0引言
排气系统是船舶设计中的一个重要环节，其主要功能是保证柴油机、锅炉、焚烧炉等设备在使用过程中产生的废气顺利排至大气，保证设备的正常运行。因此，对船舶排气系统的设计、分析、研究，以确保其安全可靠，是一项很有研究价值的课题。
1.排气系统的技术设计
常规成品油/化学品船的排气系统主要由排气管、膨胀节、消音器以及管支架等组成。整个排气系统的技术设计，主要围绕以下几个方面展开：
排气管的管径选用
膨胀节、消音器等设备附件选型、布置位置
排气管路的走向与背压控制
④管支架的设计与设置
1.1排气管管径的计算
根据船舶尺寸及其配置功率不同，管道管径也不同。通常，按下列公式计算排气管直径：
①排量的计算：柴油机的排量一般由设备厂商提供，如果没有数据，则可用以下公式来计算：
其中： Qmg为柴油机的排放（kg/s)；
Lo是指1kg燃料的理论含气量，一般为14.3；
β为燃料消耗量（kg/s)；
四冲程柴油机的空气容限系数为2.1-2.6，二冲程柴油机为3.5-3.7。
②排气容积流速：
其中：γ为排放物的平均浓度（kg/m3）
③二冲程柴油机排气烟气流速：25米/秒至35米/秒
四冲程柴油机：40米/秒至50米/秒
主锅炉：7米/秒～10米/秒
辅助锅炉：15米/秒～20米/秒
根据柴油机排量和烟气流速，计算出排气管管径，再校核计算所得的管径值是否在柴油机允许背压范围内，若超出允许背压的范围，必须加大排气管管径，否则将直接影响柴油机的输出功率，进而影响船舶的整体性能指数。
1.2排气管附件的选择
首先是管子，一般情况下，通径在300mm以下的管子是用无缝钢管制造的，通径超过300mm的管子则用6mm及以上厚度的钢板卷制而成。其次是法兰，一般采用标准CB/T 3766-1996的排气管法兰，或按设备接口法兰的标准进行选配。最后是衬垫，由于排气管长期处于高温环境，衬垫应选用耐高温阻燃衬垫，常规选用增强石墨材质。
1.3设计中对排气管背压的考虑
排气管路的容许反压力必须符合设备生产商的要求，在设计时应注意以下几个方面。1）水平的排气管段在空气流动方向上要适当的向上倾斜，保证排气顺畅。
2）在排气管的布置上，尽量避免采用过多的弯管，以减少管路内部压损，降低排气背压。
3）对于要求必须有弯头的位置，其弯曲半径要尽量大，尤其是在发动机增压器出口的弯头，必须达到2.5 d以上（d为管道外直径）。
4）每种柴油机都有各自的排烟装置。在多台发动机排气口与同一排气口和消声器相接时，各管路均需单独安装一套烟道。最后为了保证两台增压发动机的后压均衡，应使排气管路的布局尽可能对称。
图1排气管示意图
如图1（a）中所示，两个排气管是对称的，它的弯曲半径 R足够大，并且有一个排气口，这是一个很好的设计。图1(b)中的两个排气管是不对称的，它的弯曲半径 R很小，而且没有排放管，所以不适合。图1(c)中的双排气管在一侧设置排气设备，造成了背压不均衡，故不宜使用。
1.4消音器的设置
1）在柴油机的排气系统中，消音器是必不可少的。消音器一般要求为25分贝（A)，当船舶的挂旗国是德国时，此项要求须提高至35分贝（A）。消音器产生管路压损也必须纳入管路的背压计算中，以确保最终设计完的排气管路背压在设备允许范围内。
2）其次油轮、化学品船、液化石油气船或在油区作业的船舶，必须在其废气系统中安装火星熄灭装置。
3）消音器和排气管路应该在合适的位置安装一个泄水阀（或一个螺杆），它的泄水口通过一个排水管道，一个水封装置，再流入到船底。
1.5膨胀节的布置
由于废气系统温度较高，在设计时应充分考虑管道的热膨胀性能。钢管的线性热膨胀系数通常是α=11.7×10-6m/m·k，当温度提高100 K时，管子的延伸率大约是1.2mm/m。为了补偿管道的膨胀量，应在两个固定点之间加一个膨胀节，膨胀节的最大膨胀量应比管道的膨胀量大，一般采用不锈钢材料制成的波纹膨胀节。根据膨胀节的特殊特性，在某些情况下，可以考虑一定的预压。通常，在发动机的涡轮增压器排气口、排气管的横向和纵向的管道上都要有一个波纹扩张节，并且要在合适的地方安装管道来固定支架，以适应管道膨胀的方向。
1.6排气管的生产设计
排气管的生产设计主要以排气管布置为主，其设计目标为：最短排气管、最少弯头、便于固定、便于安装、保证排气管排气通畅、散热面积减小、环境温度下降、能充分发挥装置的功能。同时，应保证排气管路远离船体，保持管道的高度，减少占用的空间，并防止与其他专业设备、舾装件发生干扰。总体来说，排气管的布置要从机舱的整体布置出发，全盘考虑，同时要结合消音器、烟囱和废气锅炉的布置。
1.7排气管生产设计的设计依据
排气管道的布局应按下列图纸进行：
①详细设计图纸和与排气管相关的和船身构造以及机舱区综合布置。
②包括排气口的机舱布置和舱室布置。
③船体结构和发动机的技术规范。
④主、辅机、锅炉及其他相关设备的试样及使用说明.
2.2排气管生产设计的设计步骤
首先对各种数据进行全面的分析：对排气管的原理、设备技术参数有深刻的了解。其次是主要辅助设备的位置：如废气过滤、定位辅助设施、消声器，膨胀节，这些装置的位置应易于维护和检修，也方便随后的底座的安装。第三是排气管道的3D模型：熟悉所有图纸、资料和相关设备的位置，然后进行3D模型的建立。最后是正确的布置排气管支撑：在完成排气管道后，要安装各种不同的弹性悬挂和固定的支撑。
1.8排气管生产设计的设计要点
在生产设计中，有许多设计要点要考虑，要想提高其实际使用效果，不仅要掌握其设计的步骤，还要对其关键的设计要领有足够的理解。首先排气管路的布置不能影响吊装作业，并且应与平台，扶梯，通风管道和隔板等保持一定的间距。其次禁止在排气管、消音器、锅炉、烟囱等处安装油罐、油管，防止油柜和管路渗漏的燃料滴到管路的表面。第三排气管与油柜要有一个安全的距离，尤其是在排气管法兰附近。同时，燃油管与排气管之间要保持一定的安全距离，特别是在燃油管的法兰接头，要采取有效的预防措施。第四排水管与电缆之间的距离也是设计时要考虑的问题，一般情况下，排气管与电缆之间的安全距离要超过200 mm，这样可以不影响到电缆的正常工作。第五，一般来说，排气管会伸至并突出烟囱的顶端，废气直接排至大气，如有必要，也可从舷侧排出，但不得从舷侧排出易燃易爆物料的废气。第六在烟囱的顶端，排气管路应该安装防水装置。排水管出口要有防雨管接头、防雨帽等装置，或在排水管出口上弯曲，并切割45度左右的断面，避免雨水直接流入排气管。最后应急发电机的排气管不能穿越居住区，且必须与机舱排气管道分离。
2.排气管支架的设置
2.1、各位置排气管支架的作用及注意事项：
（1）水平管路固定码：承重，尽量采用托举式，支架及支架座尽量短以减小力臂，同一位置的几个固定码应均布；
（2）竖直管路固定码：承重，尽量采用托举式，支架及支架座尽量短以减小力臂，同一位置的几个固定码应均布；
（3）水平管路滑动码：承重，尽量采用托举式，支架及支架座尽量短以减小力臂，必要时增加斜撑；
（4）竖直管路固定码：不承重，支架及支架座尽量短，同一位置90度布置两个即可；
二、排气管支架及膨胀节布置原则
2.2、详见Q/GSI 8--2020 排气管附件设计细则；
图示和模型
（1）管支架的型式，分为固定支架和滑动支架，图形表示如下：
（2）模型表示如下：
（3）排气管支架型式选用和布置位置的原则
（4）管支架靠近船体结构的，应尽可能落在船体结构上，可以选用板材型式的支架。
（5）管支架若选用型材型式的，支腿应尽可能短（以下同样是滑动码）
（6）排气管支架布置太长，强度不足，无法起到固定作用。
（7）下图排烟管直径DN1300，管支架选用码钩+型材型式，强度不足，在振动摇晃过程中，可能导致码钩变形，甚至螺母脱出型材，需改为板材型式。
（8）竖直管段的滑动码，布置4个过于多，支腿做成单腿、保留90度2个。
（9）烟囱顶（外部）滑动码，应90度布置。
（10）过于复杂，做成单腿+弧形板，垂直壁板即可。
2.2、弹性吊码
弹性吊码主要作用是吸收震动，降低噪音。在布置时需注意以下几点：
（1）竖直管段上不承重的吊码应水平安装
（2）吊码焊接片（圈住部分）活动方向应沿着管长方向（轴向）
（3）承重的吊码安装时应考虑吊码的变形量，一面导致膨胀节受压或被拉伸。
3.结语
排气管是海洋工程船舶动力设备中的一个关键部件，它直接关系到整个机舱的总体布置以及其他管路的布置。在确定了排气管道的布局后，机舱内其他管路的布置才能最终确定。所以，在海洋工程船舶排气系统的设计中，应该重视对各个详细设计、生产设计的各个环节的控制与管理，特别是对某些关键的设计要求更加全面，从而使其在实际应用中得到充分的利用。
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