船舶管路布局优化方法及应用

余 波

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，江苏 南京 210015）

0 引言

管道在船舶操作的实践中起着重要作用，船舶管路不合理会造成空间资源的浪费,会增加维护成本。考虑到一般船舶的运行状态，优化方案和具体方法的应用具有重要的实际意义。管路分为保障航行的动力管路和保障运营的船舶管路，通过这些管路实现各类介质的按需流动，从而保障船舶的正常航行和高效运营[1]。

1 优化管道布局的具体方法

1）静态分析，指数字化建模的现有船舶的总体结构,并使用数字建模方法确保三维图形化管线系统的完善与合理。通过完善的结构模型，分析出此处管路的最佳布局方案。具体分析方法如下:综合分析法通过对管路系统技术要求,如管路系统的压力、材质、管径、连接方式、受力方向等,以及所处位置的结构大小、材质、强度要求进行综合研判[2]。通过分析方法,可以了解整体内部结构是否普遍存在不利于管路布置的弊端和可以采用的补偿措施，也可以得出管路布置的一些基本要求，如管道与管道之间的最大间距、可以采用的连接方式。通过此分析方法,可以进一步评估管道系统。分析该方法并比较管道系统的具体参数,如管道尺寸、布置空间、管路支架形式的选用等。借助数据能够实施具体操作的优化,以达到管路布置优化目的。

2）动态分析方法，目的是使用实验模拟方法验证管道的具体运行状态测量。一般来说,管道设计有科学的标准,其组成部分有明确要求。管路系统仿真技术实验分析决定了实际管路的工作情况,如水、气和油特定启动/工作情况以及管路的振动、压力变形、水锤效应、结构变形等因素对管路布置造成的影响。利用软件模拟,能够准确计算出管路系统在工作时的实际工况，如受力分析、管路变形的趋势。根据实验和设计数据,能够判定动态和静态之间的差异性。如果差异性在允许范围内,则管路有效，不在允许范围内表示管路布局存在问题。根据具体结果,分析研究管道可能存在的问题,调整优化布局,从而达到优化管道布局的目的，进而保证管路在实际工作中的安全性[3]。

2 实际放样中管道布局优化方法

2.1 静态结构分析方法

通过设计软件将所需的设计内容进行精准的三维建模,管路总体布置的标准主要参数取决于船舶的管路前期策划设计。因此，仿真技术的具体应用不容忽视。以某型船管隧内的管路布置为例，结合船体结构、以及其他相关专业的设备布置，考虑到管子对结构强度的影响、管子的制作与安装方式以及后期的维护与检修经过综合考虑，策划形成的典型布置方案，如图1所示。使用三维软件进行设计建模后的模型，如图2所示。

图1 船体结构设计布设图

图2 船体三维软件设计建模

2.2 动态分析方法

获得管路总体布置方案后，结合实际工况,预判出管路的振动、受力大小、受力方向等影响管路系统安全工作的因素。同时也可采用专用的应力分析软件进行相关的计算，有针对性地做出相应的补强、完善。通过分析某型船压载系统一处弯头的受力变形趋势后，增加止推支撑的方案。根据以往的经验，此处弯头如果不加以限位固定的话，该系统工作时，此处弯头除了承受系统压力以外，还有旁边支管上阀门的启闭而引起的水锤效应将远远大于正常工作压力，进而造成弯头处严重变形直至破坏。船体船压系统变形，如图3所示。

图3 船体船压系统变形

所在生产单位的生产加工能力以及所设计船型管路的特性，这类问题也应给予重视。例如某40000 t级的成品油轮，双层底不设置管隧，压载舱内布置有多路大口径压载管，表面处理为环氧涂塑处理。按常规惯例分段间的管子合拢时需要设置合拢管进行调整，但出现以下问题：

1）调整管完成后会因分段合拢完毕无法出舱，也无法送至专门的涂装厂家进行处理。

2）人工在施工现场补涂，但是涂层品质不稳定，船东不接受。

经与船东协商后决定分段之间不再设置合拢管，在尽可能保证安装精度的情况下，出现的安装误差改为调节垫块处理。具体方法：一路管子在分段合拢处人为留出30 mm间隙，合拢后根据2块法兰之间的实际间隙加工调节垫块，如图4所示。

图4 实际间隙加工调节垫块

3 船舶管路优化布置的初步设计方案

船舶的管路优化初步设计方案是否成功，关系到后续生产设计方案过程的发展。因而，在强化管路布置时，要注意优化其初步设计方案，在实际运用中进一步提高整体布置的科学合理性[4]。船舶的管路设计方案主体包含：管路初步布置方案完成后，需要对管路系统进行细化生产设计，以保证整体总体布局的科学合理性。

生产设计方案主体包含：

1）结合原理图，确定目标设定的科学合理性，保证船舶管路统综合布置的科学合理设计方案；

2）在管路生产设计方案阶段，应融会贯通各种各样强化安全措施，强化资源配置，进一步提高管路详细设计方案的效率，降低设计方案成本；

3）管路系统的总体布局应满足可靠性、安全性、可行性、耐用性等需求。

静态分析法侧重于：1）管路设计时对结构强度的影响；2）空间的合理利用；3）对系统功能的基本实现。

动态分析法侧重于：1）管子的制作、安装过程的简便性；2）管路的安全性、可靠性；3）管路系统在日常运营中的可操作性、可维护性；4）在工作过程中防止其他因素带来的振动、高/低温、腐蚀、可能的机械伤害等对管路的损坏，进而采取补偿性/保护性的设计方案。

2种分析方法在设计的过程中可以有先后，但是并不完全独立，应该互相兼容、互相影响。在保证系统功能实现的前提下，结构的安全性和管路本身的安全性应该予以优先考虑。

4 管系设计优化的发展趋势

随着计算机技术的迅猛发展，现代造船工业系统将向智能化大方向建设，产品设计系统也在向智能制造的大方向建设。以往的管路功能优化布置还应遵从科技成果的技术创新，船舶管路布局的优化设计还需从适应智能化生产的方面进行研究，以适应流水线加工的需求、机器人加工的需求等要素。

利用设计软件进行三维建模已经成为主流船厂必备的设计手段，同时一些仿真管路应力分析软件的引进和运用也必然提上日程。通过科技化手段来代替依靠经验值或者实测后修改原有设计方案，无疑可以大大提高设计的有效性，并且能够降低建造中的修改成本。

随着新材料技术的发展，更多种类的非金属材料、非焊接连接的管材因其成本低、重量轻、施工维护简便等优点，越来越被船厂和船东所接受，随着逐步在各系列船型上的使用，范围有明显扩大的趋势[5]。原有的常规管路的设计标准是否还能满足新材料管路，非焊接管路的技术特性也是今后需要强化考虑的项目。例如比较常见的非金属类玻璃纤维增强树脂管（GRE/GRP）、聚乙烯管道（PE管）、聚氯乙烯管（PVC管）等，还有金属类的非焊接密封的薄壁承插管、机械卡压密封的管子，以及大规模使用“维特利”“斯特劳博”一类机械接头的管路。此类管子在设计时因特性化的差异，不能完全套用常规金属管路的设计思路。

从发展趋势而言，管路布置的优化设计开始的时间点应该前移，从技术规格书谈判的阶段，针对管子的选材、涂装的方式等要素，到影响管子安装方式的结构分段划分，再到可能会造成结构强度的破坏时，对典型结构的补强方案以及针对原理图中系统方案的优化意见等，上述设计阶段如能提前介入，对于后面的管路的优化设计过程是巨大的帮助[6]。

当然大量船舶管路设计经验的积累必不可少。通过长期的积累、统计、整理，进而形成相对统一的标准设计方案，不管是对于造船企业还是运营企业，都非常有利。

5 结语

从目前的数据和研究成果来看，船舶配管布设对提升船舶的具体运行有重要影响，对于船厂降低材料成本、人工成本有着巨大的帮助，对于船东降低运营维护成本也有着不可替代的作用。本文归纳了管路布置前期策划及生产设计阶段的一些思路、考虑因素及应用方法，为管系设计人员特别是新入行设计员的实际操作提供了一些帮助和指导，期望能够为提高船舶管路生产设计的学术性和系统性提供参考。