铺管架安装铰链轴设计优化简析

铺管架安装铰链轴设计优化简析

许嘉

（南通中远船务工程有限公司，南通 226001）

摘要：铺管船是应用于海洋油气开发中管道铺设的特种船舶之一，南通船务曾经改装和建造多个项目。其中，铺管架建造是铺管船建造的重要内容，其施工进度和质量甚至影响到项目的整体进度和交付。本文简要介绍某改装铺观船尾部连接铰链轴优化设计。

关键词：铺管船；铺管架；过盈连接

前言：

铺管架通常通过类似铰链的机构和船体结构连接，铺管架自身的重量和工作负荷都是通过这个铰链传递到船体结构上面；这个项目是一个改装工程，基本设计是船东方委托的国外设计公司。

原始基本设计中，铰链轴与耳板连接方式为焊接，如图1所示。轴-件号4，材质30CrNiMo8；耳板材质为EN10025标准S355J2。

图1 原始设计耳板和轴连接方式

参考国际焊接协会对于碳当量的推荐公式Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

S

作者简介：许嘉（1980-），男，工程师；

研究方向：船舶与海洋工程专业

E-mail: sugar@cosco-shipyard.com

355J2主要化学成分：C≤0.22，Si≤0.55，Mn≤1.60, P≤0.025, S≤0.025, Cu≤0.55；计算碳当量0.26。

30CrNiMo8主要化学成分：C0.26~0.34，Mn≤0.3~0.60, P≤0.035, S≤0.035, Cr1.8~2.2, Mo0.3~0.5,Ni1.8~2.2；计算碳当量0.8~1.02。

根据经验，当Ceq大于4%时，焊接接头淬硬倾向大，可能出现冷裂纹，焊接性能差，且两种材料碳当量差距较大，担心焊接后会过多产生裂纹；此时，船厂没有成熟的焊接经验，且主材为船东从国外采购，没有准备做焊评的余料，新请购焊评材料的交货期非常厂，不能满足项目的进度需要；常规来说准备焊评和进行相应的实验、测试周期也需6-8周时间，项目的总体进度并没有预留时间出足够的余量。

0 改进连接方式

基于原始基本设计给施工难度和周期方面带来的诸多不方便，结合船厂的实际生产能力，决定采用过盈连接的方案改变这个连接形式。所面临的问题就是原设计公司不再提供技术支持，所有分析和计算需船厂自行负责，并负责协调船东和船检。笔者受命负责这个改造的设计。

改进后的连接方式如图2和图3所示：

图2 改进后耳板和轴连接方式

图3 改进后耳板和轴现场照片

1 计算

1.1连接耳板轴受力分析

1.1.1根据管架重量等信息，当下放管架时连接耳板和轴单点受力169.1吨。

1.1.2摩擦阻力，钢对钢摩擦系数按照0.11计算，则作用在轴上的力为：

F=169.1*0.11=18.6 tons

1.1.3按照2倍的安全系数，则作用在轴上的扭矩：

T=18.6*1000*9.8*(250/2)*2=45570000 N.mm

1.2 传递载荷所需最小压强

Pmin=	2T	=17.58
	μπd d l

T，扭矩，N*mm，45570000;

d, 配合直径, mm, 250;

l, 配合长度, mm, 240;

μ, 配合面摩擦系数，0.07~0.16，取中间值0.11；

1.3零件不失效允许最大压强

1.3.1 包容件

Pmax2=	1-（d/d2）^2	δa	=161.47
	(3+（d/d2）^4)^0.5

Δa，材料屈服点 MPa ，355；

d2，包容件外径 mm，550；

d1，被包容件内径，mm， 0；

1.3.2 被包容件

Pmax1=	1-（d1/d）^2	δa	=177.50
	2

1.4 配合过盈 δ μm

1.4.1 最小计算过盈 δmin

δmin=

Pmin d (C1/E1+C2/E2)*1000

=54.05

C1=

1+(d1/d)^2

-V1

=0.70

1-(d1/d)^2

C2=

1+(d/d2)^2

+V1

=1.82

1-(d/d2)^2

E, 材料弹性模量, MPa, 205000；

v, 材料泊松比, 0.3；

C, 简化计算采用的系数；

1.4.2 最大允许过盈δmax

δmax=

Pmax d (C1/E1+C2/E2)*1000

=496.38

1.5 选择的过盈, 在计算值中间选择，配合公差带 μm

Ymin=55

Ymax=113

参照GB/T1800.4，极限与配合，标准公差等级和孔轴的极限偏差表

轴: φ250r6(+0.113/+0.084)

孔: φ250H6(+0.029/0)

1.6 轴、孔配合表面加工粗糙度选择

根据常规安装经验并提高机加工效率，配合面采用3.2，非配合面采用6.3。

2安装计算和评估

2.1 只冷却轴所需要的冷却温度

tc=	Ymax+Δ	+t	=-75.53
	αd*1000

α, 材料线胀系数，冷却, -0.0000085

Δ, 装配间隙，μm；

H7/g6最大值，当d>30时, 推荐90

t, 环境温度, 20℃

结论：用干冰冷却很难达到对冷却温度的要求；通常干冰的沸点为79℃。若用液氮冷却，冷却温度可以达到要求，但是做液氮冷却箱的难度远高于干冰冷却箱，且液氮冷却后的低温轴对于施工人员的安全防护要求较高。

解决方案：结合厂内的施工条件和现场环境，决定冷却轴的同时，加热耳板使孔扩大。

2.2干冰冷却轴并用加热毯加热耳板

为了获得更容易达到的冷却温度和加热温度，并考虑到施工人员的安全因素，筛选了几种温度组合后最终确定采用下面的组合，即保证计算结果可靠，又确保安全，同时给施工人员实际安装也预留了很大的安全系数。

2.2.1轴冷却到-40摄氏度的收缩量

Y1=60*αd*1000

= -127.50

2.3.2剩余装配量

90+113-127.5=75.5 μm

2.3.3 最小加热温度，℃

Th=

75.5/（αd*1000）+t

=47.45

α, 材料线胀系数，加热, 1.10E-05

2.3结论

为了获得合理的安装间隙，轴至少冷却至-40℃，同时孔板加热至50℃以上

3 轴机加工

3.1为了便于车间机加工，我们在工艺文件中向船东推荐分段加工轴的方法。轴机加工图纸如下：

3.1镗孔要求

当铺管架建造完成后，现场镗孔和加工耳板平面，镗孔φ250H6(+0.029/0)，孔内表面光洁度3.2。

4 安装工装和注意事项

4.1干冰冷箱，长1500宽1500高750，绝缘厚度 200mm

4.2安装时候定位工装

为了获得更加准确的安装定位，我们制作了简单的工装，可以根据图纸尺寸调整工装的位置以限制轴的插入尺寸。工装三维效果图如下：

5 结束语

这次改装优化设计，是我们针对冷装工艺从设计到施工的一次尝试，并说服船东船检接受新的设计；结合了厂里的施工条件并缩短了时间，减少了做焊评的时间和焊接的费用。现在改项目已经顺利交付，铺管架工作良好。