Ω型管路自然补偿的优化设计及应用

【摘 要】船舶内、外部的管路由于船体的弯曲以及管路温度的变化引起的伸缩，在相同受力条件下，运用材料力学和管子补偿工艺理论，对常用的Ω型管路自然补偿方式进行受力计算分析，提供适用性设计基准以及结合实船的优化设计，以减少受热膨胀产生的热应力，确保船舶管路的安全、可靠的运作。

【关键词】应力 自然补偿 优化设计 CAESARII模拟

【中图分类号】TU275.3【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0284-02

前言

在船舶建造、使用过程中，大多数压力管路都是在高于或低于其安装温度下操作的，加之流体介质或周围环境的温度变化影响，压力管路的热胀冷缩现象是普遍存在的。试验证明，以一根2m、外径273mm、壁厚为8mm、两端固定的碳钢直管为例，当温度由安装时的20℃升高到250℃后，由于管子变形受阻，在直管中将受到3536460N的压缩力，相应得压缩应力为531MPa。之所以会产生这样大的热膨胀力和热应力，主要是因为管子的热膨胀受到了阻止。为了保证安装后的管路在热状态下稳定和安全的运行，减少管路受热膨胀时产生的应力，利用管路自身的柔性吸收其位移形变的Ω型自然补偿方法，因其结构简单、运行可靠、投资少被多数管路设计广泛采用。

管路自然补偿的计算比较复杂，本文通过利用理论简化公式和图表，对于Ω型管路进行受力比对分析，总结出适用于实船管路优化布置的设计基准，并运用管路应力解析程序在计算机上进行模拟论证，以证明优化设计具有实际的指导意义和可行性。

1 非补偿管路与补偿管路的差异

1.1 管路伸缩量的设计基准

设计基准：由船体偏差引起的伸缩量+由管路温度变化引起的伸缩量。

船体偏差引起的伸缩率：

K： 经验系数（一般约0.1） D： 管子直径

分析：在固定点间的管长（L）、管径（D）一定时，理论上弯管臂长宽度（B）越长，应力比越小，管路应力越小，补偿的效果越好，而在实船设计过程中，管路的布置受空间限制的条件下，B值应当考虑其合理性。在D、B值一定时，缩短L的长度，即减小固定点的间距也是一种提高管路补偿能力的方法。

2 Ω型管路自然补偿的优化设计计算与分析

Ω型管路自然补偿[4]：又称为方形管路补偿，是由同一个平面内四个

图1 Ω型补偿管路典型图

参照Ω型管路参数（表1），通过方案1和方案2的计算与综合分析，得出Ω型管路：

① U=20000 Ⅰ型 a=2b 普通管路 B普通/液压≥465，蒸汽管路B蒸汽≥2320，计算应力均满足要求且利于管路综合布置；

② 设计许用应力基准[5]：普通、液压管子13Kg/ mm2蒸汽管子10Kg/mm2；

③ B值设计基准：普通/液压管子/蒸汽 10D以上（D：管子公称通径）；

A值设计基准：A=2B-2R （R：弯曲半径）。

3 Ω型管路补偿优化设计最佳方案及软件模拟验证

实船设计模型

（固定点或导架支点对称均布）

4 结束语

通过实船管路的计算分析和模拟验证，本文得出的Ω型补偿管路的优化设计基准兼顾一定的经济性、适用性和可操作性，为今后各种船型船舶上Ω型管路优化设计和实际应用提供了技术支持，对船舶建造质量的提升具有深远的意义。

参考文献

[1] GB 150-1998钢制压力容器[S].

[2] 欧贵宝，朱加铭.材料力学[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 2003，（1）.

[3] SH/T？3041-2002石油化工管道柔性设计规范[S] 附录D.

[4] 胡忆沩，李鑫.实用管工手册 第二版[M].北京：化学工业出版社，2008，（1）：947～949.

[5] 唐永进.压力管道应力分析 第一版[M].北京：中国石化出版社， 2003（11）

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