多荷載對艦船水下管系位移影響分析

董仁義，吳崇建，李志印

(中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064)

0 引言

艦船管系承擔著輸送各種流體介質的任務，特別是艦船水下管系，在設計時受到船體內部空間的限制，具有較為復雜的空間特性且距離長跨度較大，不同介質的管路往往布置較為緊湊。另外，不同介質的管系幾何尺寸、安裝固定以及工作壓力、使用工況各不相同，介質管系往往受到多個負載的同時作用。

多負載一方面是來自管系的固有物理特性，比如管路質量產生的重力荷載、輸送介質的溫度所導致溫度荷載、水下管系連同舷外具備初始壓力的管系內壓力荷載；另一方面是來自管路的使用工況。比如文獻[1]中，介紹了艦船液壓、疏水、海水冷卻等管系，由于流體流速較高、流量較大，在進行管路流體截至和開啟過程中，改變了流體的方向或速度，在慣性作用下，產生流體瞬變現象。流體瞬變產生的壓力增值荷載和時程壓力荷載，會使管道發生的劇烈強迫振動，使管系的位移產生變化。這不僅會與其他管系產生碰撞干涉，損傷管系的防腐、保溫、隔振層，更嚴重的是會造成管路與支撐結構表面產生微動磨損，使支撐剛度逐漸下降從而降低管系的固有頻率，當其與管系泵組的壓力脈動頻率接近或者重合，就產生流固耦合振動，進而影響整個管系的性能和降低設備的使用壽命，甚至可能導致艦船管系功能失效。

在對單一要素比如彎頭[2–3]、單一管道位移分析[4–5]、單一艦船系統仿真分析[6–7]和流體瞬變對管路激振分析[1]的基礎上，結合文獻[8]組合載荷對艦船管路的靜動態分析，本文建立一個典型的具有復雜空間走向和安裝固定特性的艦船水下管系，對不同載荷作用下的管系位移進行了仿真研究，分析了多荷載對艦船管系的影響。

1 艦船管系荷載類型及模型

艦船管系可能承受的荷載類型有，重力荷載：包括管道自重、防腐保溫阻尼層重、介質重等；位移荷載：包括管道熱脹冷縮位移、端點附加位移、支撐沉降等；壓力載荷：包括內壓力和外壓力；瞬變流載荷：如安全閥起跳或閥門快速啟閉時的壓力沖擊；兩相流脈動載荷；壓力脈動荷載；機械振動荷載等。文獻[1]進行了的艦船水系統水錘特性仿真與試驗研究，都是針對流體瞬變引起的動荷載。

本文選取的艦船管系是艦船水下連通舷外的疏水管路，在注水過程中具有重力荷載、熱脹冷縮位移荷載、壓力（內壓力）荷載，在疏水管系的應變分析中，這幾種屬于靜荷載。另外還有瞬變流荷載，是偶然性動荷載，其瞬時壓力值（Pressure transient）和壓力增值（Pressure Rise）采用下式計算：

式中： ?p為管路瞬時壓力值和壓力增值； ρ為流體密度；a為流體內聲速； ?ν為閥關閉后流體流速的變化值。另外，流體內聲速由下式來計算：

其中： ρ為流體密度；K為體積模量；E為管材的彈性模量；D為管路直徑；e為管路壁厚。當 ?p作為壓力增值的時候，本文將其用于管系增加的內壓力荷載。

2 管系仿真模型

2.1 管系描述

某段典型的艦船空間管系的走向如圖1 所示，管系模型各個節點的編號和坐標如表1 所示。管路公稱通徑300 mm，實際外徑為323.85 mm，壁厚為9.525 mm，最小屈服強度為206.84 N/mm2，管材密度7 833 kg/m3。A00 點和A18 點固定，流體假定為海水，密度為1 028 kg/m3，由A18 點流入，沿管路至A00 點，同時在圖2 中標注出各管點的標號和管路的長度。在管系點A00 處有一管路截至閥，A00 點截止閥突然關閉將產生沿管線傳遞的壓力沖擊波。

圖1 典型艦船空間管系Fig. 1 Typical space pipeline

2.2 管系固定方式

圖2 中結合艦船管系的特點，給出了管系的固定方式，包含固定支座和移動支座，剛性支座和彈性支座。節點A00 和A18 為固定座，A01，A04，A05，A08，A09，A13，A15，A17 為垂向限位支架（vertical stop），限制管路上下移動與管路上下的間隙為0；A08 和A09 是彈簧吊架（spring hanger），A12 和A14 是導向支架（guide），限制管路的徑向運動與管路上下左右的間隙為0，允許管路的軸向移動。

表1 典型艦船空間管系算例節點坐標Tab. 1 Point name and coordinate of space pipeline

圖2 艦船空間管系的固定方式Fig. 2 Fixed style of the space pipeline

3 不同荷載對管系位移作用仿真

空間管系固定時，已將支座與管系間隙設置為0，并且不考慮摩擦力的作用，進行靜力荷載分析時忽略了系統中所有非線性約束，進行靜荷載的線性分析。本文的靜荷載包括重力荷載（GR）、溫度荷載和內壓力荷載。在本算例中，由于在艦船疏水管路工作時，介質的溫度變化不大，并且初始設定為20 ℃，由溫度變化引起的熱脹冷縮導致的管系位移變化非常小，也可以忽略。初始的內壓力載荷設定為水下10 m，管系內海水靜壓為0.1 MPa。當關閉A00 處的管系閥門，瞬變流產生壓力增值 ?p，在確定內壓力荷載時，考慮壓力值P2為 ?p加上初始靜壓0.1 MPa 后的值，流體瞬變產生的動荷載的時程分析過程中的位移用代號M1表示。

管路的位移特性分析如圖3～圖7 所示，前8 階振動頻率見表2 所示。

表3 給出了管系節點在不同荷載下的沿坐標軸位移值，GR+P2和GR+M1是為了方便對比分析所做的代表性的位移疊加，分別表示最大的靜力荷載所產生的位移，重力載荷與動荷載所產生的位移。

圖3 重力荷載作用下的管系位移（GR）Fig. 3 Pipeline displacement under gravity（GR）

圖4 內壓力作用下的管系位移（P2）Fig. 4 Pipeline displacement under inner pressure（P2）

圖5 流體瞬變動載荷下的管系位移（M1）Fig. 5 Pipeline displacement under fluid transient（M1）

圖6 重力荷載和內壓力疊加作用下的管系位移（GR+P2）Fig. 6 Combination displacement of gravity and inner pressure（GR+P2）

圖7 重力荷載和流體瞬變動荷載疊加作用下的管系位移（GR+M1）Fig. 7 Combination displacement of gravity and fluid transient（GR+M1）

表2 管系模態頻率計算結果Tab. 2 Modal frequency result of pipeline

表3 中所示的管系各個節點的位移數據與圖3～圖7 對應。節點A00 和A18 為固定座，圖表中所示3 個方向的位移均為0；A01，A04，A05，A08，A09，A13，A15，A17 為垂向限位支架，圖表中所示的Y方向的位移為0；A12 和A14 是導向支架，圖表中所示X和Y方向的位移為0。限制管路的徑向運動與管路上下左右的間隙為0，允許管路的軸向移動。在本算例中，可以看到流體瞬變所產生的動荷載是引起管路位移變化的最主要的因素，這與實際情況相符，證明對于管路振動特性的仿真可以作為管路設計參考。

4 結 語

艦船管系在工作過程中受到多荷載的作用，通過建立典型的空間管系，分析不同荷載對管路位移的影響。針對工作過程中介質溫度不高，溫差變化和初始工作壓力較小的管系，溫度變化導致的熱脹冷縮和初始內壓力荷載引起的位移變化相比動載荷引起的位移變化，可忽略其位移影響，管系位移主要是動載荷造成的。

表3 管系節點在多荷載下的位移Tab. 3 Pipeline displacement under multiple loads

續表3

艦船水下管系流體瞬變引起的管系壓力增量遠大于管系靜水壓力，有必要作為內壓力靜載荷進行位移影響分析，特別是其擴展應用至材料剛性較小、結構呈薄壁幾何特性并且工作介質溫度極高或溫差范圍大的工業管系。多荷載對艦船管系位移影響研究方法和結論，需要全面考慮對管系設計因素，結果對于設計艦船管系空間管路設計有一定的指導意義，后續可以進一步考慮其他因素，比如高溫、高壓、蒸汽介質、管系恒定或周期的受力，支座和管系的非線性分析等來豐富荷載類型。