横向补给用高强度张力软管设计研究

郭 奎， 黄海波， 王 琦

（92942 部队， 北京 100161）

0 引言

自19 世纪末航行补给出现以来，海上航行补给经历了从单一液货补给到综合补给，从纵向补给到横向、垂直补给的多次重大改进。 1944 年发明了跨索法横向加油、1953 年研制出了平衡重锤张力补偿装置、1957 年确立了综合补给思想， 随即出现了自动传送补给系统（FAST），上世纪70 年代中期，开始采用FAST 系统的改进系统—标准横向补给装置（STREAM），90 年代以来，围绕着进一步提高补给海况和补给速度、减少作业人员等需求，发达国家海军又开展了张力软管法补给装置、 航行自动对接装置等新型补给装备研究[1]。

美法海军研制的新一代张力软管海上补给系统，由200 英尺（61m）2.5 英寸（63mm）张力软管、液压泵、电动机和控制系统组成，取消了原来的吊杆柱和跨索，可明显减少设备重量和所占空间。 海上试验表明，接收船只需3人负责牵引张力绞车释放的跨海合成索具， 节省了大量人力。

采用张力软管法进行海上补给作业对软管的强度有很高的要求， 由于省去了传统液货补给装置的吊杆柱和跨索，要求软管在没有辅助支撑装置的情况下，能够保持自身形状和结构，完成液货的传输和补给；由于海上补给作业环境恶劣，海水的腐蚀，使得软管的性能和使用寿命大打折扣；在补给作业时，由于海况的变化，并行的两船之间的距离会发生很大的变化，这就要求两船之间保持较远的距离， 对软管的强度和自身形状的维持要求较高；同时，在补给过程中，由于海况变化，两船之间的距离突然变大并超过软管的长度时，会使两船相互拖拽，发生危险。

因此，研究一种新型的张力软管，能够大大提高软管的抗拉、抗压强度，不需要跨索仍能保持完整的工作形状；提高软管的抗腐蚀性能，延长软管的使用寿命，并使得在发生紧急情况时，两船能够迅速解脱连接。

1 张力计算分析

1.1 作业时软管张力计算

1.1.1 软管放出长度

补给作业时站到站的距离为35～45m，计算时按最大45m 计算，允许的补给站错位角最大30°，根据论证报告，站的高度差约2.0m，软管的下垂为3.0m，接头和环性拉缆的长度约0.5m，工作状态图，见图1。

图1 软管工作状态图

软管曲线按悬链线进行简化计算，软管长度为两挂点悬链线弧长与环型拉缆的长度的差，经计算两挂点悬链线弧长为52.5m，所以软管的放出长度为52.5-0.5=52（m），即软管的最大放出长度为52m，以下计算均按52m 计算。

1.1.2 受力分析

软管作业时所受张力F 主要由以下几种力合成：

（1）放出输油管及接头自重W管。

（2）放出输油管中油重W液。

（3）风对输油管的作用力FW。

（4）空气阻力Fk。

（5）输油管与导向喇叭口间的摩擦力Ff。

考虑到两船静止状态下进行输油作业， 风对输油管的作用力、空气阻力、输油管与导向喇叭口的摩擦力Ff要远小于前2 种力，故忽略不计。

张力软管补给时的结构近似于悬链线结构， 故在此按悬链线计算。 为计算方便， 将输油管的形状视为抛物线，并按均布载荷计算，受力如图2 所示。

横向补给时，软管横跨两船，由于其自身的重力以及输送液体的重量等因素，软管将产生一定的下垂， 如图2 所示，软管的下垂距离h 与软管的张力有关， 张力F 越大，下垂距离h 越小，越利于补给作业。 但是张力增加，对两舰船的操纵性、装置的功率和强度都不利。 下垂距离h 增加，软管距离水面距离减小，一旦软管进入水中，由于水的阻力远远大于空气的阻力，软管的张力将急剧增加， 所以优化设计张力F 和下垂距离h的关系是软管设计的关键技术。 软管张力与下垂距离的关系如图3 所示。

图2 悬链线受力示意图

图3 软管张力与下垂距离的关系

1.1.3 张力计算

根据悬链线方程可知

式中：w—单位长度载荷；r—两补给柱间距离（跨度）；f—矢度（放出输油管中央的下垂度）而

已知：w管—输油管单位长度质量，w管=3.0kg/m；d—输油管内径，d=0.077m；γ—油料密度，γ=850kg/m3。

经计算，长度为52m 时，得出表1 所示结果。

表1 输油软管张力

1.1.4 不同长度下的软管张力分析

将软管一端固定在拉力计上， 一端用钢索连接通过定滑轮采用手拉葫芦施加拉力，测出不同张力下的软管下垂距离，从而计算出不同垂度下的张荷比，见表2，根据计算和试验的结果，当跨距为50m，垂度为2～2.5m 时，张荷比为2.5～3.3 之间[2]。 设计时采用3.5 进行设计和计算。

表2 软管不同垂度下的张荷比

目前，张力和垂度的关系没有精确的计算方法，对于横向干货补给系统，一般选择张荷比（钢索张力与传输载荷的比值）为3～5，液货补给为多点悬挂，一般也按干货补给的参数进行设计， 对张力软管这样的均匀载荷没有计算方法，如果系数选用小，影响补给作业的安全性，系数选用过大，将增加装备的质量、体积和系统的功率。 对于均匀载荷，当其挂接在两个挂接点时，其形状更接近悬链线，所以采用悬链线理论进行近似计算[3]，并设计试验方法对计算结果进行验证（图4）和修正。

图4 张力测试方法

补给作业时站到站的距离为35～45m，允许的补给站错位角最大30°，不考虑站的高度差，则软管的最大放出长度为：L=45/cos30°=52.0m。 即软管的放出长度为35m～52m。

软管垂度按2～3m 选取，张重比系数k 分别取2.5 和3.5。 补偿时，当软管张力小于该放出长度时的3m 垂度张力值时收软管，当软管张力大于该放出长度时的2m 垂度张力值时放软管。 如当软管放出长度为45m（进行检测）时， 当软管张力小于9866N 时收软管， 当软管张力大于13812N 时放软管。 横向补给时软管在补给作业过程中受到的最大张力约为F=16.0kN。

1.2 软管结构

并行的两船补给时， 要求软管既要具备较好的柔韧性，又要满足软管的抗张力、抗拉力及轴向和径向的形变要求，因此软管设计为内胶层、骨架层（内胶保护层、高抗拉夹布层、钢丝螺旋层、缓冲层、夹布层）和外胶层的结构形式。

内胶层：输送液体介质（如油料、淡水等），对所输送的介质具有抗燃油污染性、水质无污染性、密封性。

骨架层：支撑软管的结构，承受工作压力、张力。由纤维层、金属螺旋层（在张力软管的生产过程中可以根据具体的强度要求增减纤维层的数目或添加需要的功能纤维层）构成。内胶层保证由弹性体的橡胶到刚性体结构的高强纤维和金属丝的无缝过渡与粘结， 使之成为结构完整的统一体，提高产品的整体性能；纤维层采用0.8mm 厚的FC300 型（6×8）纤维材料承受轴向拉力，具抗拉和抗张作用；金属螺旋层采用螺旋钢丝作支撑，承受径向压力，保证管体在正负压的条件下胶管的通径变化都在控制范围内。

外胶层：保护骨架层，对软管工作环境等损害具有抗耐性。这在航行横向补给中有很重要的作用，因海况较复杂，软管工作环境恶劣，如没有外胶层，软管将很快被海水腐蚀、风化，出现老化现象，影响张力软管的使用寿命。

软管结构图如图5 所示。

图5 软管结构图

1.3 橡胶软管性能参数计算

1.3.1 胶管耐压强度计算

式中：P爆— 胶管耐压强度（kgf/cm2）；i—夹布层数；Kb—胶布强度，65kgf/cm；D计1— 计算，8.24cm；D计2— 计算直径，8.84cm。

1.3.2 胶管轴向力（抗张力）计算

式中：P轴破—胶管耐压强度（kgf）；i—夹布层数；Kb—胶布强度（kgf/cm）；D计1—计算直径（8.24cm）；D计2— 计算直径（8.84cm）；P压—工作压力（kgf/cm2），则

1.3.3 接覆张力设计

接覆采用层与层之间套接， 并覆一层高强力中间胶片实现布层之间相互张力的传递与延伸。

式中：P破张—接覆段最大张力（kN）；σ—胶料强力（80kgf/cm2）；b—套接宽度（4cm）；D计2—计算直径，（8.51cm）；η—综合修正系数（0.6～0.8）。

则P破张=51.3kN

软管接覆张力为17.1kN， 小于管体单体张力17.5 kN，故最小张力应为接覆张力17.1kN。

由以上计算可以看出，设计计算值远大于设计要求，设计的张力软管能够满足使用要求。

2 结论

新研制的张力软管在骨架层中添加纤维层和金属螺旋层，提高了软管的结构强度，在海上补给过程中省去高架索等辅助支撑装置，简化了液货补给装置的结构，极大提高了作业性能， 能够满足海上航行横向油水补给的要求，可解决两船航行期间在无高架索状态下的横向液货补给。