海事测量船舶管路减振降噪控制分析

2022-11-28孟铉博

航海 2022年6期

胥祺孟铉博严明

（1.交通运输部东海航海保障中心，上海 200086 2.交通运输部东海航海保障中心上海海事测绘中心，上海 200137）

0 引言

为了保证船舶正常的使用功能、性能以及船员生活条件，船体设置了各种管路设施。船上管路系统复杂，主要包括海水、淡水、滑油、燃油、启动空气、进排气、液压系统、空调系统等管路。海事测量船振动噪声及水下噪声指标要求比较严格，轮机专业设备和各种管路系统的安装应当充分考虑减振和降噪措施，保证船载设备的正常运行，并具有良好的工作和生活环境。

1 管路系统振动噪声传播途径

管路的构成和功能多种多样，但是基本由设备、管段、法兰、挠性接管、弹性支承件等组成。管路系统振动噪声传播途径主要有以下几个方面：

（1）通过管路连接的基座和减振系统传播。

（2）通过连接机械的管路法兰、管壁等结构传播。

（3）通过管路工作介质向进出口管路传播。

（4）通过管路支承和吊架传递到船体。

（5）管路机械和管路外壳辐射空气噪声。

以上几条传递途径通常不是单独作用而是相互影响的。

2 管路减振基本原则

管路振动噪声控制主要包含三个方面：

（1）管路系统振动噪声源控制。

（2）管路系统振动传递的控制。

（3）管系中流噪声和管口声辐射的控制。

所有的振动噪声控制，应在方案论证、设计、施工建造、安装和维护保养等各个阶段进行全过程控制。

2.1 振源的控制

泵、空压机等设备对管系振动影响很大，首先优先选择低振动设备。如设备已经选定，需要对振源设备进行振动检测，如果设备本身振幅超出了规定的要求，则不允许使用或者对设备本身采取改进措施，以达到规定的要求。同时，

还需考虑设备本身基座、安装以及设备与管路的连接，以避免由于基座设计、安装或者管路连接不当引起较大振动。

管系中的阀件、弯头、三通、变截面管、容器进出口等可以认为是广义的振源，也应采取一定的措施，降低引起的振幅，在系统配套选用时，应尽可能选用低噪声管路元件。

2.2 振动传递的控制

2.2.1 避免管路共振

管路系统的振动大小由设备的激励特性以及管路系统固有特性决定的，当管路连接的设备振动源确定之后，管路系统的固有特性将影响管路的振动响应。当管路系统的固有特性和振源的激励频率相同或者接近时会产生共振，引起剧烈的振动。在重要管路系统设计过程中应进行管路振动特性的计算，若产生共振，尽早采取改进措施，使管路系统的固有频率错开设备激励频率，避免共振的发生。

2.2.2 振动隔离

管系振动能量的传递有两个途径，分别是通过管壁进行传递和通过管内的流体传递。通常采取的措施是减小振动沿管壁的传递，采取挠性接管和弹性管夹隔离振源的振动。

2.2.3 管系抑振

管系的阻尼可使振动弹性波在传播过程中损耗，阻尼越大，弹性波损耗越大，阻尼处理可采用外包覆和内涂等方式。

2.3 管路流噪声及管口声辐射的控制

管路流噪声主要来自管系压力脉动、湍流噪声及空泡噪声，为了控制流体通道产生的水下噪声，须采取降低脉动压力、减小声传递、降低声辐射效率的措施。

减小压力脉动：对产生较大压力脉动的原因和传递路径进行分析，采取相应措施，如采用储液容器或压力衰减器，使达到通海口处的压力尽量小，储液容器或压力衰减器要尽量靠近振源设备，附近尽可能减少弯头。

减小声传递：改变管系声阻抗特性，降低振动能量传递。

降低声辐射效率：对管系的出口进行优化设计，合理确定出口的结构形式、方向、流速、材料等，使管系的出口声辐射效率降低。

3 管路系统布置基本要求

（1）管系应整齐、有规则地排列。

（2）管系布置应在正常情况下不会受到机械损伤，并防止被用作抓杆、扶手和台阶等用途。

（3）管系布置时，主要噪声源应尽量远离精密仪器室、报务室、实验室等对噪声敏感的舱室。

（4）支管接头的定位应使扰动最小，所使用的接头形式适用于系统的流动特性。

（5）管系的布置应考虑包扎绝缘层的厚度。

（6）敷设绝缘层的管系应避免布置在易泄露、冷凝、飞溅、潮湿的地方。无法避免的情况，应遮上外罩，以便防止潮湿影响绝缘。

（7）减振接管的布置应尽量靠近被隔振机器，一般要求减振接管直接接到被隔振机械所属系统进出口法兰上，如无法做到时，可以在机械和减振接管之间接入一段尽可能短的金属管。

（8）减振接管布置位置应便于维护保养，以便在减振接管损坏时更换。

4 管路系统安装基本要求

管路系统应通过弹性衬垫牢固地固定在船体结构上，固定马脚间隔应满足下述要求：直径100 mm以下的管径，固定马脚间距不大于2 000 mm；直径100 mm以上的管径，固定马脚不大于 2 500 mm；管路弯头应大于 90°。

（1）管系应安装成能够确保系统具有最佳的工作性能，严格限制其传递到舷外的结构噪声。

（2）安装前应仔细检查减振接管，发现接管的橡胶与金属之间存在开裂、分层或其他缺陷时，应更换接管。弹性接管应在规定的有效期内，方可进行安装。

（3）管路一般在 2～3 个肋位设置一个支承件，管子和支承件之间应有隔振隔声垫片。

（4）运行时发生强迫振动或其他不允许振动的管路，应增加支承件以消除这些影响。

（5）隔声、隔振安装的设备和管路之间应用挠性接管连接。

（6）支承件不允许安装在泵与减振接管之间，不允许安装在管路法兰的紧固件上。

（7）管路中的橡胶软管安装时应远离热源，避免急转弯和扭转。

（8）管路系统中应有足够数量的接头，保证每个接头都能看到和更换密封垫。

（9）管路系统中的压力表应安装在隔振设备的压力表板上。

（10）安装于压力表相连的管子时，应在靠近压力表的管段绕两个直径 60 mm 的圆圈。

（11）管路系统中的法兰之间及螺纹接头安装时应对中，不允许强制安装。

（12）装在管路上的减振接管与邻近管路或设备的距离一般不小于20 mm。

（13）安装减振接管时，若减振接管法兰螺栓孔与管道法兰螺栓孔在自由状态下不重合，严禁采用强制安装的方法，以免减振接管产生扭转。

（14）减振接管不承受管路和管路附件的重量。

（15）不允许在减振接管胶体上涂漆。

5 管路振动噪声控制设计

5.1 挠性接管

5.1.1 挠性接管选用的原则

（1）挠性接管的总刚度应与隔振器的总刚度相匹配，尽量使前者的刚度不超过后者的 1/4。

（2）挠性接管的布置应尽可能靠近设备进出口。

（3）与挠性接管相连的外部管路在连接端尽可能通过弹性固支和船体相连。

（4）挠性接管的位移补偿能力应与隔振系统的在船用环境条件下变形情况相适应。

5.1.2 橡胶补偿接管的联接

常用橡胶补偿接管安装如图1所示，两个橡胶补偿接管之间必须安装垫片。每个橡胶补偿接管应保证安装后长度处于自由状态或压缩不超过3 mm，不得拉伸状态下安装。海水、淡水管系法兰（船体）与橡胶补偿接管法兰应对中且平行，若有偏离应不大于1.5 mm，联接螺栓按要求拧紧。橡胶补偿接管的安装如图2所示。

图1 常用橡胶补偿管安装示意图

图2 橡胶补偿接管安装示意图

5.1.3 扣压软管路连接

扣压软管安装时须有一定的弯曲，但弯曲半径必须满足安装规定的要求。安装时，将扣压软管的球面与接头体的锥面对准后，旋紧管螺母，不得在球面与锥面没有对准时，利用管螺母旋紧时强行安装。

5.1.4 进排气波纹管的联接

常见进气补偿接管与船体系统进气管安装如图3所示，船体系统进气管法兰与设备顶部进气补偿接管法兰距离满足要求，两者轴向偏差不得超过 1.5 mm，径向若有偏离应不大于3 mm。外围管路安装到位，通过清洁度检查验收后，方可拆去柴油机装置进气管道密封挡板，将联接螺栓拧紧。安装时，需对进气补偿接管进行防护，防止损坏橡胶部件。

图3 进气补偿接管与船体系统进气管安装示意图

5.2 弹性支承

管路在舱内布置时，管路每间隔一定的长度应有支承结构。为减少通过支承结构向舱壁壳体的传递结构噪声，应在支承和悬吊结构处采取弹性垫层，厚度不小于12 mm，形成弹性支承，使管路至支承以及支承至舱壁壳在连接刚度上发生突变，即弹性垫层使支承刚度形成硬—软—硬的状况，以阻碍弹性波的传播。

管路弹性支承在必要时也可采用隔振器，隔振器的型号和参数可根据支承管路系统振动分析的结果来确定，即根据激励特性和管路系统的模态分析，选择的隔振器使管路系统的固有频率避开激励频率。

通常的管路弹性支承主要是隔离振动沿管壁的传播，忽略了管内流体流速的影响。当管内流体流速对管路系统振动影响较大时，弹性支承参数的选取还需考虑流速的影响。

5.3 弹性管夹

弹性管夹一般安装在甲板上，对于流量较大的管路常用的弹性管夹厚度至少12.7 mm 的橡胶垫，橡胶垫由邵氏硬度为40～50的橡胶制成。其余管子每隔适当距离装设带有耐油橡胶的管卡固定，以达到防振固定目的。

5.4 弹性吊架

对于排气管路、水管和油管等质量较大、脉冲压力较大的管路最好采用弹性吊架连接，一般安装在天花板以下。目前市场上有较多型号的弹性吊架，首先通过管路的振动特性选择合适的弹性吊架，避免发生共振，保证吊架强度前提下，橡胶尽量多一些，橡胶的硬度要合适，避免变形过大，达不到预期的隔振效果。

对于振动较大的管路如排气管等可以在弹性吊架处安装隔振器，隔振器选型要计算分析避免发生共振；弹性吊架安装时，检查橡胶的变形、弹性吊架的支承结构和橡胶的连接部件间隙，避免发生振动短路，同时排气管与甲板支承的位置采取隔振处理，如图4所示，采用弹性吊架的排气管不能进行刚性连接，焊接固定到船体结构。

图4 排气管弹性支承和弹性吊架图

具体的隔振形式、弹性吊架的选型、间隔距离等需要根据现场放样采用有限元计算方法得到。

5.5 排气波纹管的联接

船体系统排气管法兰与设备排气波纹管法兰对中且平行，径向偏差应不大于3 mm，轴向偏差应不大于2 mm，

超出偏差必须调整，不允许用排气波纹管变形（压缩、拉伸、偏离、扭转）的方法来调整管道的安装偏差，以免影响排气波纹管的正常功能，降低使用寿命和增加管系、设备、支承构件的载荷。船体系统的管道必须加以固定，排气波纹管不允许承受外力。如图5所示，排气波纹管承受了通风管的外力，为错误的联接方式。排气波纹管与船体系统管路联接如图6所示。

图5 波纹管的安装包覆示意图

图6 排气波纹管与船体管路联结示意图

如安装时需要焊接，必须保护波纹管的表面，防止焊接飞溅物烧伤波纹管，应用湿石棉布保护，同时对整个波纹管进行绝缘包覆。

进排气管与船上系统管路联接的安装方式为卡箍固定，橡胶软管套入金属硬管深度应为 60～100 mm。安装时，箱装体上的管路与船体系统管路必须对中，不允许橡胶软管扭曲安装。

5.6 穿舱管路的处理

在管路穿过舱壁时，管路和隔舱采用刚性焊接或刚性法兰连接后，再采用橡胶接管连接管路；管路穿舱减振接管可单个使用也可多个串联使用，一般单个橡胶接管长度选用50～200 mm，厚度为 8～10 mm，内径与安装接管相同，单个软管的隔振效果为3～5 dB。

对于某些流速较大的水管和排气管穿舱时不能焊接在舱壁或者天花板上，需要进行开孔并进行弹性连接。

5.6.1 通风空调系统

靠近风机处管路进出风口的法兰采用橡胶接管连接到管路中，在固定安装风管的结构处应增设隔振的环形橡胶垫，在管路穿过隔舱时，管路与隔舱采用刚性焊接或刚性法兰连接后，再采用橡胶接管连接管路。管路穿舱减振接管可单个使用或多个串联使用。一般单个橡胶接管长度选用5～20 cm，厚度为 0.8～1.0 cm，内径尺寸与安装管路相同，一般每个接管的减振效果 3～5 dB，双个串联减振效果 6～10 dB。

5.6.2 液压供油系统

液压供油系统的管路通常采用金属挠性接管或橡胶接管减小振动的传播，在泵组进出口及靠近隔舱处进行隔振处理。管路的支承结构处也必须增加隔振垫或环形橡胶垫，在穿越隔舱处管路一般采用刚性焊接。管路穿舱后一般采用单个或多个串联，单个橡胶接管选用长度 40～60 cm，厚度1～2 cm，内径尺寸与安装管路相同，减振效果随着压力变化，一般为 6～10 dB。

5.7 管路包覆

5.7.1 隔声包覆

管路采用多孔材料包覆，降低管道表面辐射噪声，同时具有吸声、振动阻尼的作用。将材料安装在管壁后，用薄层或者玻璃纤维布、胶带将其包住，材料的选用和厚度应根据管路频率而定。如果包覆的材料是无机纤维材料，为保持均匀的厚度、强度和刚度，覆层应予以缝拢，同时考虑防火绝缘要求。

在易磨损和机械损伤的地方，不应使用玻璃纤维绝缘外套；管子的覆层应该做到：不因受热或部件的运动而使覆层发生任何形式的损坏，降低减振降噪性能。所有外套应敷设牢固、整齐、平滑。

5.7.2 阻尼包覆

管道和支架连接处加设阻尼材料增强系统阻尼。

（1）阻尼图层采用浇注的方式进行施工，外表面应光滑平整，浇注厚度根据减振要求而定。

（2）阻尼带采用胶粘及缠绕方式进行施工，外表面带与带之间的连接处应密实。

（3）阻尼板采用压模加粘贴方式进行施工，同时考虑温度和外界环境的影响。

（4）与管路或舱壁接触的材料不应对管路材料产生腐蚀。

（5）所有外套应敷设牢固、美观。

6 特殊要求

对于海事测量船舶，振动噪声及水下噪声指标要求比较严格，船体水线以下外板结构连接的管路需要重点关注，尤其是直径较大的油水管路及直接排向海水的管路。对于水线以下舷侧外板直接连接的管路采用弹性连接，加强基座结构，避免管路产生的脉动激励直接传递到外板产生结构声辐射，具体的隔振形式和连接方式根据功能和现场放样确定。对于直接排向海水的管路采取降噪措施，避免高速、高压流体直接排向水下产生流噪声影响。