 文献标识码： A

0引言

船舶管路系统通常在常温无振动的情况下进行安装的，但是有些管路，如主机、柴油发电机、焚烧炉的排气管路、蒸汽系统是在一定温度甚至是在高温下进行工作的，而部分船上的液货管系却在超低温下工作的，这些金属管路在受热或是受冷后将会伸长或缩短。例如钢管受热后，每升高100℃，将使1m的钢管伸长1.13mm；贯穿船舶艏艉的管系如全船压载系统、货舱舱底水系统、货舱区域消防系统以及甲板上的电缆管系，在船舶满载正常航行时由于船体的变形也会产生很大的机械应力；同时由于机械设备的运转会产生剧烈振动如主机、空气压缩机、空调冷藏压缩机以及风机，在其正常运转期间由于其剧烈振动也会使其与之连接的管系产生很大的机械应力。在船舶上，尤其是在一些特种船舶及舰艇上，要求这些管系具有消除由于温度的变化、航行状态的船体变形及各种机械设备运行产生的振动，噪音及冲击的优良性能，为了使管系能够满足这些要求，通常采用挠性接管，以达到减振、吸收应力、抗冲击，保护动力设备的正常运转，防止管路连接的密性被破坏。因而必须对这些受热应力和由于机械设备运转及船体变形而产生机械应力的管系进行应力补偿，以消除由于温度的变化、航行状态的船体变形及各种机械设备运行产生的振动，噪音及冲击的损害。挠性连接来进行应力补偿的方法很多，在船舶上最常用的有以下几种：膨胀节、金属软管、非金属软管连接等。

1、膨胀节

膨胀节习惯上也叫伸缩节，是用以利用自身弹性元件或伸缩元件的有效伸缩变形来吸收因船体变形或管路热胀冷缩时产生的内应力，避免管路泄漏、弯曲或破裂的一种补偿装置，属于一种补偿元件。由于其工作可靠、性能良好、结构紧凑等优点及良好的挠性结构可对轴向，横向，和角向位移的的吸收，用于在管道、设备及系统的加热位移、机械位移、吸收振动等。

船舶上主要使用的膨胀节的种类有多种，常用的有弯管式膨胀节、波纹式膨胀节、填料函式膨胀节三种。

1.1弯管式膨胀节

将管子弯成U形或其他形体（图1），并利用形体的弹性变形能力进行补偿的一种膨胀节，用以补偿管路的应力。其优点是强度好、寿命长、制作简单，所以此膨胀节广泛用于各种贯穿船舶艏艉的长管道上。例如在大型的散货船主甲板上面货舱的CO2系统、甲板淡水冲洗系统、甲板杂用空气吹洗系统，由于这些管系布置较长且管系外径较小，弯管式膨胀节较容易弯制、效果良好且价格便宜。

1.2波纹管膨胀节

波纹管膨胀节是用金属波纹管制成的一种膨胀节，由一个或几个波纹管及结构件组成，用来吸收由于热胀冷缩等原因引起的管道或设备尺寸变化的装置。其具有结构紧凑、承压能力高、工作性能好、配管简单、等优点，同时能沿轴线方向伸缩，也允许少量弯曲，多用于贯穿船舶艏艉的管径较大系统及受温度影响较大的系统，如大型货船主甲板上消防系统、电缆管系及发电机、主机排气管系等。为了防止其在运输及安装过程中不产生额外变形，用定位螺杆固定的波纹管为自由状态或已根据用户要求进行预变形。波纹管膨胀节在船舶上基本安装要遵循以下要求，避免发生失效，起不到原来的作用：

① 波纹管膨胀节的补偿量与波数成正比，一般在10mm-40mm，绝对禁止用拉伸或压缩膨胀节的方法来调整管道的安装偏差

② 管系安装完毕后，应尽快拆除膨胀节上定位螺杆，并按设计要求将限位装置调到规定位置，使管系在环境条件下有充分的补偿能力

③ 波纹管膨胀节一般在法兰上张标有介质的流动方向，根据介质的在管内的流动方向而定位膨胀节。一般在用于液体的波纹管膨胀节中内部设有导管，其作用是减少液体的阻力，因而安装时必须注意液体的流向，导管与波纹管焊接的一端为流体的进口

④ 排气管系的固定支撑及弹性支架设置一定要合理，否则在正常航行期间由于振动及温度变化会影响膨胀节的功能甚至导致膨胀节的失效。

1.3填料函式膨胀节

填料函式膨胀节又称为套管伸缩节，由能够作轴向相对运动的内外套管组成。内外套管之间采用填料函密封。它是靠导管和套管的相对运动来补偿管道的变形量的。使用时保持两端管子在一条轴线上移动，通常在伸缩节的两端装设导向支架，防止管路的弯曲和扭转，阻止管路的失稳。它的优点是对流体的流动摩擦阻力小、紧凑、补偿能力大，占地面积小，通常用于货舱燃油输送管系、管弄内舱底、压载管系中。但这种膨胀节亦有对固定支架推力较大，密封性较差，易渗漏，需经常维修和更换填料缺点，在系统设计选型时亦做考虑，在安装时应保证：填料函式膨胀节应与管道保持同心，不得倾斜；为其服务的导向支架应确保补偿器运行时自由伸缩，不得偏离中心。

2、金属软管

金属软管是船舶建造中重要的挠性连接构件，由波纹柔性管、网套和接头结合而成，波纹管是金属软管的本体，起着挠性的作用；网套起着加强、屏蔽的作用。特别是像一些正常运行时振动剧烈的设备与管系连接时，如主机、柴油发动机、空气压缩机、空调冷藏压缩机以及风机，在其正常运转期间由于其剧烈振动会使其与之连接的管系产生很大的机械应力，如果采用金属管与金属管或者与机械设备直接的硬性连接，机械设备正常运转产生剧烈振动时就会使管子或设备发生拉伸、扭曲发热、噪音等问题，从而影响船舶的正常航行。现在船舶上管系与设备的连接基本上全部采用软管连接方式，用他们的弯曲扰性去弥补管路系统因安装造成的位置偏差，去承担两断接点非常工作所需的相对位移，同时还起着减振，消除噪音的作用。在管路中可对任何方向进行连接，用以温度补偿和吸收振动、降低噪声、改变介质输送方向、消除管道间或管道与设备间的机械位移等，双法兰金属波纹软管对有位移、振动的各种泵、阀等的柔性接头尤为适用。

正是由于金属软管在船上应用的重要性，所以在选型及安装时要特别加以注意：严格根据系统的设计压力、温度选择不同等级的金属软管，安装时严禁金属软管扭曲安装，不应沿软管根部弯曲，不应有死弯等现象。

3、非金属膨胀节

在船舶上许多机械设备与管系的连接不需要强制性安装金属膨胀节，特别是在通风系统中，如生活室内小型风机，分油机间风机以及空调机室内空调的进风口等，因为其管内压力不高，对管系密性要求也不是太高且风机端面是圆形的，而连接的风道是矩形的，这种连接我们称之为天圆地方连接。如果安装金属膨胀节，首先这种特殊形式的金属膨胀节难以制作，其次更难以安装，更是增加了造船成本。在这种情况下所以我们可以安装非金属膨胀节（由一对法兰及防火非金属多层织物组成）。与传统金属波纹管相比，它避免了金属件连接产生的硬性力传递，消除了管路振动，解决了通风机热胀冷缩的补偿量的问题及金属件由于剧烈振动而难以避免的位偏移等问题，同时多向补偿，其能在较小的尺寸范围内提供较大的轴向、角向和侧向位移；无反推力，主体材料为玻璃纤维织物及其涂覆制品，无力的传递。消声减震，纤维织物和保温棉本身具有吸声减震的作用，能有效地减少锅炉、风机等系统的噪声和震动；采用有机硅、氟等高分子材料涂覆处理，具有优良的耐高温、耐腐蚀和密封性能；安装维修方便等优点使其应用更加广泛。

4、结束语

在将来的船舶建造中，越来越多的应力补偿措施及挠性连接方式将被采用，并随着科学技术的成熟及推广，更多的结构紧凑、补偿量大、无泄漏、耐腐蚀、寿命长、耐油、耐高压，便于安装、质量可靠等优点的产品应用于船舶行业中。

参考文献：

【1】章炜牛许正权.船舶管系工.国防工业出版社，2008年09月

【2】GB/T14525-93.波纹金属软管通用技术条件.1993年

作者简介：王康，1985.03 ，男，汉族，从事船舶及海洋工程检验工作，助理工程师