壓縮空氣排水半潛船的橫傾自惡化效應(yīng)

招商局重工（深圳）有限公司 邵啟一

壓縮空氣排水半潛船的橫傾自惡化效應(yīng)

招商局重工（深圳）有限公司 邵啟一

揭示壓縮空氣排水半潛船的一個(gè)固有特性，即在半潛狀態(tài)下，當(dāng)船的橫傾角出現(xiàn)較快的改變時(shí)，正在操作的左右舷壓載艙的進(jìn)出水速度會(huì)隨即發(fā)生改變甚至方向逆轉(zhuǎn)，并會(huì)產(chǎn)生加大船的橫傾角的不利效應(yīng)。因此將其命名為橫傾自惡化效應(yīng)。為減小該效應(yīng)的影響，給出操作上的建議。

半潛船；壓縮空氣排水；沉浮操作；橫傾自惡化效應(yīng)

采用壓縮空氣排水系統(tǒng)的半潛船，在半潛狀態(tài)下常易于出現(xiàn)橫傾失控。［1］業(yè)內(nèi)人士一般都將失控歸結(jié)為操作者對(duì)全船自由液面控制不當(dāng)，導(dǎo)致初穩(wěn)性變劣所致。時(shí)至今日，尚未見到有從空氣的可壓縮這一特性來對(duì)此問題進(jìn)行解釋或作出細(xì)化的分析。本文從半潛狀態(tài)下，船的橫傾角較快改變時(shí)，正在操作的壓載艙通海閥處的凈等效水頭也會(huì)隨之改變這一基本事實(shí)入手，論證了壓縮空氣排水系統(tǒng)半潛船具有的一個(gè)固有特性，即在船的橫傾角較快改變的情況下，壓載艙的進(jìn)排水速度會(huì)明顯改變，并會(huì)形成進(jìn)一步加大橫傾角的自惡化效應(yīng)。在分析此現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，本文提出了弱化所述效應(yīng)的針對(duì)性操作措施。

一、壓縮空氣排水的壓載艙

1. 運(yùn)作機(jī)理

壓縮空氣排水的壓載艙，是依靠注入壓縮空氣來完成排水，通過自灌或?qū)狠d艙抽真空的方式來吸水壓載的。采用這種壓載艙的半潛船，一般可以獲得較快的壓載排水速度，但系統(tǒng)的管路卻細(xì)小很多。［2］

壓縮空氣排水的壓載艙都具有底部的通海閥和頂部的空氣管。海水經(jīng)過通海閥進(jìn)出壓載艙，而空氣管則給輸入壓縮空氣或抽排出艙內(nèi)空氣提供通道。從理論上看，打開一個(gè)壓載艙的通海閥后，將該艙空氣管接到空壓機(jī)吸氣端或直通大氣，就可以對(duì)該壓載艙壓載；若將空氣管接到空壓機(jī)排氣端，輸入壓縮空氣，就可以對(duì)該壓載艙排水。改變空氣輸入或抽取量，結(jié)合通海閥開度的調(diào)節(jié)，理論上就可以改變壓載或排水的速度。［3］

2. 固有特性

然而，由于空氣具有可壓縮性，一個(gè)壓載艙內(nèi)部的空氣壓力就不會(huì)突變或者說不會(huì)發(fā)生很快的變化。這一固有的特性有時(shí)會(huì)導(dǎo)致即使已向一個(gè)壓載艙注入壓縮空氣，該壓載艙也未必就實(shí)際上在排水。因?yàn)?，只有?dāng)艙內(nèi)空氣壓力大于海平面和艙內(nèi)水位（內(nèi)外水位）的高度差，壓載艙才有可能排水。顯然，艙內(nèi)空氣壓力大過內(nèi)外水位高度差越多，排水速度就會(huì)越快。同樣的道理，只有當(dāng)艙內(nèi)空氣壓力小于內(nèi)外水位的高度差，壓載艙才有可能進(jìn)水。

3. 產(chǎn)生的問題

若以陸地為參照系，海平面高度顯然不會(huì)瞬間改變，但對(duì)于半潛船來說，尤其是處于半潛狀態(tài)下的半潛船來說，在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生數(shù)度的橫傾改變是常有的事。這時(shí)，對(duì)于位于船兩舷的壓載艙而言，就出現(xiàn)了海平面相對(duì)高度迅速改變的情況。如此，一個(gè)問題就隨之而來。對(duì)于一個(gè)打開了通海閥正在操作的壓載艙而言，海平面相對(duì)高度的明顯變化，就意味著內(nèi)外水位的高度差出現(xiàn)了明顯的變化，因?yàn)檫@時(shí)壓載艙內(nèi)的空氣壓力不可能即時(shí)改變，艙內(nèi)水位的變化也很小。那么，內(nèi)外水位高度差的變化就會(huì)導(dǎo)致該壓載艙通海閥中的水流速度發(fā)生變化，甚至還會(huì)出現(xiàn)水流方向被改變的情況，如果海平面相對(duì)艙內(nèi)水位高度改變了足夠多的話。因船的橫傾角較快地改變而明顯改變正在操作的壓載艙通海閥中的水流速度甚至是方向，并最終會(huì)使船的橫傾進(jìn)一步加大，這就是本文摘要中提到的橫傾自惡化效應(yīng)。

之所以將所述的效應(yīng)冠以惡化的定語，是因?yàn)檎趬狠d或排水的壓載艙，其進(jìn)排水速度隨著船的橫傾角變化而變化的效應(yīng)類似于自由液面效應(yīng)，相當(dāng)于增加了額外的橫傾力矩。由于在半潛狀態(tài)下，半潛船的初穩(wěn)性多處于很小的、接近臨界的狀態(tài)，所以橫傾自惡化效應(yīng)在船的半潛狀態(tài)下就會(huì)表現(xiàn)得尤為明顯，從而更容易對(duì)船舶的安全造成潛在的危害。

二、橫傾自惡化效應(yīng)

1. 橫傾角改變時(shí)內(nèi)外水位高度差改變量

圖1展示了一艘寬度42 m的半潛船，在橫傾角出現(xiàn)3°的改變后，根據(jù)幾何作圖或計(jì)算得出的海平面和兩舷壓載艙內(nèi)水位平均高度差的變化情況，這里假定每個(gè)壓載艙的寬度為1/4船寬，橫傾過程中壓載艙內(nèi)的壓載水量在短時(shí)間內(nèi)沒有變化，且艙內(nèi)的水線面均以各自的中性軸為傾斜軸。

圖1　在橫傾角改變3°后，海平面和壓載艙水位平均高度差會(huì)改變0.825 m

以同樣方法可以得出船的橫傾角在1°到6°范圍內(nèi)改變時(shí)，內(nèi)外水位高度差的改變量，如表1所列。因?yàn)閮H是小角度橫傾，表中數(shù)值符合近似線性變化的規(guī)律。另外，當(dāng)一舷的內(nèi)外水位高度差是增加時(shí)，對(duì)應(yīng)另一舷的自然就是減小的。

表1　橫傾角改變量與內(nèi)外水位高度差改變量關(guān)系表

2. 伯努利方程

如果忽略管道阻力和水的黏性，依照伯努利方程，流經(jīng)通海閥中的水流速度可由以下公式計(jì)算：

其中：hp為壓載艙內(nèi)的空氣壓力，m，按0.01 MPa =1 m水頭來換算，真空時(shí)取負(fù)值；hb為壓載艙內(nèi)水位高度，m；hs為海平面高度，m；heq為通海閥處的等效凈水頭，m；V為流經(jīng)通海閥的水流速度，m/s。

在將艙內(nèi)空氣壓力、水位高度和海平面高度綜合成等效凈水頭后，根據(jù)伯努利方程，通海閥中的水流速度就可以和等效凈水頭相互對(duì)應(yīng)起來，而且，在艙內(nèi)空氣壓力和水位高度沒有明顯變化的前提下，海平面高度的變化就會(huì)直接反映在等效凈水頭的變化上，并直接影響經(jīng)過通海閥的水流速度的變化。

流經(jīng)壓載艙通海閥的設(shè)計(jì)水流速度比一般管路要快得多。表2給出了通海閥中的水流速度從2.5 m/s變化至10 m/s時(shí)所對(duì)應(yīng)的等效凈水頭，以及對(duì)于口徑400 mm的通海閥，可以達(dá)到的理論流量。

表2　等效凈水頭與水流速度、流量的關(guān)系

盡管實(shí)際的壓載艙進(jìn)排水時(shí)，因?yàn)榇嬖诠苈窊p耗，水也存在少量的黏性，流經(jīng)通海閥的水流速度會(huì)比表2所列的計(jì)算結(jié)果要小，但這并不會(huì)影響據(jù)此分析得出的結(jié)論。

3. 一些分析結(jié)果

利用表1和表2的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合圖1的圖示，分析后可以得出以下結(jié)論：

（1） 等效凈水頭即使只有1 m的變化，也會(huì)明顯影響流經(jīng)通海閥的水流速度。如等效凈水頭從0.319 m改變到1.276 m，水流速度可以增加一倍。

（2） 在通海閥內(nèi)的水流速度較小時(shí)（5 m/s以下），只要有1°～3°的橫傾角變化，就有可能導(dǎo)致等效凈水頭出現(xiàn)方向性改變，而使水流速度反向。如流速在2.5 m/s時(shí)，橫傾角發(fā)生2°的變化，或在3.75 m/s時(shí)，橫傾角發(fā)生3°的變化。

（3） 當(dāng)船的橫傾角出現(xiàn)一個(gè)不大的變化，吃水增大一舷的壓載艙因等效凈壓頭增加，壓載速度就會(huì)加快或排水速度就會(huì)減慢；吃水減小一舷的壓載艙因等效壓頭將減小，排水速度就會(huì)加快或壓載速度就會(huì)減慢。

（4） 就所分析的壓載艙壓載排水速度的改變規(guī)律，與調(diào)整橫傾角需要的操作恰恰相反，從而有進(jìn)一步增大橫傾角的作用，即出現(xiàn)了所謂的橫傾自惡化效應(yīng)。

（5）如果船的橫傾角改變足夠大，如達(dá)到5°以上，那么通過壓載艙通海閥的水流速度就有可能改變方向，即由排水轉(zhuǎn)變成了壓載，或由壓載轉(zhuǎn)變成了排水，即使操作者并未對(duì)通海閥和空氣管閥的開度做任何調(diào)整。這說明，船的橫傾角改變量越大，橫傾自惡化效應(yīng)就將越明顯。

（6） 對(duì)于靠近中縱剖面的壓載艙來說，在同樣的橫傾角變化下，海平面高度相對(duì)變化較小，橫傾自惡化效應(yīng)就沒有邊壓載艙那樣明顯。

4. 效應(yīng)影響程度的估計(jì)

由于在橫傾自惡化效應(yīng)起作用的過程中，壓載艙內(nèi)必然伴隨有壓載量的變化，所以這一效應(yīng)與純粹的自由液面效應(yīng)不同，具有一定的動(dòng)態(tài)效應(yīng)成分。但通過靜態(tài)計(jì)算效應(yīng)產(chǎn)生的額外橫傾力矩，［4］可以來大致評(píng)估其作用的大小。

不失一般性，這里假定兩個(gè)左右對(duì)稱位置的邊壓載艙，在相同初始排水速度的前提下，船發(fā)生右傾，橫傾角分別改變1°、3°和5°時(shí)，計(jì)算因所述效應(yīng)的作用而導(dǎo)致兩艙排水流量的差異，以及在1 min時(shí)間內(nèi)將會(huì)形成的額外橫傾力矩。計(jì)算中取通海閥口徑為400 mm，左右壓載艙中心距離為30 m。詳細(xì)的計(jì)算及有關(guān)結(jié)果分別如表3、表4、表5所列。

表3　右傾1°時(shí)，1 min后等效橫傾力矩

表4　右傾3°時(shí)，1 min后等效橫傾力矩

表5　右傾5°時(shí)，1 min后等效橫傾力矩

在半潛狀態(tài)下，半潛船的初穩(wěn)性都很小，規(guī)范要求是不小于0.05～0.1 m（視具體海況定），那么，對(duì)于一艘下潛到最大沉深時(shí)，初穩(wěn)性高度為0.1 m，排水量達(dá)到120 000 t的半潛船，要使其橫傾3°也僅需要約6 300 kN·m的橫傾力矩。對(duì)比3個(gè)表中最后一列所列的等效橫傾力矩值，可見橫傾自惡化效應(yīng)對(duì)引起船的繼續(xù)橫傾會(huì)起巨大作用。更何況在沉浮過程中，一般至少會(huì)同時(shí)對(duì)6個(gè)壓載艙（3對(duì)）進(jìn)行操作，1 min后的等效橫傾力矩將是表中計(jì)算值的3倍。因此，即使橫傾僅改變1°，只要是改變得比較快，操作者若在1 min內(nèi)沒有恰當(dāng)應(yīng)對(duì)，橫傾自惡化效應(yīng)就會(huì)迅速顯現(xiàn)出來。

5. 效應(yīng)潛在的危害

除了橫傾自惡化效應(yīng)會(huì)引起半潛船橫傾角迅速增加的潛在危害外，應(yīng)該說，其最大的潛在危害就是知道這一效應(yīng)存在的操作者甚少。由于缺乏認(rèn)識(shí)，操作者心目中也就不可能預(yù)想好恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施。在半潛狀態(tài)下的半潛船，受臨時(shí)外力矩的作用，出現(xiàn)數(shù)度橫傾角的改變往往只需要一至數(shù)分鐘，甚至更短的時(shí)間。這使得橫傾自惡化效應(yīng)常常就會(huì)起作用，但留給操作者的處置時(shí)間卻很少。如果短時(shí)間內(nèi)操作者未能采取非常有針對(duì)性的措施，對(duì)橫傾的調(diào)整就難以見效，這時(shí)，船就會(huì)出現(xiàn)很大的橫傾角，安全也就受到極大的威脅。

三、應(yīng)對(duì)措施和建議

了解了壓縮空氣排水半潛船具有橫傾自惡化效應(yīng)這一特性后，在沉浮操作時(shí)就需要預(yù)定一些應(yīng)對(duì)措施，以便在發(fā)現(xiàn)效應(yīng)起作用的跡象時(shí)，用以控制橫傾角進(jìn)一步增大，防止效應(yīng)導(dǎo)致嚴(yán)重惡果。以下是有關(guān)應(yīng)對(duì)措施的一些建議：

（1）在半潛船處于初穩(wěn)性較為臨界的沉浮階段時(shí)，盡量操作靠近船中縱剖面的壓載艙，同時(shí)操作的壓載艙數(shù)量盡量少一些，如不超過4～6個(gè)。這樣在橫傾角有快速改變時(shí)，效應(yīng)影響會(huì)小一些。

（2）在半潛船保持在穩(wěn)定的小角度橫傾時(shí)（如3°以下），不要刻意將船快速調(diào)整到0°橫傾，因?yàn)檫@樣做實(shí)際上就是在快速改變內(nèi)外水位的高度差，誘使橫傾自惡化效應(yīng)起作用。應(yīng)盡量采用微調(diào)方式調(diào)整浮態(tài)。

（3）將壓載艙通海閥調(diào)整在可以維持合適流量的開度上，即對(duì)應(yīng)閥內(nèi)有較快的流速，以弱化效應(yīng)起作用時(shí)的影響（通海閥中水流的初始速度越大，受效應(yīng)的影響就越弱）。

（4）記住只有通海閥才可以絕對(duì)控制壓載艙內(nèi)的水量不變，所以應(yīng)同時(shí)啟閉一個(gè)壓載艙的通海閥和空氣管閥，而不是僅僅關(guān)閉空氣管上的閥。

（5）在船出現(xiàn)較快的橫傾角改變時(shí)，可先迅速地將正在操作的壓載艙通海閥全部關(guān)閉，防止橫傾自惡化效應(yīng)擴(kuò)大，導(dǎo)致橫傾角進(jìn)一步增加。然后等壓載艙內(nèi)建立起合適的背壓后再開啟通海閥來調(diào)整橫傾。

（6）在壓載艙液位指示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，最好加入內(nèi)外水位差的指示以及艙內(nèi)空氣背壓指示，以幫助確定打開通海閥需要的背壓是否合適。

四、結(jié)論

橫傾自惡化效應(yīng)是一種不利于壓縮空氣排水半潛船操作安全的效應(yīng)，需要盡快被半潛船操作者認(rèn)識(shí)。當(dāng)半潛船處于沉浮階段中初穩(wěn)性接近臨界的狀態(tài)時(shí)，效應(yīng)導(dǎo)致的額外橫傾力矩在數(shù)量級(jí)上將與引起船數(shù)度橫傾角的外力矩相近。為減小效應(yīng)的作用，盡量使用靠近船中縱剖面的壓載艙，同時(shí)操作的壓載艙數(shù)量應(yīng)盡量少一些，并采取緩慢的調(diào)整手法。當(dāng)船出現(xiàn)較快的橫傾角改變時(shí)，可先迅速地將正在操作的壓載艙的通海閥關(guān)閉，來止住橫傾角的進(jìn)一步擴(kuò)大，然后等壓載艙內(nèi)建立起合適的背壓后再開啟通海閥來調(diào)整橫傾。

［1］王春久.半潛船的特點(diǎn)與操作介紹［J］.天津航海，2014（2）:8-10.

［2］周卓亮，蔡潔.50 000噸半潛船壓縮空氣壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.船舶，2013（5）:57-62.

［3］李志壘.大型半潛船壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.船舶，2014（1）:53-57.

［4］盛振邦.船舶靜力學(xué)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1979:47，36.

征訂啟事

《世界海運(yùn)》（World Shipping）雜志于1978年10月創(chuàng)刊，由交通運(yùn)輸部主管、大連海事大學(xué)主辦，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)ISSN 1006-7728，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)CN 21-1284/U，面向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行。

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邵啟一（1954—），男，碩士，高級(jí)工程師，E-mail：qyshao888@126.com