谷美邦，宋　劭，劉安漣，曹洪波

(1.海軍駐大連426廠軍代表室，遼寧 大連 116001；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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船用集成化供氧模塊技術(shù)

谷美邦1，宋劭2，劉安漣2，曹洪波2

(1.海軍駐大連426廠軍代表室，遼寧 大連 116001；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：考慮到氧氣以其助燃等危險(xiǎn)性對(duì)集成化供氧模塊的安全性設(shè)計(jì)提出了更高的要求，結(jié)合現(xiàn)代化船舶集成優(yōu)化的設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行集成化供氧模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)及裝艦技術(shù)分析，完成船用條件下集成化供氧模塊的維修性、安全性設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：集成化；供氧模塊；維修性；安全性

作為基礎(chǔ)性工業(yè)氣體，氧氣在大型船舶上的應(yīng)用越來越重要[1]?，F(xiàn)代化船舶設(shè)計(jì)按照集成優(yōu)化的設(shè)計(jì)思想，提出供氧模塊的設(shè)計(jì)概念，一方面，將以往分散的氣瓶、截止閥、壓力表閥、壓力表、減壓閥、高壓濾器、安全閥及泄放閥等供氧附件集成為一體，整體供貨和安裝；另一方面，按照區(qū)域?qū)σ酝稚⒌臍馄窟M(jìn)行集成，形成相對(duì)集中的供氧模塊，系統(tǒng)中高壓管路減少，安全性進(jìn)一步提高。與國外船舶上的氣體應(yīng)用技術(shù)水平比較，我國船舶上的氣體應(yīng)用尚有很大發(fā)展空間?，F(xiàn)代船舶對(duì)氧氣的需求量越來越大、品質(zhì)要求越來越高。同時(shí)，由于船舶上空間狹小，海上運(yùn)行環(huán)境還存在空氣濕度高、鹽霧腐蝕以及航行引起的振動(dòng)與沖擊等特定環(huán)境問題，給氧氣存儲(chǔ)、減壓、供給裝備船舶帶來了相當(dāng)大的技術(shù)挑戰(zhàn)。由于純氧的特殊理化性質(zhì)，在純氧環(huán)境下極易發(fā)生劇烈的燃燒[2]，氧氣以其助燃等危險(xiǎn)性對(duì)集成化供氧模塊的安全性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。本文主要以某型船舶供氧模塊為例，進(jìn)行集成化供氧模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)及適用性研究，包括模塊的組成與功能、關(guān)鍵技術(shù)、總體方案設(shè)計(jì)、模塊接口及性能參數(shù)及適裝性研究等。

1方案分析

1.1模塊組成與功能

供氧模塊由氧氣過濾器、氧氣瓶、充氧及放氣止回閥、充氧截止閥、瓶頭閥、總供氧截止閥、氧氣壓力表及其壓力表閥、氧氣安全閥、氧排氣截止閥、氧氣減壓閥、氧氣用壓力傳感器、氧氣用電磁閥、氧氣管路和管接頭、氣瓶組框架、控制臺(tái)及支架、電源轉(zhuǎn)換箱等組成。

由外部系統(tǒng)向氧氣瓶組充壓至一定壓力后，供氧模塊工作過程中能夠?qū)ν馓峁p壓而得的壓力可調(diào)的氧氣。出現(xiàn)超壓危險(xiǎn)時(shí)，可通過總排氣管道上的氧氣安全閥排放。當(dāng)發(fā)生故障或檢修模塊時(shí)，可先關(guān)閉氧氣瓶頭閥，打開氣瓶排氣截止閥通過總排氣管道排放。供氧模塊設(shè)置有氧氣壓力變送器、氧氣氣動(dòng)球閥和電磁閥，便于系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控以及應(yīng)急狀況時(shí)通過電磁閥對(duì)氣動(dòng)球閥進(jìn)行氧氣切斷控制。

將氧氣瓶分為兩組設(shè)計(jì)，可分組供氣、充氣。其中一組氣瓶充氣/供氣時(shí)，另一組氣瓶也可供氣/充氣。形成可相互獨(dú)立、又可聯(lián)合供氣的模式。每個(gè)小氧氣瓶組單元有一套獨(dú)立的測(cè)壓、充氣、安全排氣、主動(dòng)排氣、總供氣功能，確保檢修、故障時(shí)，總有一組小氧氣瓶組單元在工作，可將2組氣瓶間的故障隔離，提高供氧模塊的可靠性。

1.2關(guān)鍵技術(shù)

供氧模塊中高壓泄放管路與低壓泄放管路分開設(shè)置，在匯入泄放總管路前設(shè)置止回閥，防止泄放時(shí)氧氣在高壓、低壓管路內(nèi)互竄。供氧模塊具有人工快速泄放功能。供氧模塊具有防靜電設(shè)計(jì)(可靠接地)。要求氧氣瓶設(shè)計(jì)成可拆卸式，便于拆卸維護(hù)；氧氣瓶選雙頭瓶。

壓力顯示與主要操作閥件集成布置在同一控制面板上。每個(gè)小氧氣瓶組單元設(shè)置氧氣壓力變送器，可時(shí)時(shí)向外發(fā)送模塊供氧壓力信息，并留有氣動(dòng)球閥的控制輸入接口，以緊急切斷氧氣供應(yīng)。供氧模塊整體牢固，氣瓶、管路和附件按要求GJB4000-2000進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)、密性試驗(yàn)無泄露。允許同一壓力下壓力表、壓力變送器精度范圍內(nèi)的指示偏差。

為滿足氧氣瓶壓力容器的周期性檢驗(yàn)需求[3-4]，按狹小高度空間要求設(shè)計(jì)氣瓶組層高、合理設(shè)計(jì)帶活動(dòng)連接機(jī)構(gòu)的氣瓶組框架結(jié)構(gòu)以滿足方便拆卸的要求。進(jìn)行供氧模塊剛度、強(qiáng)度的力學(xué)分析校核，確保使用工況下力學(xué)環(huán)境的安全性、可靠性。

按照氧氣系統(tǒng)安全性要求[5]，嚴(yán)格工藝流程監(jiān)控、多余物控制、可靠接地等，確保系統(tǒng)使用維護(hù)過程的安全性。

1.3供氧模塊總體方案設(shè)計(jì)

供氧模塊系統(tǒng)原理見圖1、表1。系統(tǒng)功能流程如下。

1)O2充氣儲(chǔ)氣功能。開始工作前，Kg1、Kg2處于關(guān)閉狀態(tài)，Kj3～Kj11處于開啟狀態(tài)，Kf1～ Kf11處于關(guān)閉狀態(tài)，Kp1～Kp2處于開啟狀態(tài)，外部系統(tǒng)通過ZH1～ZH2、Kj1～Kj2分別對(duì)一組或兩組小氧氣瓶組單元充氣增壓，也可控制Kj3～Kj11進(jìn)行單個(gè)或多個(gè)氣瓶充氣增壓，當(dāng)氧氣瓶組增壓完成時(shí)，關(guān)閉Kj1～Kj2。

圖1　供氧模塊系統(tǒng)原理

序號(hào)代號(hào)名稱序號(hào)代號(hào)名稱1G1～G3氧氣過濾器7A1～A11氧氣安全閥2ZH1～ZH6氧氣止回閥8Kf1～Kf11氧氣排氣截止閥3Kj1～Kj11氧氣充氣截止閥9Kg1～Kg4氧氣供氧截止閥4QP1～QP9氧氣瓶10J1、J2氧氣減壓閥5Kp1、Kp2氧氣壓力表開關(guān)11BP1、BP2氧氣壓力傳感器6P1～P4氧氣壓力表12QK氧氣氣動(dòng)球閥

2)供氧功能：Kj1～Kj2處于關(guān)閉狀態(tài)，Kj3～Kj11打開，分別或同時(shí)打開Kg1～Kg2總氧氣供氧截止閥，也可控制Kj3～Kj11進(jìn)行單個(gè)或多個(gè)氣瓶同時(shí)供氧，實(shí)現(xiàn)單組或同時(shí)兩組小氧氣瓶組單元的供氧，同時(shí)也可控制Kf1實(shí)現(xiàn)兩組氧氣瓶的交替供氧。

3)對(duì)外供氧：調(diào)節(jié)J1的同時(shí)觀察P3，控制Kg3可以對(duì)外提供不同壓力的氧氣；當(dāng)J1出現(xiàn)故障或者該瓶組內(nèi)的氣用完時(shí)，可調(diào)節(jié)減壓閥J2，控制Kg4也可以對(duì)外提供氧氣。

4)氧氣氣動(dòng)球閥QK處于常開狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時(shí)可通過電磁閥對(duì)QK進(jìn)行控制，使供氧管路斷開。

5)氧氣壓力表、氧氣壓力傳感器可實(shí)時(shí)顯示各小氧氣瓶組單元的壓力和供氧管路的壓力，氧氣壓力表定期檢定時(shí)可用各氧氣壓力表閥隔斷氣瓶中氧氣源。

6)供氧模塊中各氧氣瓶組單元單獨(dú)設(shè)置一套氧氣控制閥門組件，且氧氣瓶設(shè)有瓶閥，可以在氣瓶小組出現(xiàn)故障時(shí)隔斷，避免其他氣瓶小組的氣體損失。

7)氧氣過濾器保證了供氧模塊下游用氣組件的使用安全性。

8)供氧模塊中每個(gè)氧氣瓶均設(shè)置氧氣排氣閥Kf3～Kf11，用于某個(gè)氧氣瓶出現(xiàn)故障、維修、氣體置換時(shí)氣體的放空且不影響其他氧氣瓶的正常工作。

9)每個(gè)氧氣瓶設(shè)置氧氣安全閥，用于超壓時(shí)放氣用，保護(hù)氣瓶組的安全使用。

10)放氣管路匯總后統(tǒng)一排放到舷外，配氣柜上留有放氣接口。

1.4供氧模塊組成結(jié)構(gòu)

供氧模塊主要由氧氣過濾器、氧氣瓶、止回閥、截止閥、氧氣壓力表及其壓力表閥、氧氣安全閥、氧氣減壓閥、氧氣用壓力傳感器、氧氣用電磁閥、配氣柜及支架及電源轉(zhuǎn)換箱組成，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　供氧模塊結(jié)構(gòu)

1.5電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

電控系統(tǒng)主體部分為供電電源轉(zhuǎn)換箱，用來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制電源箱內(nèi)的電磁閥開關(guān)，通過電磁閥控制氣動(dòng)球閥，以實(shí)現(xiàn)突發(fā)狀況下的緊急切斷功能。同時(shí)，在供電電源轉(zhuǎn)換箱上設(shè)置電磁閥的控制按鈕，以確?？刂频亩嘞虿僮餍院桶踩浴?/p>

供電電源轉(zhuǎn)換箱采用不銹鋼防爆設(shè)計(jì)，適應(yīng)海上作業(yè)的需求。供氧模塊上的電氣連接采用“隔離型”防爆接插件，在氧氣環(huán)境下工作可大大增強(qiáng)安全可靠性。

2供氧模塊船舶適裝性

2.1外界搖傾條件校核

假定供氧模塊隨環(huán)境動(dòng)態(tài)擺動(dòng)±45°。模塊由6-M24螺栓固定，由于搖傾時(shí)產(chǎn)生加速度，設(shè)定加速度為2g(偏安全)，螺栓受剪切力和向上拉力，下面分別對(duì)6-M24螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核。在各個(gè)氣瓶組中，整體重量最重，M24螺栓載荷最大，若該氣瓶組螺栓滿足強(qiáng)度要求，則其他氣瓶組也滿足強(qiáng)度要求。

供氧模塊外形尺寸：長×寬×高=1 400 mm×2 433 mm×1 639 mm，重量：4 000 kg。模塊由6-M24螺栓固定，螺栓受剪切力和向上拉力。

2.1.1假設(shè)加速度2g，螺栓抗剪切強(qiáng)度校核

材料為45#，取σb=640 MPa，屈服強(qiáng)度取σS=σ0.2=355 MPa[6]，[τ]=0.5[σS]=177.5 MPa。

6個(gè)螺栓共受剪切力Q=2mg=7.84×104N，設(shè)定6個(gè)M24螺栓平均受力，則單個(gè)螺栓受力T=1.31×104N，螺栓小徑d1=20.752 mm。

τ≤[τ]，表明選用M24螺栓滿足螺栓抗剪切強(qiáng)度要求。

2.1.2設(shè)定加速度g，螺栓負(fù)抗擠壓強(qiáng)度校核

6個(gè)螺栓共拉力p=mg=3.9×104N，設(shè)定6個(gè)M24螺栓平均受力，則螺栓受力F=6.5×103N，螺栓選用螺距p=3 mm，牙高h(yuǎn)=1.623 mm，螺栓大徑D=24 mm，螺栓中徑d2=22.051 mm，螺栓小徑d1=20.752 mm，螺栓牙底寬度b=2.25 mm。

把螺紋牙展直后相當(dāng)于一根懸臂梁，抗擠壓是指公、母螺紋牙之間的擠壓應(yīng)力不應(yīng)超過許用擠壓應(yīng)力，否則便會(huì)產(chǎn)生擠壓破壞。設(shè)軸向力為F，相旋合螺紋圈數(shù)為z，則驗(yàn)算計(jì)算式為

式中：σp——擠壓應(yīng)力，MPa；

[σp]——許用擠壓應(yīng)力，MPa；

F——軸向力，N；

d2——外螺紋中徑，mm；

h——螺紋工作高度，mm；

z——結(jié)合圈數(shù)，無量綱，偏安全，按有效螺紋長，取5；

σs——屈服應(yīng)力，MPa；

S——安全系數(shù)，變載荷時(shí)取S=3。

2.1.3設(shè)定加速度g，螺栓抗剪切強(qiáng)度校核

螺桿更容易破壞，對(duì)于外螺紋，應(yīng)滿足

許用剪應(yīng)力[τ]=0.5[σs]=177.5 MPa。

τ<[τ]，表明選用M24螺栓滿足抗剪切強(qiáng)度要求。

式中：F——軸向力，N；

d1——計(jì)算公扣時(shí)使用螺紋小徑，mm；

b——螺紋牙底寬度，mm，b=0.75p；

z——結(jié)合圈數(shù)，無量綱，偏安全，按有效螺紋長，取5；

[τ]——許用剪應(yīng)力，

一般取[τ]=0.5[σs]。

綜上所述：供氧模塊在海上傾斜搖擺工況下，6-M24螺栓滿足其強(qiáng)度要求。

2.2系統(tǒng)氣密性試驗(yàn)

設(shè)備組裝完畢后，應(yīng)進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。氣密性試驗(yàn)采用分段保壓方式，按管路壓力等級(jí)調(diào)節(jié)減壓閥輸出壓力，用脫脂肥皂水涂抹各接頭和元器件連接處進(jìn)行檢查，并觀察各壓力表指針，待壓力穩(wěn)定后，持續(xù)24 h保壓。

按照GB16912-2008[5]要求記錄試驗(yàn)起始?jí)毫蜏囟龋聪率接?jì)算管路平均小時(shí)泄漏率，平均小時(shí)泄漏率應(yīng)不超過0.25%。

式中：A——平均小時(shí)泄漏率，%；

p1——試驗(yàn)開始時(shí)的絕對(duì)壓力，MPa；

p2——試驗(yàn)終了時(shí)的絕對(duì)壓力，MPa；

t1,t2——試驗(yàn)開始及終了時(shí)的溫度，℃。

2.3可靠性設(shè)計(jì)措施

1)供氧模塊內(nèi)部采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊整體分為2個(gè)小氧氣瓶組單元，各單元由一套閥件儀表單獨(dú)控制，提高了整個(gè)模塊的可靠性。一支氣瓶故障失效(如泄漏)可以單獨(dú)隔離此氣瓶或所屬的單元進(jìn)行維修處理，而其他氣瓶或單元仍然可以正常工作。

2)氧氣瓶組的每個(gè)氣瓶設(shè)置一支氧氣安全閥，在閥件的隔離措施下也僅對(duì)該氧氣瓶或氧氣瓶組單元的超壓作出響應(yīng)，其他氧氣瓶或氧氣瓶組單元可以正常工作。

3)氧氣安全閥放氣和主動(dòng)放氣回路分開，分別設(shè)置止回閥，防止泄放時(shí)氧氣在高壓、低壓管路內(nèi)互竄。

4)設(shè)置氧氣過濾器，防止供氧下游二次污染，保證下游模塊的使用可靠性。

5)將主要操作氧氣閥件集中有序地安裝在配氣柜內(nèi)，操作人員只需在面板前進(jìn)行操控，提高了操作、控制、監(jiān)控的可靠性。

2.4安全性設(shè)計(jì)

集成化供氧模塊涉及高壓氧氣，所有閥件、儀表選用氧氣專用產(chǎn)品，零部件的生產(chǎn)過程、裝配調(diào)試、試驗(yàn)過程均嚴(yán)格按照技術(shù)條件要求進(jìn)行控制，杜絕油脂、棉絲、毛刺、多余物等的污染。最后一道清洗采用四氯化碳。

模塊材料、內(nèi)涂層等均和氧氣相容，不允許產(chǎn)生有害物質(zhì)。閥體、閥芯、管路等材料采用供氧模塊標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范材料。

管路中所有高壓端模塊的選型均按高壓要求選擇，管路系統(tǒng)及集氣管均進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，確保系統(tǒng)強(qiáng)度偏安全；框架設(shè)計(jì)進(jìn)行剛度、強(qiáng)度校核，偏安全設(shè)計(jì)。系統(tǒng)外圍的設(shè)計(jì)制作均避免尖角，所有的閥件把手均采用輪式結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)中所有管路在焊接后均需按技術(shù)條件要求進(jìn)行探傷[5-7]和水壓強(qiáng)度試驗(yàn)；系統(tǒng)中設(shè)置氧氣安全閥，防止充氣增壓時(shí)的誤操作或發(fā)生火災(zāi)時(shí)氣瓶溫度升高造成的危險(xiǎn)。

使用和維修操作時(shí)禁油，維修完后，使用氮?dú)膺M(jìn)行管路吹除。

供氧模塊可靠接地。

2.5維修性設(shè)計(jì)

供氧模塊的氣瓶之間采用可拆卸連接，控制臺(tái)內(nèi)部各組部件、面板等也采用可拆卸連接，控制臺(tái)內(nèi)各模塊之間留有足夠的工具操作空間，控制臺(tái)除面板外采用開放式設(shè)計(jì)。

考慮裝船后氣瓶定期檢驗(yàn)的問題，安裝后模塊頂端留有200～250 mm的間距，氣瓶組件一邊的兩支拉桿已設(shè)計(jì)成活動(dòng)拉桿，拉桿移出后，框架組件的頂部支架就能順利移出，從而氣瓶也能夠按從外到里、從上到下的順序被順利移出。

供氧模塊中氣瓶的集成以及模塊外形尺寸的設(shè)計(jì)充分考慮了每個(gè)安裝零部件處的維修空間，使得各安裝位置處模塊的配置在安裝后留有合適的安裝、維修、操作空間。

3結(jié)束語

供氧模塊采用模塊化設(shè)計(jì)，在船上狹小空間內(nèi)將氣瓶、減壓閥件、高壓閥件、壓力表等零部件進(jìn)行集成優(yōu)化設(shè)計(jì)，模塊具備儲(chǔ)氣、減壓、過濾、安全泄放、信號(hào)輸出、對(duì)外供氧等功能。

供氧模塊分為2個(gè)獨(dú)立的小氧氣瓶組單元組合，各小氧氣瓶組單元間利用手動(dòng)截止閥控制，且每個(gè)氧氣瓶都設(shè)有氧氣瓶頭閥、氧氣安全閥和氧氣瓶排氣閥，形成可相互獨(dú)立、又可聯(lián)合供氧的模式，可起到模塊間故障隔離的功能。供氧模塊中高壓泄放管路與低壓泄放管路分開設(shè)置，在匯入泄放總管路前設(shè)置止回閥，防止泄放時(shí)氧氣在高壓、低壓管路內(nèi)互竄。

進(jìn)行船用條件下集成化供氧模塊的維修性、安全性設(shè)計(jì)，滿足船用條件下模塊中高壓氣體的安全性要求以及供氧模塊的維修性要求。

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Study on Integration Technique of Oxygen Feed Modular for Ships

GU Mei-bang1, Song Shao2, LIU An-lian2, CAO Hong-bo2

(1 Navy Representative Office in No.426 Factory, Dalian Liaoning 116005, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:Due to fatalness of oxygen gas such as combustion-supporting, higher security design requirements of the integrated oxygen feed modular are proposed. Combining with integrated and optimal design ideas of modern ships, the detailed design and adaptive technology of the integrated oxygen feed modular are presented, and the maintainability and security design of the integrated modular is accomplished.

Key words:integration; oxygen feed module; maintainability; security

中圖分類號(hào)：U664.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0008-05

第一作者簡(jiǎn)介：谷美邦(1979-)，男，碩士，工程師E-mail:gmb2002@sina.com

基金項(xiàng)目：國家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.003

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶輔助系統(tǒng)