小谈船用玻璃钢管道支承间距计算
1、概述
船上应用的玻璃钢管道是以某种支承方式安装的。除了耐压等级和使用寿命外, 还必须考虑热应力热补偿, 以及管系支承等问题,其中支承间距的计算尤其关键,它牵涉到管系能否正常工作。因此,本文尝试从四个方面来考虑支承间距的计算。
船用玻璃钢管道是用管架、吊架、托架来支承的,两支承点之间的距离称为管道支承间距。间距计算是管路设计中的一个重要组成部分,间距过大将影响正常工作,反之造成投资费用增加。因此,在确保管道安全和正常运行的前提下,应尽可能地扩大管道的跨度。
船上的管系一般是隐蔽的(悬挂在上部或在甲板以下),也有暴露在外的(在舱内或走道旁),暴露在外的大管子(直径100mm及100mm以上的)应能承受一个人的重量,以满足工人登上管子进行操作之需要。
2、按强度条件计算跨度
在外载荷作用下,管道截面上产生的最大应力不得超过玻璃钢管的许用应力, 以保证管子强度方面的安全可靠。根据这一原则确定的管道跨度称为按强度条件确定的管道最大允许跨度。
把敷设在支架上的管道视为等跨连续梁。假设船用玻璃钢管沿轴向的许用应力为{Q},则管道的最大跨度为:
式中W-管道截面系数,
d-管外径,cm;
D-管内径,cm;
q-管道单位长度的荷重,包括管子自重、保温层重、介质重量,kgf/cm;
P-管道的内压,kgf/cm2;
t-管道的壁厚,cm。
连续梁边跨(尽端直管)支座上的弯矩要比中跨支座上的弯矩大, 此时有
在管道敷设中,除了管道末端的一跨为边距外,凡由于管道上安装了设备而破坏了管道连续性的地方,均应视为边跨,如图1所示:
图1管道的中跨边跨示意
3、按刚度条件确定跨度
一般情况下,管道在一定的跨度下总有一定的挠度,将其挠度限制在允许范围内,并由此确定的管道的跨度,称为按刚度条件确定的管道跨度。
船用玻璃钢管道敷设常有i=0.002-0.003或更大一些的坡度，管道的允许挠度值或：
根据前一种限制进行计算,可得
式中 ExJ-管子的抗弯刚度，
Ex-弹性模量，N/cm2,
i-管道的敷设坡度，
q-管道单位长度荷重，N/cm。
4、按环境振动频率确定跨度
管系的固有振动频率不能在重要振幅范围内的强制振动频率的附近, 这是环境振动确定支承间距的原则。由于船上的管系与泵等一些会产生振动的机械设备相联, 并且船舶在航行中也会产生振动,所以船上所用的玻璃钢管道的设计安装必须考虑环境振动原则。
均匀质量分布的梁的固有振动频率(主要振动形式),如装满水的玻璃钢管,可按下式计算
式中 fn-主振动的固有频率，Hz；
a-随支撑情况而变化的系数；
L-管道的支承间距，m；
E-弹性模量，Pa；
I-惯性矩，m4；
q-单位长度管子的重量，kg/m。
当管子两端为简支时，a=0.743（主振动形式）；两端为固支，a=1.69（主振动形式）。但是考虑管子支承系统包括橡胶衬垫，并且是半刚性的，a=1.22以代表简支与固支的平均值。
在24℃ 时半刚性支承,直径50 一300mm的船用玻璃钢管的固有振动频率是随其支承间距长度而变化的。结果如图2 所示。
当工作温度为82℃时,船用玻璃钢管的固有频率比室温时的数值要小9一14% ;当工作温度低于室温时,固有频率大于室温下的数值。
图2半刚性支承的玻璃钢管支承间距与固有频率的关系
5、考虑疲劳极限确定跨距
限制支承间距的另一个准则是关于管系本身能承受的最大加速度以及在这样的加速度下, 一个装满水的管系在安全疲劳极限内的应力作用下可以继续工作的可能性性。
匀质量分布的简支梁的最大弯曲应力。可按下式计算
式中 Qbmax-最大弯曲应力，Pa；
M-在均匀载荷的简支梁中间的最大弯曲力矩，N.m；
C-管道的外半径，m；
l-惯性矩，m4
q-单位长度管子的重量，kg/m；
l-支承跨距的长度，m。
图3一破璃钢管组件的循环疲劳性能
管系因船体结构的影响，会受到一个加速度的作用，所以弯曲应力Qb将正比于加速度，图3所示Qb-N数值管系，指出船用玻璃钢管达到疲劳极限值时的弯曲应力。考虑到材料的缺陷、装置本身操作上的不足，以及不可预见的原因，取安全系数为2。
在（6）式中，用疲劳极限下的弯曲应力作为式中的Qbmax，从而计算在一定加速度下的允许最大间距。采用这个间距将允许一个装满水的船用玻璃钢管在规定的加速度下持续使用到该船的设计寿命为止。
6、结语
以上四个原则, 可用于确定船用玻璃钢管系支承间距的要求,它们是相互关联的必须同时满足。
由于上述原则可以随船型与涉及的管道系统不同而有所变动, 所以对于最大支承间距的计算没有可以通用的特定条件, 还应该考虑其他一些相关因素, 以便管系能长时期正常运。
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