维特利接头在船舶管路加工和安装中的应用

赵建宇， 唐荣彬，张 涛

（1.上海交通大学，上海200240；2.中海工业（江苏）有限公司，江苏 扬 州225200）

0 引 言

虽然近几年我国新订船舶数量有所回升，但船舶成交价格仍然徘徊在较低水平，船舶市场竞争依旧十分激烈。目前我国船舶行业正面临新的产业调整和发展机遇，在此背景下，只有不断降低建造成本，提高产品质量，才有可能取得进一步发展。在壳舾涂一体化的现代造船模式下，船舶管路舾装作为船舶建造过程中的重要组成部分，对船舶建造的质量、工期有重要影响。同时，随着船舶工业的发展及船舶建造过程中对施工安全、环境保护、能源节约等方面要求的提高，许多新兴的管舾装技术及材料得到应用和推广。其中，维特利接头就是一种符合环保要求、经济、安全实用的全新管道连接器具。

图1 维特利接头剖面图

1 维特利接头的组成

维特利接头的连接以沟槽式为主，辅以各种配件，是一种安全可靠、简便易行的配管方式。它是在管道的外壁上加工一个规定尺寸的沟槽，卡箍卡在该沟槽上，以保证管道受足够的轴向拉力时不被拉开（卡箍只需两条螺栓即可锁紧）。图1为维特利接头安装后的剖面图。

2 沟槽卡箍的技术性能分析

2.1 管道壁厚减薄对管道承压的影响

用沟槽卡箍连接的管道经过滚槽机挤压后管壁会减薄，减薄后管道的强度、耐腐蚀性都会有所降低。根据《维特利公司产品加工要求》，对于不同直径的管道，滚槽深度在1.6～4.4 mm时，最大减薄率为8%。

在中海工业（江苏）有限公司建造的10 000 TEU集装箱船上，应用维特利接头的系统为淡水冷却系统，系统最高实验压力为0.66 MPa，所需管材通径范围为DN50～DN600，材料为20＃钢。管路承压校核公式

式（1）中：P为管道的允许承压，MPa；S为实际壁厚，mm；D为管道内径，mm；［δ］为设计温度下的许用应力，MP；E为焊接接头系数。

20＃钢在温度＜150℃的条件下许用应力为130 MPa，焊接接头系数取1。根据式（1）计算得到的滚槽后管材的承压能力见表1。

表1 滚槽后管材承压校核

由表1可知，尽管滚槽后管壁会在一定程度上减薄，但管子的承压能力仍然远大于系统的工作压力，因此，管材的减薄并不影响系统的正常使用。

2.2 管道内径减少对管道系统阻力的影响

钢管在滚槽后，滚槽部位的内径突变会在一定程度上加大管道的阻力。通过对现场的滚槽后管径进行测量并进行相关计算可知，管路直径越小，内径减少率越大（DN20的管材内径减小率约为14%，而DN600的管材管径减小率仅为1.8%）。根据管路局部阻力计算公式得出，平均1个滚槽的阻力约占1个90°弯头阻力的5%～6%，因此就整个系统而言，沟槽卡箍连接对系统阻力影响不大。

3 维特利接头加工及安装过程中的要求

3.1 对管材的要求

无缝钢管内、外表面不得有裂缝、裂纹、折叠、分层、结疤、轧折等缺陷存在，且缺陷清除后的钢管壁厚≤允许的最小壁厚值。钢管表面允许有个别辊印线，其深度规定为：冷拔钢管应≤壁厚的4%，且≤0.2 mm；热轧钢管应＜壁厚的5%，且≥0.50 mm。

焊接钢管的内、外表面不允许存在裂缝、结疤、错位、毛刺、烧伤、压痕和深的划道等缺陷，不过深度不超过壁厚允许偏差范围的小压痕、轻微的错位、辊印线、薄的氧化铁皮以及打磨与清除外毛刺的痕迹等缺陷允许存在。

开槽的管道外径变动必须在规定的范围内（见表2），允许的最大管道椭圆度不得超过1%。

表2 船用碳钢无缝钢管外圆和壁厚尺寸和允许偏差

对管道垂直切割管端的允差上限“S”（见图2）的规定：管径为27～89 mm时，管子允许偏差S＝0.8 mm；管径为114～609 mm时，管子允许偏差S＝1.6 mm。

钢管的直线度有以下规定：壁厚≤15 mm，1.5 mm／m；壁厚＞15 mm，2.0 mm／m；外圆直径≥325 mm，3.0 mm／m。

3.2 沟槽的加工

管道尺寸与沟槽尺寸必须处于表2中规定的公差范围内，以确保连接性能。标准滚制沟槽尺寸详图见图3。

图2 管端偏

图3 沟槽尺寸

图（3）中：A为管端至沟槽的距离，决定着密封垫圈的定位区；B为沟槽宽度，通过控制与管端的距离以及其相对于接头外壳“键”宽的宽度，控制挠性接头的膨胀、收缩和角向偏转；C为槽底处的平均直径，必须处于直径公差内且与外径同心，以便正确装配接头；D为标准槽深，是“试验沟槽”的一个参考尺寸，会受到管道外径变化的影响，必要时必须加以更改，以保持尺寸“C”处于公差范围内（该沟槽直径必须符合尺寸“C”的要求）；F为在管端尽头直径处测量的最大允许管端喇叭口直径。

3.3 维特利接头的安装要求

维特利接头的安装以厂家的安装工艺为准，管道加工尺寸需符合工艺要求；接头必须用螺栓座正确紧固，并让金属与金属相接触；本体键在两个沟槽中必须完全咬合；密封垫圈必须处于稍受压缩状态；管路安装后，管端间隔和偏离中心线挠度应符合表4中规定的数值。

表3 维特利管道的滚制沟槽尺寸规格（单位mm）

表4 标准挠性接头允许的管端间隔与管线挠度

4 维特利接头在淡水冷却系统中的应用

中海工业（江苏）有限公司建造的10 000 TEU集装箱船由沪东中华造船厂完成生产设计，该船在中央淡水冷却系统、MGO淡水冷却系统和发电机淡水冷却系统中采用维特利接头形式，维特利接头管径在DN50～DN600。表4为三个系统的管系规格要求。

表5 10 000 TEU集装箱船淡水冷却系统规格要求

该集装箱船的淡水冷却系统采用维特利公司S77型和S75型挠性接头，最大允许压力分别为0.69 MPa和0.35 MPa，共设计有418根管路；接头产品已得到相关船级社认证，满足系统性能要求；管路开槽由中海工业（江苏）有限公司机电车间完成。

在生产设计阶段初期，设计人员按照使用要求将淡水冷却系统管路设计成三种连接形式，具体有：法兰连接、对接焊与维特利接头连接，弯头、三通与直管段以对接焊的方式连接，阀件、传感器、溢流管、泄放管等采用法兰连接，其余管段均采用维特利接头连接。在设计出图阶段，根据工位分流的思想，将需要滚槽的管路单独划分托盘，统一下料加工。同时，根据各管跟安装区域将管路依据分段、区域划分托盘进行出图。在生产过程中，根据托盘清单筛选需要滚槽的管路，完成加工及磷化处理，最后上船安装。生产过程中，需保证在磷化处理前结束管材加工过程，确保处理后防腐涂层的连续性和均匀性，提高其抗腐蚀能力。由于采用了卡箍连接，现场安装过程中无明火，即没有对涂层的破坏，也无需二次处理、二次安装。

在应用维特利接头的管路加工过程中，应结合维特利接头厂家提供的滚槽设备的特点、工艺标准化和船舶冷却水管系的加工工艺，对直管段进行滚槽。滚槽过程中，按照不同管径、不同材质对管级进行分类加工，确保压槽的位置及尺寸准确。滚槽结束后，根据管路制作图进行下料、弯管、焊接等工作；对加工管路进行尺寸校对后，完成管路标记工作。成品管路完成后，将所有预制完成的管子运送至表面处理厂家进行磷化处理。上船安装阶段，需注意对卡箍和管子端部的保护，安装时需将卡箍连接密封性、穿舱管路垂直度、连接管路同轴度等保持在合理范围内，否则维特利接头的密封性能将遭到破坏。

5 维特利接头在船舶建造中的应用优势

5.1 维特利接头的优势

管道传统的连接方式有法兰连接、螺纹连接、焊接连接、承插连接。

1）法兰连接对孔、对锁操作复杂，管子制作精度要求高，安装速度慢，法兰成本高。

2）螺纹连接只适用于小口径管道的连接，当管道直径DN＞100时，现场加工螺纹困难，安装极不方便。

3）焊接连接安装速度慢，焊接操作需要专业焊工，受空间、环境影响大，电焊高温烧损涂敷层后，管道内涂层修补非常困难。

4）承插连接适合于铸铁管道，应用已有很长历史。但承插连接的的泄漏问题一直未能得以解决。

与以上连接方式有所区别的是，以维特利接头为代表的沟槽式管接头安全可靠、简单经济、不损坏涂层，特别适用于压力≤2.5 MPa，管径为Φ108～Φ630的镀锌管、钢塑复合管、环氧粉末涂敷钢管的连接。

沟槽式管接头和管件之间无需焊接，无需二次涂敷，不存在二次安装，安装速度比法兰连接快3倍以上。沟槽式管接头比法兰轻，螺栓数量少，舍弃了法兰接头的对孔对锁等复杂程序，作业时无需特殊技术，只需一把扳手单侧操作即可。科学合理的设计为管道提供了三重保障。

1）选用高品质的橡胶圈密封，独特的C型结构，使得管内压力越大，密封性能越好。

2）沟槽式管接头的凸缘与管端沟槽全圆周啮合，两只高强度螺栓紧紧锁定接头。

3）选用高强度、耐腐蚀的QT450－10牌号球墨铸铁，确保使用寿命。

沟槽式管接头配管工程无需动火，只需机械组装，可确保工地安全，特别适合禁火工地。与传统的法兰相比，采用沟槽式管接头可使施工的总费用节约10%～20%。管道未端可阻断噪音并防止震动的传播，C型橡胶圈充分发挥吸音和减振作用，特别适合设备进出口处管路连接。挠性接头更能解决管道热胀冷缩问题，整个系统无需另加软接头。沟槽式管接头除可以与各种无缝钢管、镀锌钢管、焊接钢管、不锈钢管、铜管等连接外，还能对防腐管道进行连接，是目前国内外最先进的连接方法，是管道新材料的最佳搭档。根据要求和管道内部介质的不同，选用不同的橡胶圈，可以提供－34℃～400℃的超宽工作温度。沟槽式管接头配管系统只需拆下两颗螺栓即可进行管件的清洗、维修或更换，可根据需要进行任意改造延伸，定期转动钢管还可使管子内部磨损均匀。

5.2 维特利接头的使用范围

随着材料领域的不断扩展，沟槽式连接方式最薄弱的密封圈适应能力得到提升。因此，该类型接头已经得到越来越广泛的应用。目前该种连接方式已经覆盖了集装箱船、散货船、杂货船、油船、液化气船、化学品船、客船、工程船、海上石油平台等各类船舶，应用的领域涵盖了船舶的海水、淡水、易燃气体、惰性气体、燃油、滑油等系统的管系和部分高压管系。

6 维特利接头应用的局限性

6.1 对支架的要求

由于管段连接处仅由卡箍固定，连接强度相对较低，因此在两个接头间必须有1个管支架，以保证管末端的相对位移在可控范围内，确保管系统的密封性能。

6.2 使用范围的局限性

由于密封圈材料的限制，维特利接头无法应用于蒸汽、热油等管路系统中，且在管路走向布置过程中要避免接头接触高温设备，以减缓密封圈的老化速度。同时，由于压力的限制，S77、S75型维特利接头无法在消防、压缩空气等高压系统中使用。

6.3 管段连接处的腐蚀

由于滚槽管材向内突出及管段连接处存在凹槽，当管路内介质排空时，相邻滚槽间会有一定量的介质无法排净，这会加速对管路的腐蚀。因此，在管材防腐处理阶段要重点关注滚槽处和管末端的防腐涂层质量，在管材运输安装过程中要加强对管末端的保护，避免涂层遭到破坏和锈蚀，以延长管路的使用时间。

7 结 语

以维特利接头为代表的沟槽式连接方式以其众多优点在建筑、船舶等领域得到了广泛的推广和应用。特别是在10 000 TEU集装箱船上的应用，不仅满足了船东对后续船舶维护的要求，还为公司降低了生产成本，减轻了工人的劳动强度，改善了施工现场的作业环境。相信这种新型的管道连接形式会有更为广阔的应用前景。

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