外径D(mm) 8~10 12~20 25~44.5 50~76.1 88.9~108 133~159 193.7~267 273~470 508 最小公称壁厚δ(mm) 铜 1.0 1.2 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 铜合金 0.8 1.0 1.2 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 注:①外径和壁厚的数值取自ISO标准;
②若按其它标准选取管径,管子壁厚可允许适当减小。 2. 黄铜管
黄铜管的特点是抗海水及空气的腐蚀能力很强,而且有很好的导热率,但由于冶炼困难产量少,价格较贵,一般只用于热交换器的管束及通话管。 黄锅管系由H62、H68、锡黄铜HSn70—1、HSn62—1、铅黄铜HPb59—1、铁黄铜HFe59—l—l等拉制或挤制而成,黄铜管在加工过程中也均应首先进行退火处理。 (三) 双金属管
所谓的双金属管是指管壁由两层不同的金属组合而成的管子,即外层为10号优质碳素钢,内层镀有0.6 ~0.8 mm厚的T4号铜制成, 管子的外径D为6 ~ 70mm,壁厚δ为1.5~6mm,管长L为3~7m。
这种管子具备了钢管和紫铜管的双重特点,即有较高的机械强度,又有较强的耐腐蚀能力,因此,它一般专用于高压空气管路,常用于舰艇上。这种管子加工较困难,因钢和铜的溶点、机械性能都不同,所以最好采用冷弯工艺。 (四) 铝管
铝管是拉制或挤制而成的无缝管,一般船舶铝管由硬铝合金拉制而成。主要优点是重量轻、耐腐蚀、塑性好、易加工,常为一般轻型快艇所采用。由于其机械性能不及铜管,只适用于低温、低压的场合,如燃油管、滑油管、冷却水管路等。
常用的铝管牌号有LF2-M防锈合金铝、LF2、LF21、LYll、LYl2等。这种管子即可冷弯、也可热弯、冷弯前需经退火处理。 (五) 塑料管
塑料管一般由耐冲击聚氯乙烯制成,它具有重量轻,比目前船上常用的任何一种金属管都轻,耐腐蚀性能强,还具有摩阻小、绝缘、隔音、吸振、耐磨、绝热和不需油漆,加工与安装工艺较简便等优越特性,但是也存在着强度低、耐热、防火性能差、膨胀系数大,易老化,破损不易修补,焊接温度不易控制等缺陷。所以,目前这种管子仅用于工作温度在-0℃~+60℃,工作压力小于0.6MPa的管系中,如甲板排水、污水、洗涤水、空气管等。随着塑料管的材料性能不断改进,制造工艺的不断完善,必将会获得广泛的应用。 (六) 钛合金管
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钛合金是问世不久的新型材料,用这种材料制造的管子优于无缝钢管和紫铜管所具备的特性,且又克服了无缝钢管耐腐蚀性差、紫铜管强度低的问题,但由于其价格昂贵、规格较少,所以,它目前的应用只局限于舰艇上某些特殊的场合。
二、管子的选用原则
管子的选用主要应遵循保证使用要求、工艺要求及降低成本等三个方面的原则。 (一)使用要求
使用要求主要是指管系对管子的机械强度、刚度、尺寸大小、重量、抗腐蚀能力,耐热性等。不同系统中的管子除要满足管内流通的工作介质在压力、温度、流量、抗腐蚀等要求,还应考虑是否受水击、振动等外界环境条件。 (二)工艺要求
选用管子在满足使用要求的前提下,还应达到弯曲、焊接、安装、维护保养、检修等方面的工艺技术条件。 (三)经济要求
在选用管材过程中,应在考虑使用要求和工艺要求的同时,还要防止大材小用,优材劣用。在符合使用要求的前提下,尽最大努力降低船舶的建造成本,在船舶设计阶段是实现这个目标的最佳时机。
综上所述,管子的选用需要考虑各方面的要求,但是在许多情况下,选出同时满足上述各方面要求的管子,也是很困难的,因此,首先要抓住主要矛盾,即满足工作介质的压力、温度和腐蚀性对管子的要求,而兼顾其它方面的要求,在此基础上,最后按照有关规范和标准进行,尽量减少规格的数量和不常采用的规格牌号。
第三节 管路计算与质量检验
管路计算主要根据管系中所输送的工质、流速、温度、压力等参数,确定其管径和管壁厚度。 一、管径计算
管径是根据管内流体的流速和流体流经管子的能量损失来决定的。在流量一定的情况下,管径主要取决于管内流体的流速。用下式计算:
d?0.0188qv?0.0188vqm (2-1) v??式中 d——管子内径,m;
qv——流体的容积流量,m3/h; v——管内流体的流速,m/s; qm——流体的质量流量,kg/h; ρ——流体的密度,kg/m3。
选定合适的流速是十分重要的。流速过小,管径变大,各种管路附件的直径随之变大,从而使整个管系的重量增加,并使初投资增加。如果流速过大,虽然可使管径减小,但流体在管内的能量损失增加,甚至超过所允许的范围而影响工作。
管内流体的流速依据管内的能量损失或管子的腐蚀程度而定。前一种方法主要用于蒸
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汽动力装置的蒸汽管路、凝水管路、给水泵的吸入管路、油泵吸入管路等。后一种方法则考虑海水管路的腐蚀、给水管路阀体阀座的腐蚀等。在实际应用中,常推荐的管内流速,见表2-5。
表2-5 各种管内流体流速
管子名称 海、淡水管路 锅炉给水管路 燃油吸入管路 滑油吸入管路 滑油压出管路 压缩空气管路 蒸汽管路 腐蚀速度见表2-6。 表2-6 不同材料管子的腐蚀速度
管子材料 碳钢(10号、20号) 不锈钢 双金属 铜 铜镍合金 工作介质 滑油、燃油、空气 滑油、淡水 滑油、空气 滑油、空气、淡水 海水 海水 管壁腐蚀程度(mm/年) 0.1 0 0.1 0.1 0.15 0.1 压力(MPa) 0.1666~0.294 2.45~2.94 ≤3.92 流速(m/s) 0.5~1.5 <2.5 0.1~1.0 0.15~1.5 0.25~2 12~15 20~40 备注 常取2 管径为15~150mm
二、管子的壁厚计算
管壁的厚度对于其能够承受工作介质的压力大小,起着决定性的作用,下面简单介绍管子壁厚的计算公式及有关几个常用的压力概念。 (一)压力概念
(1)压力:单位面积上所受到的正压力称为压强,工程上习惯把压强称之为压力。 (2)公称压力:是指管子、附件等在0℃时所能承受的压力,它没有考虑温度对金属强度的影响。公称压力用字母“PN”表示,其后标注压力数值。
(3)工作压力:是指一定温度的液体或气体在工作状态下允许通过管子的压力。工作压力用字母P表示。
(4)强度试验压力:是指对管子和附件等作强度试验的压力称之为强度试验压力,用字母PS表示。
(二) 管子壁厚的计算
各管系输送不同介质,它们的内壁受不同的压力、流速、和温度的作用,计算时必须保证管子的必要强度,并按“钢质海船入级与建造规范”有关规定公式计算: 受内压的管子,其最小壁厚:
???0?b?c (2-2)
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式中 δ——最小计算壁厚,mm;
δ0——基本计算壁厚,mm,计算见公式2-3; b——弯曲附加余量,mm,计算见公式2-4; c——腐蚀余量,mm,
对钢管:可查表2-7
表2-7 钢管腐蚀余量 管系用途 过热蒸汽管系 饱和蒸汽管系 货油舱蒸汽加热管系 锅炉开式给水管系 锅炉闭式给水管系 锅炉排污管系 压缩空气管系 液压油管系
对铜管:对铜、铝黄铜和镍含量低于10%的铜镍合金,c = 0.8mm;对镍含量为10%及以上
的铜镍合金,c = 0.5mm;对介质对管材不产生腐蚀者,c =0。 基本计算壁厚 δ0按下式计算:
腐蚀余量c mm 0.3 0.8 2.0 1.5 0.5 1.5 1.0 0.3 管系用途 滑油管系 燃油管系 货油管系 冷藏装置制冷剂管系 淡水管系 海水管系 冷藏货油盐水管系 腐蚀余量c mm 0.3 1.0 2.0 0.3 0.8 3.0 2.0 ?0?pD (2-3)
2[?]e?p式中 δ0 ——基本计算壁厚,mm; P ——设计压力,MPa; D ——管子外径,mm;
[σ] ——管子许用应力, Pa;
e ——焊接有效系数,对无缝钢管、电阻焊和高频焊钢管及铜和铜合金管取1,
其它方法制造的管子,另行考虑。
从上面计算可以看出,壁厚δ与工作压力成正比,即工作压力值越大,其壁厚也就随之增加;壁厚与许用应力[δ]成反比,由于许用应力与工作介质的温度也是成反比的 ,所以壁厚值δ与工作介质的温度成正比;工作介质的腐蚀性大的,则c值增加、相应的壁厚δ值也增加,这就说明,在选用管子时,主要考虑工作介质的压力、温度和腐蚀性三个要素。
三、管子的质量检验
用于船舶的管材除化学成分和机械性能必须符合国家和各部颁发标准外,根据需要还应作一些必要的质量检验,主要有外观质量和内在质量两大项。
外观质量检验的内容有管子的内外壁表面是否有裂纹、针孔、气泡、划伤、夹渣,起
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皮及蜂窝状锈蚀坑等,如有上述现象之一者就应列为不合格的管子不能使用。因为在管子上存在裂纹等上述缺陷的部位其强度就会大大降低,也就意味着管子的使用寿命缩短。 管子的内在质量检验项目有弯曲、扩口、翻边、压扁、氢病(铜管)等试验。 (一) 弯曲试验
管子弯曲试验的目的,是为了测定管材弯曲成规定尺寸和形状的能力,试验可在弯管机上或用人工方法将管子均匀弯曲至试验角度,成形后其弯曲部位任何一部分的外径最小尺寸,都不应小于公称直称的80%。
管子外径在60mm以下时,须用冷弯方法进行试验,60mm以上的管子,冷、热弯均可,视试验条件而定,试样长度的确定,以能满足弯曲成按有关技术条件规定的弯曲半径和弯曲角度为准,弯曲角度一般取90°为标准.见图2-1所示。
图2-1 钢管的弯曲试验 图2-2 钢管的扩口试验 图2-3 钢管的翻边试验
对于有缝钢管,如果在有关技术条件中没有明确指出管缝的摆放位置,则可任意放置。 试样经弯曲后其检验标准是,如果在管壁表面上未发现裂纹即认为合格。 (二) 扩口试验
扩口试验的目的,是测定管子直径扩大到一定程度时所引起的金属变形的能力。扩口须在冷态下进行,做扩口试验的钢管壁厚不超过8mm,试样长度L=1.5D+50mm,试管两端应与管子中心线垂直,试验时,先将试管垂直放在平台上(带凸肩试验稳性好),然后将锥度为1/10的圆锥形芯棒压入试样管内,见图2-2所示。
有关的技术条件都规定了各种管子的扩大值,通常管子壁厚δ≤4mm时,扩大值取管子外径的8%~10%,管壁厚δ>4mm时,扩大值取管子D的5%~6%。扩大值计算公式:
扩大值?d1?d0?100% D (2-4)
式中 d1——扩大以后的钢管内径,mm; d0——钢管原内径,mm; D——钢管的原外径,mm。
检验标准是,除扩大值应符合规定外,钢管扩口后试样亦不得出现裂纹则视为合格。 (三) 翻边试验
翻边试验的目的,是测定管壁反折成规定角度时,管子变形的能力(一般只对D为30~59mm的管子作这种试验)。
翻边试验可用整根管子进行,也可截取方便试验的任意长的一段管子进行,试验可用圆头的小锤轻轻敲击翻边部分或用锥形心棒进行卷边。同样管子的试验端面与管子中心线
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