Tài liệu môn Hệ thống tàu

HỆ THỐNG TÀU Thành phố Hồ Chí Minh 10/2002 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH TRẦN CÔNG NGHỊ HỆ THỐNG TÀU Tài liệu học tập giành cho sinh viên ngành đóng tàu Thành phố Hồ Chí Minh 10/2002 2 MỤC LỤC Chương I: Hệ thống tàu 1. Đơn vị đo trong hệ thống SI 4 2. Ống trên tàu 4 3. Van tàu 8 4. Bơm dùng trong các hệ thống tàu 15 5. nguyên tắc chung thiết kế hệ thống ống tàu 18 6. yêu cầu kỹ thuật cho các hệ thống ống 24 Chương II: Hệ thống hút khô và dằn tàu 30 1. Hệ thống hút khô 30 2. Hệ thống dằn nghiêng tàu 37 3. Hệ thống nước dằn 33 Chương III: Hệ thống phòng cháy chữa cháy 39 1. Yêu cầu về hệ thống phòng và chống cháy 39 2. Kết cấu chống cháy 39 3. Hệ thống pha ́t hiện cháy 43 4. Hệ thống chữa cháy 51 Chương IV: Hệ thống điều hòa không khí 62 1. Hệ thống thông gió 62 2. Hệ thống điều hòa không khí 66 Chương V: Hệ thống cấp nước sinh hoạt, vệ sinh 73 1. Hệ thống cấp nước sinh hoạt 73 2. Hệ thống vệ sinh 74 Chương VI: Hê thống đặc biệt tàu dầu 77 1. Yêu cầu kỹ thuật hệ thống tàu dầu 77 2. Hệ thống chuyển hàng và bơm vét khoang 77 3. Hệ thống thoát khí hầm hàng 86 4. Hệ thống sưởi hàng 90 5. Hệ thống làm vệ sinh hầm hàng 91 Phụ lục 93 Tài liệu tham khảo 100 3 CHƯƠNG I HỆ THỐNG TÀU THỦY Hệ thống chung của tàu gồm hệ đường ống, các thiết bị, máy móc chuyên ngành, dụng cụ đo vv đảm trách chuyển dịch hàng lỏng, khí, không khí trong nội bộ tàu, nhờ đó tàu hoạt động bình thường, đúng chức năng. Trong các hệ thống này không đề cập các ống, thiết bị giành cho hệ thống máy tàu. Hệ thống này theo cách dùng các nhà đóng tàu sử dụng tiếng Anh thuộc về các hệ thống phục vụ tàu (ship service systems) [3], theo cách dùng trong sách tiếng Nga sẽ là hệ thống tàu [1],[2]. Các hệ thống chung của tàu trên tàu dân sự gồm: hệ thống hút khô, nước dằn, hệ thống cứu hỏa, hệ thống cấp nước sinh hoạt, hệ thống nước vệ sinh, hệ thống điều hòa không khí, hệ thống thông gió, hệ làm lạnh trên tàu có khoang hàng lạnh, hệ thống khí nén, hệ thống đặc biệt trên tàu dầu. 1. Đơn vị đo trong hệ thống SI Trong sách này sẽ sử dụng đơn vị đo theo hệ thống SI. Chiều dài : m Khối lượng : kg Thời gian : giây, (viết tắt sec, s) Lực : Newton, viết tắt N = 1kg.1m/s2. Áp suất : Pascal = N/m2 Mật độ : kg/m3 Công, năng lượng : J = 1N. 1m Công suất : W = 1J/1s Công thức qui đổi đại lượng dùng từ hệ thống MKS sang SI Mật độ : kG.s2/m4 = 9,80665 kg/m3. Lực : kG = 9,80665 N Trọng lượng riêng : kG/m3 = 9,80665 N/m3 Công, năng lượng : kG.m = 9,80665 J Công suất : lG.m/s = 9,80665 W; 1 ML = 735,499 W Áp lực : 1 bar = 105 N/m2; (1 m cột nước) 1m cn = 9,80655 N/m2. 1 at = 1kG/cm2 = 9.80665.104 N/m2 ≈ 0,1 MPa 2. Ống trên tàu Các ống dùng trên tàu làm từ thép hoặc kim loại màu. Ống làm từ nhựa cũng được phép dùng trên các tàu dân sự. Căn cứ chọn vật liệu ống thường từ tính chất chất lỏng hoặc khí đi qua ống. Các chất này, trong thực tế sử dụng thường gặp: nước ngọt nóng hoặc lạnh, nước biển, hơi nước, không khí, dầu, nhớt, sản phẩm từ dầu, hóa chất vv Hoá chất và những chất lỏng, khí hoạt tính cao chỉ được chuyển qua ống làm từ vật liệu chống ăn mòn, chống phản ứng hóa học với các chất đi qua. Ống trên tàu cũng như ống dùng trong công nghiệp phân biệt độ lớn qua đường kính danh nghĩa (đường kính qui ước) Dy, tính bằng mm trong hệ thống MKS. Đường kính 4 Dy sẽ dùng trong các bảng tính. Đường kính qui ước của ống luôn được tiêu chuẩn hóa. Ống trong ngàmh đóng tàu có đường kính Dy theo dãy sau: 3, 6, 10, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 70, 80, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350 , 400, 500. Chiều dày ống tính chọn theo áp lực chất lỏng hoặc khí chảy qua. Đường ống có thể chịu được áp lực thiết kế (áp lực qui ước, áp lực định mức), ký hiệu py , cùng giá trị áp lực tính bằng N/m2. Áp lực này luôn được tính trong điều kiện môi trường, trong đó có nhiệt độ. Đơn vị đo dùng trước đây như đã nêu là kG/cm2 còn ngày nay là Pascal. Ống thép theo qui ước, sẽ phải làm việc trong điều kiện môi trường chịu nhiệt độ đến 200°C, ống đồng, laton, bron chịu nhiệt độ qui ước120°C. Trường hợp ống phải làm việc trên nhiệt độ qui ước, các bảng tính riêng được đưa vào xem xét và chọn lựa. Những qui định sau đây ghi tại TCVN 6259-3:1997 (Qui phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép, Phần 3: Hệ thống máy tàu). Bảng 1.1 Áp suất thiết kế (p) và nhiệt độ thiết kế (t) Loại chất Nhóm I Nhóm II Nhóm III Hơi nước và dầu nóng p > 1,6 MPa hoặc t > 300° C p ≤ 1,6 MPa và t ≤ 300° C p ≤ 0,7 MPa và t ≤ 170° C p > 1,6 MPa hoặc t > 150° C p ≤1,6 MPa và t ≤ 150° C p ≤ 0,7 MPa và t ≤ 60° C p > 4,0 MPa hoặc t > 300° C p ≤ 4,0 MPa và t ≤ 300° C p ≤ 1,6 MPa và t ≤ 200° C Độ bền ống phải nằm trong giới hạn các cơ quan có thẩm quyền cho phép sử dụng. Theo qui định của Nhà nước Việt nam, thể hiện tại TCVN 6259-3:1997 đang nêu, ứng suất cho phép của ống thép các bon và thép hợp kim thấp phải tính và chọn theo bảng, trang 132 phần 3 Qui phạm, theo đó: 6,1 ; 7,2 2 20 1 tEfRf == trong đó R20 - giới hạn bền kéo nhỏ nhất của vật liệu ở nhiệt độ trong phòng, (N/mm2), Et - giới hạn chảy hoặc giới hạn qui ước của vật liệu ở nhiệt độ thiết kế, (N/mm2). Các ống phải có độ dày đảm bảo khi bố trí vào các hệ thống trong tàu. Chiều dày qui định của ống chịu áp lực bên trong xác định theo công thức ghi trong tiêu chuẩn Nhà nước. tr = t0 + b + C (mm) trong đó pfJ pDt += 20 , với p – áp suất thiết kế (MPa), D – đường kính ngoài của ống, (mm), f – ứng suất cho phép (N/mm2), J – hệ số bền của mối nối, = 1,0 cho ống liền, 0,85 ống hàn; 5 b - số bù thêm chiều dày bị biến mỏng khi uốn, b = 05,2 1 t R D C – lượng bù thêm cho ăn mòn, (mm). Trong mọi trường hợp chiều dày ống thép phải lớn hơn chiều dày qui phạm ghi tại tiêu chuẩn đang đề cập, bảng 3/12.6(1) trang 135. Hình 1. Nối ống trực tiếp Các ống phải qua thử nghiệm áp lực. Áp lực sử dụng trong điều kiện thử lớn hơn áp lực qui ước 1,25 – 2 lần. Cụ thể hơn, các ống nhóm I, II, các ống hơi nước, các ống cấp nước, các ống khí nén và các ống dầu đốt có áp suất thiết kế trên 0,35MPa phải được thử thủy lực cùng với các phụ tùng đã được hàn sau gia công, ở áp suất bằng 1,5 lần áp suất thiết kế. Ống trên tàu được sơn màu nhằm giúp người lắp ráp và người dùng phân biệt loại hàng qua ống. Màu được sơn thành khoanh tròn ngoài ống, chiều dài khoanh từ 25 - 50mm, tại những vị trí dễ nhận thấy. Màu qui ước dùng như sau: ống hút khô màu đen, ống hệ thống nước dằn vàng, hơi nước màu đỏ, đường nước ngọt màu xám, ống dẫn hệ thống vệ sinh màu đen, ống dẫn khí hệ thống thông gió màu xanh nước biển, ống dẫn không khí nói chung màu xanh da trời. Các ống nối với nhau nhờ các mối nối tiêu chuẩn: 1) nối trực tiếp các đoạn ống và 2) nối bằng bích, các phụ tùng đường ống. Nối ống trực tiếp theo dạng hàn giáp mép. Với các ống có đường kính danh nghĩa không lớn hơn 50mm có thể dùng cách hàn có ống lồng ngoài, tức hàn chồng mép nhờ vòng đệm, hình 1. 6 Chỉ những đường ống có đường kính danh nghĩa dưới 25mm thuộc nhóm I, II mới được phép nối ren. Ống nhóm III với đường kính anh nghĩa không lớn hơn 50mm được phép nối ren. Nối ống với mặt bích hoăïc phụ tùng đường ống phải phù hợp với điều kiện làm việc, có kết cấu và độ bền thỏa mãn các yêu cầu ghi tại tiêu chuẩn nhà nước. Hình 2. Nối ống bằng bích Các đoạn ống nối giúp bắt ống qua các vật cách như boong, vách vv có dạng nêu tại hình 3. Cơ cấu chính của cụm chi tiết này gồm hai bích chờ ký hiệu 1, một bích 3 áp vào vách 2. Bản thân đoạn ống 4 bị hạn chế giữa hai bích chờ. Phương án thứ hai bắt ống qua vách nhờ bích áp sát (trên) hoặc bích thông (dưới). Các bích này được hàn trực tiếp vào vách, các ống cùng bích sẽ gắn vào bích này trong giai đoạn tiếp theo. Hình 3. Nối ống qua vách Chi tiết nối và hướng ống theo góc xác định khá đa dạng. Hình 4 tiếp giới thiệu các “cút” thường gặp trên tàu. Theo cách gọi khá quen trong nghề, ống nối cho phép bắt hai đường ống vuông góc nhau tại hình 4a mang tên khủy tay hoặc đầu gối, hình 4b mối nối 3 nhánh, hình 4c cút bốn nhánh. 7 Hình 4. Để giảm độ căng ống, dọc đường ống và những khu vực thay đổi hướng người ta phải bố trí các đoạn ống giãn nở, tiếng Anh: expansion arrangement, cho phép ống co giãn khi thay đổi nhiệt độ hoặc biến dạng đủ lớn, hình 5. Hình 5. Đoạn ống co giãn 3. Van tàu Đóng mở đường ống dùng trên tàu thông qua các van. Vật liệu làm van gồm thép cac bon, hợp kim đồng laton, bron, gang, kim loại nhẹ và chất dẻo. Van tàu thường chế tạo trong hai dạng khác nhau, van nút (tiếng Anh: cock), đóng hoặc mở thông đường ống 8 qua van nhờ nút, và van (globe valve), đóng mở bằng cách đậy hoặc mở nắp miệng ống nhờ nút đậy thường ở dạng đĩa. Hình 6 giới thiệu cấu tạo van nút, kiểu van thông. Tên gọi các chi tiết, với phụ đề ghi thuật ngữ tiếng Anh gồm: 1 – thân van (body), 2 – bulon tay vặn (lever bolt) , 3 – tay vặn (lever), 4 – chặn ép tuyp (split ring), 5 – làm kín (packing sleeve), 6 – nút (plug). Van nút được chế tạo theo nhiều kiểu khác nhau, làm được các chức năng khác nhau. Sơ đồ làm việc của van nút được trình bày tại hình 7 và hình 8. Hình 6. Van nút Hình 7. Bảng đầu tiên trên hình 8, đánh dấu bằng I, trình bày nguyên tác mở và đóng van thông. Bảng II trình bày cách làm việc van ba ngả, nút có lỗ thông dạng chữ L, bảng III van ba ngả , nút có lỗ thông hình chữ T, còn IV van nút đa ngả vào và ra. Hình 8. Làm việc của van nút 9 Van dùng trên các tàu, nêu tại hình 9 mang những tên gọi khác nhau, làm những việc khác nhau. Van a) van chặn, b), c) van một chiều, d) van thông một chiều, e) hộp van. Trong số các van đang nêu, van c) còn có tên gọi đầy đủ van điều chỉnh có khả năng thay cho các van cùng nhóm làm những chức năng khác nhau. Hình 9. Van chặn Hình 9e. Các chi tiết đặc trưng van chặn thường gặp, hình 9a, gồm: 1 – thân van (body), 2 – nắp van (bonnet), 3 – cán (stem), 4 – trục, 5 – tay quay (handwheel), 6 – chặn làm kín (gland), 7 – vòng làm kín (gland packing), 8 – nắp chặn (disk). 10 Van tiết lưu dùng khi cần hạ áp suất dòng chất lỏng trong đoạn ống. Van nhóm này còn có tên gọi van bướm. Thay đổi độ lớn khe hở để dòng chảy đi qua làm thay đổi vận tốc dòng. Hậu quả tăng vận tốc dòng chảy là áp lực trong dòng sẽ giảm như trình bày tại định lý Bernoulli. Kết cấu tiêu biểu van tiết lưu trình bày tại hình 10. Cánh bướm 1 gắn cố định với trục 3, chuyển động lên xuống qua lỗ trục của nắp 4. Điều chỉnh mức cao hoặc thấp của trục bằng cách chỉnh đai ốc 7. Thiết bị 6 bao che đầu trục, đai ốc chùm kín các chi tiết vừa nêu. Hình 10. Van tiết lưu Hình 11 Van an toàn Van an toàn rất cần thiết trong tất cả hệ thống ống nhằm tránh cho hệ thống ống bị hỏng do tăng áp. Kết cấu của van an toàn thường gặp gồm những chi tiết: bu lông điều chỉnh 1 bố trí tại nắp ống xả 2. Lò xo trụ 4 bị ép giữa hai đĩa 3 phía trên, và dưới có nhiệm vụ chặn lỗ thoát của van dưới đĩa chặn 5. Toàn bộ thiết bị đặt trong thân van 7. Thông qua lỗ quan sát 6, gọi là window để theo dõi phần trong van. Trường hợp áp suất trong hệ thống đúng mức qui định, van ở tư thế nằm im, như trình bày tại hình 11, song khi áp lực này bị tăng quá 10% áp lực định mức, chất lỏng hoặc khí với áp lực lớn trong ống thắng lực nén lò xo, đẩy đĩa 5 lên cao và thoát ra ngoài. Khi áp lực trở lại giá trị ban đầu, lò xo ấn đĩa 5 chèn kín ống xả. Trong thực tế người ta còn dùng van tiết áp làm van an toàn cho những trường hợp cần thiết. Cấu tạo van kiểu hai trình bày tại hình 12. Khác với van an toàn vừa nêu, lỗ thoát từ van nhóm này dẫn đến đường ống qui định, không nhất thiết phải xả ra khí quyển như đã trình bày tại hình 11. Trường hợp áp lực trong đường ống dẫn bị tăng quá mức qui định, châùt lỏng hoặc khí chảy theo đường mũi tên, chuyển sang hệ thống ống qui định để tiếp tục xử lý mà không phải thải. 11 Hình 12 Van giảm áp dùng điều chỉnh áp lực trong đường ống, bằng cách đó giữ cho áp lực ổn định trong suốt quá trình làm việc. Giảm áp lực trong ống thực hiện tự động. Hình 13 trình bày kết cấu van giảm áp tiêu biểu. Thân van 1 có ba miệng dạng bích nối ống. Hai bích mộp nằm phía trái hình, nối ống dẫn vào, bích bên phải là đầu ra. Cụm thiết bị điều chỉnh khe hở van nằm trên tấm màng 4, bắt qua bích phía trên. Lò xo 5 giữa hai đĩa có thể cân chỉnh độ căng nhờ vít 6. Nguyên lý làm việc của van điều áp rất đơn giản. Giả sử dòng đầu vào với áp lực p1 đảm bảo áp lực đầu ra p2. Nếu vì lý do nào đó, p1 tăng quá mức định và làm tăng giá trị p2. Trường hợp này chất lỏng sẽ theo rãnh 7 để tràn vào khoảng không dưới tấm 4 rồi tiếp tục nén lò xo, mở rộng phần chứa chất lỏng do tăng áp p2. Hậu quả việc này là áp lực p2 bị giảm để rồi trở về giá trị qui định. Kết cấu van cùng kiểu còn có dạng như nêu tại hình 13b. Hình 13. Van điều áp (giảm áp) Van nêm dùng rộng rãi trong tàu. Van kiểu này thường được đặt tại những vị trí khó tiếp cận còn tay điều khiển được nối dài lên những vị trí thích hợp cho công việc điều khiển, ví dụ tại các sàn thoáng hoặc trên boong tàu. Hình 14 trình bày van nêm dùng trong tàu dầu. Van nêm đường kính lớn Dy từ 300 đến 800 đang có mặt trên tàu. Van xả một chiều dùng nhiều trong hệ thống vệ sinh những tàu đóng trước đây nhằm tự động xả nước vệ sinh ra mạn hoặc đáy tàu mà không cho phép nước bên ngoài mạn chảy ngược vào tàu, hình 15. Hình 14 Hình 15 12 Van xả với tấm chắn xoay quanh trục đứng làm chức năng tương tự van xả đang trình bày tại hình 15 song kết cấu có đổi thay. Lá chắn cửa van quay quanh trục đứng , cho phép đóng kín hoàn toàn hoặc mở với mức định trước. Khi lá chắn mở hết cỡ, vuông góc với mặt phẳng qua miệng van, nước sẽ tháo ra với mức cao nhất. Điều khiển lá chắn xoay qua hệ thống vặn bằng tay hoặc nhờ thiết bị thủy lực. Hình 16 trình bày cửa van đóng mở bằng thủy lực 1 và cả bằng tay nhờ tay quay 2. Hình 16. Van dạng này có kết cấu hết sức đơn giản song phạm vi làm việc không rộng vì độ kín không cao, chỉ đảm bảo kín khi áp lực dưới 0,5 MPa. Van dùng trong tàu dầu, trong khoang hành, hệ thống ống dẫn khí, và hệ thống khí trơ. Đường kính danh nghĩa các ống cùng van dạng này từ Dy 400 đến Dy 1000. Ống thăm (ống đo) trên tàu dùng trong việc đưa các thước đo vào các két nằm sâu trong tàu. Đường kính ống dùng trong việc này thường vào khoảng 30 – 50mm. Miệng ống thường bố trí tại boong, đậy kín bằng nắp khi không đo đạc, hình 17. Ống đo mức nước trong két có thể thực hiện theo các dạng nêu tại hình 18. Hình 17. 13 Điều khiển van Thông thường tay vặn van gắn liền trên van. Trực tiếp vặn tay vặn để điều khiển van đóng hoặc mở. Những van bố trí tại những vùng dễ đến và rộng chỗ thao tác có kết cấu dạng này. Tuy nhiên các van trên tàu phần lớn bố trí tại những vị trí khó đến, hoặc những khu vực không gian chật chội, không đủ chỗ cho người thao tác vặn tay vặn gắn liền. Trong những trường hợp này cần thiết trang bị những thiết bị truyền động, điều khiển từ xa. Truyền động điện, truyền động thủy lực, truyền động bằng khí nén dùng phổ biến trong lĩnh vực này. Truyền động cơ khí dùng trong điều khiển van có mặt trên hầu hết các tàu. Nguyên lý làm việc truyền động cơ khí giới thiệu tại hình 19. Điều khiển van từ xa phải thỏa mãn các yêu cầu sử dụng và yêu cầu an toàn. Hình 19 • Đảm bảo đóng, mở van trong mọi trường hợp khi có yêu cầu. • Đảm bảo van không tự đóng, mở khi không có tín hiệu điều khiển. • Trong mọi trường hợp, thiết bị đóng, mở van dự phòng sẵn sàng thay thế cho thiết bị chính. Hệ thống điều khiển van bằng cơ khí trình bày tại hình 20. 14 Hình 20. Truyền động các dăng Hai ví dụ tiếp theo giới thiệu cách điều khiển van bằng khí nén, hình 21a và điều khiên van chêm nhờ hệ thống thủy lực, 21b. Hình 21 4. Bơm dùng trong các hệ thống tàu Thường gặp trên tàu các bơm piston, hình 22a và bơm ly tâm, hình 22b. Các thông số đặc trưng bơm người thiết kế phải xác định khi thiết kế hệ thống bao gồm: năng suất, cột áp, công suất động cơ kéo bơm, hiệu suất bơm và chiều cao tối đa cột hút. 15 Hình 22a 22b Bơm piston gồm xi lanh 2, piston 1 hoạt động trong đó cùnh van 3, 4. Khi piston chuyển động lên, vùng áp suất thấp xuất hiện trong xi lanh, van số 4 bị nước đẩy, mở ra đón nước vào. Khi piston chuyển động xuống, nước bị dồn nén, ép van 3 mở, nước tháo ra theo đường ống. Nước chuyển động trong hệ thống này như trình bày bằng các mũi tên. Bơm piston làm việc hiệu quả song bản thân bơm quá nặng nề, cồng kềnh. Tiếng ồn do bơm piston gây ra thường lớn. Bơm ly tâm tiêu biểu gồm thân bơm 2, bánh công tác 1 cùng các cánh trên đó. Bánh công tác quay nhờ động cơ đặt bên ngoài. Cánh bơm như thiết bị máy thủy lực chuyển hóa năng lượng cơ học cho nước, làm cho nước qua cánh bị đẩy ra vòng xoắn 4 để rồi hướng ra ống dẫn 5. Năng suất bơm ký hiệu Q, chỉ lượng nước qua bơm trong đơn vị thời gian. Trong hệ mét, năng suất tính bằng m3/s, còn trong thực tế sử dụng chúng ta quen dùng đơn vị đo m3/h hoặc thỉnh thoảng còn thay m3 bằng tấn khối lượng. Đơn vị dùng cho bơm cỡ nhỏ có thể là lít/phút. Cột áp bơm đo bằng mét cột nước, m cn. Năng lượng cần cho bơm làm việc, đẩy khối nước qua bơm trong đơn vị thời gian, tính bằng m3/s, và nâng đến cột áp H tính bằng m, được hiểu như sau: η ρ 1000 gHQP = (kW) trong đó: ρ - mật độ nước, kg/m3, g