燃油及其溢流艙優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)試驗

余 瑋

(中國船級社 上海分社，上海 200135)

為了滿足現(xiàn)行1974《國際海上人命安全公約》[1](International Convention for Safety of Life at Sea, SOLAS)第II-1/26.11條及第II-2/4.2.2.4條的有關(guān)要求，設(shè)計單位往往將船舶燃油日用柜、沉淀柜以及燃油溢流艙的空氣管通過機艙棚延伸至機艙煙囪的油霧箱或更高位置，這種延伸布置盡管能滿足公約的要求，但根據(jù)中國船級社(China Classification Society，CCS)《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》[2](以下簡稱“2016修改通報”)、IACS URS14[3](Unified Requirements S14 of International Association of Classification Societies，URS14)及SOLAS公約有關(guān)燃油艙結(jié)構(gòu)試驗的要求，燃油艙結(jié)構(gòu)試驗的壓頭可取下列較大者：

1) 至溢流管頂端。

2) 或至液艙頂部以上2.4 m。

3) 或至液艙頂部加任何壓力釋放閥的設(shè)定壓力。

4) 或至艙壁甲板。

考慮到燃油日用柜等燃油儲存艙一般均設(shè)有溢流管，無論其空氣管延伸多高，一般均不影響燃油艙的結(jié)構(gòu)試驗，而燃油溢流艙一般不設(shè)溢流管，隨著其兼作溢流的空氣管的升高，不僅會增加燃油溢流艙結(jié)構(gòu)試驗的難度，而且會提高試驗成本。

根據(jù)SOLAS公約第II-1/11.4條的要求，開展液體艙室結(jié)構(gòu)試驗的目的是分別滿足船舶分艙或液體艙室適應(yīng)性這2項要求，但CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》(2015)[4](以下簡稱《2015鋼規(guī)》)所給出的液體艙結(jié)構(gòu)強度計算公式僅考慮了船舶分艙的要求，并不涉及適應(yīng)性，以至于對僅需滿足適應(yīng)性要求的油艙及其溢流艙，因空氣管升高及分艙的要求，用該結(jié)構(gòu)強度計算公式計算出的油艙及其溢流艙的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸明顯偏大。

1) 以SOLAS公約和船級社規(guī)范為依據(jù)，結(jié)合船上燃油及其溢流艙的典型布置，就改進燃油溢流艙結(jié)構(gòu)的試驗方法和試驗壓頭選取進行充分論證。改變類似燃油溢流艙結(jié)構(gòu)形式的液體艙室結(jié)構(gòu)試驗的水壓高度的取值隨其兼作溢流空氣管的高度的增加而增加的傳統(tǒng)觀念。

2) 對現(xiàn)行規(guī)范中適用于燃油艙結(jié)構(gòu)強度計算的公式進行分析，指出現(xiàn)行規(guī)范中對滿足適應(yīng)性要求的燃油艙結(jié)構(gòu)強度計算公式中的參數(shù)進行選取的不合理之處，并提出對公式中液體密度參數(shù)分類選取、計算水壓高度合理限制的概念。

通過計算分析對比發(fā)現(xiàn)，合理選取結(jié)構(gòu)試驗的壓頭高度和使用經(jīng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)強度計算公式不僅能降低船廠對類似燃油溢流艙結(jié)構(gòu)形式艙室的結(jié)構(gòu)試驗的時間和成本，而且能使僅需滿足類似適應(yīng)性要求的燃油艙結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計尺寸更小更合理。選取合理的結(jié)構(gòu)試驗壓頭高度和優(yōu)化規(guī)范結(jié)構(gòu)強度計算公式，不僅能控制生產(chǎn)成本、減輕空船重量、提高船舶能效，而且可為URS14和船級社規(guī)范的修改提供技術(shù)支持，具有潛在的經(jīng)濟和社會效益。

1 燃油溢流艙的試驗方法

1.1 船舶燃油及其溢流艙的典型布置

為滿足SOLAS公約的有關(guān)要求，采用典型的通過機艙棚延伸至機艙煙囪油霧箱或更高位置的燃油日用柜、沉淀柜以及燃油溢流艙的溢流管和空氣管的布置(見圖1)。圖1中“Vent”將延伸至機艙煙囪油霧箱內(nèi)或更高位置。

1.2 船舶燃油溢流艙的試驗方法

SOLAS公約第II-1/11.3條要求“供裝載液體并形成船舶分艙部分的艙柜，應(yīng)以相當于其設(shè)計壓力的水頭試驗其密性和結(jié)構(gòu)強度。該水頭均不得低于空氣管頂或該艙艙頂以上2.4 m，取大者?！?/p>

注：溢流艙兼作溢流的空氣管頂端高度將高于艙頂部以上2.4 m或艙壁甲板的高度

圖1 燃油及其溢流艙空氣管和溢流管的典型布置

考慮到船上所布置的燃油及其溢流艙一般均不構(gòu)成船舶分艙部分的艙柜，《2015鋼規(guī)》取消對燃油艙的結(jié)構(gòu)試驗的要求，但考慮到SOLAS公約第II-1/11.4條要求“結(jié)構(gòu)強度試驗的目的在于確保分艙結(jié)構(gòu)布置是水密的，而不應(yīng)視為對任何用于儲存燃油或其他特殊用途艙室的適應(yīng)性試驗，而此類試驗按液體進入艙內(nèi)或其連接部分的高度，可能要求更為嚴格”，作為適應(yīng)性結(jié)構(gòu)強度試驗，“2016修改通報”又恢復(fù)對燃油艙的結(jié)構(gòu)試驗，但并未涉及燃油溢流艙。由此，燃油溢流艙是否需要做結(jié)構(gòu)試驗，目前各船級社實際做法并不一致，有些船級社將燃油溢流艙視為燃油艙進行結(jié)構(gòu)試驗，有些則僅要求做滲漏試驗。

盡管SOLAS公約第II-1/11.4條并未明確提及燃油溢流艙，但根據(jù)SOLAS公約第II-2/4.2.2條“燃油的布置”可知，所有船上的燃油布置均涉及燃油系統(tǒng)和燃油溢流系統(tǒng)，其中燃油艙作為燃油系統(tǒng)的一部分，其重要性已在公約中有具體的規(guī)定，包括結(jié)構(gòu)布置、安全措施等。同理，燃油溢流艙作為燃油溢流系統(tǒng)的一部分，其重要性將等同于燃油艙，因為SOLAS公約是禁止燃油撒落在機艙內(nèi)的，一旦燃油溢流艙破損，船上整個燃油溢流系統(tǒng)將無法正常工作，最終導(dǎo)致船舶無法滿足SOLAS公約的要求。因此，各船級社規(guī)范對燃油溢流艙的設(shè)置均做出了具體的規(guī)定，如CCS規(guī)范[5]、英國LR規(guī)范[6]和挪威DNV GL規(guī)范[7]等。目前在國際船級社協(xié)會(International Association of Classification Society, IACS)內(nèi)部針對燃油溢流艙的設(shè)置已達成共識，即：燃油溢流艙可作為SOLAS公約所要求的其他特殊用途艙室，并視為燃油艙進行結(jié)構(gòu)試驗，但如何對燃油溢流艙進行結(jié)構(gòu)試驗，試驗壓頭取多高才算合理，還有待于進一步論證。

2 燃油溢流艙結(jié)構(gòu)試驗壓頭高度的選取

SOLAS公約和船級社規(guī)范對船上的燃油系統(tǒng)及溢流系統(tǒng)均提出了防止溢油的安全措施，如：SOLAS公約要求為了避免船上油泵供油時出現(xiàn)燃油艙柜的溢流現(xiàn)象，明確提出燃油艙柜應(yīng)設(shè)有確定其艙柜內(nèi)存油量的安全有效裝置，包括艙柜內(nèi)高低油位的報警裝置，油泵供油的注入管在內(nèi)應(yīng)設(shè)有防止超壓裝置等的安全措施；各船級社規(guī)范對溢流艙提出具體的安全要求，包括在溢流管上設(shè)置良好照明的觀察器，觀察器應(yīng)安裝在垂直管上易于察看之處，或裝設(shè)當溢流艙柜溢流或油量達到艙柜的預(yù)定液面高度時的報警裝置等。

根據(jù)美國ABS規(guī)范[8]和挪威DNV GL規(guī)范等船級社規(guī)范，燃油溢流艙艙容一般應(yīng)滿足燃油輸送泵至少10 min額定供油的流量，為了避免燃油艙在注油時發(fā)生溢流現(xiàn)象，船舶燃油系統(tǒng)一般均采用閉式溢流系統(tǒng)[9]。由此可見，上述強制安全措施的設(shè)置使得燃油艙在加注燃油時幾乎不可能發(fā)生大量的溢流現(xiàn)象，即使有也不會超過10 min的緩沖流量，這些流量的燃油不足以使燃油溢流艙的燃油液面上升至煙囪油霧箱或更高位置的空氣管頂部，除非上述安全措施失靈，但此時的船舶狀態(tài)已不滿足SOLAS公約和規(guī)范的要求。據(jù)此，按照現(xiàn)行船級社規(guī)范和URS14的要求，取燃油艙結(jié)構(gòu)試驗的水壓高度對燃油溢流艙進行結(jié)構(gòu)試驗，即：試驗壓頭取之溢流管頂端顯然不切合實際(如圖1所示)。綜合參考SOLAS公約、各船級社規(guī)范和URS14對燃油艙結(jié)構(gòu)試驗的要求，從燃油溢流艙實際使用角度考慮，燃油溢流艙結(jié)構(gòu)試驗的壓頭取該艙艙頂以上2.4 m是最切合實際、最合理的。

3 燃油及其溢流艙結(jié)構(gòu)強度計算公式中的參數(shù)選取

根據(jù)《2015鋼規(guī)》的要求，對燃油艙的平面油密艙壁(包括高度>2 m的雙層底油密實肋板)的厚度t應(yīng)不小于按下式計算所得值。

(1)

式(1)中：s為扶強材間距，m；h為由艙壁板列下緣量至深艙頂?shù)拇怪本嚯x，或量至溢流管頂垂直距離的1/2，取較大者，m；ρ為液體密度，t/m3，計算時取值應(yīng)≥1.025；K為材料系數(shù)。

燃油艙平面油密艙壁扶強材的剖面模數(shù)W應(yīng)不小于按下式計算所得之值

W=8sρhl2K

(2)

式(2)中：s為扶強材間距，m；l為扶強材跨距， m；h為由扶強材跨距中點量到深艙頂?shù)拇怪本嚯x，或量至溢流管頂垂直距離的1/2，取較大者，m。ρ為液體密度，t/m3，計算時取值應(yīng)不小于1.025；K為材料系數(shù)。

根據(jù)式(1)和式(2)計算燃油及其溢流艙的結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸時，考慮到船上燃油及其溢流艙的布置一般均不形成船舶分艙部分的艙柜，也就是說，即使海水涌入引起這些艙柜的破損，也不會影響船舶的破艙穩(wěn)性，為此，其液體密度ρ值不應(yīng)取固定值1.025，而是應(yīng)根據(jù)SOLAS公約的適用性要求，取其所儲存的液體比重，即為船舶燃油的比重，除非這些艙柜作為船舶分艙部分的艙柜。

根據(jù)SOLAS公約和各船級社的規(guī)范要求，燃油及其溢流艙需強制設(shè)置防止溢流的安全措施，使得燃油溢流艙日常使用時幾乎是空的，即使有也不會超過10 min緩沖流量。為此, 就燃油溢流艙結(jié)構(gòu)形式，式(1)和式(2)中的h值為“量至溢流管頂垂直距離的1/2”已沒有意義，應(yīng)改為“至艙頂以上2.4 m的垂直距離m”更為合理。

4 合理選取燃油及其溢流艙結(jié)構(gòu)強度計算公式參數(shù)后的分析對比

根據(jù)式(1)和式(2)，以扶強材間距s為0.6 m，扶強材跨距l(xiāng)為2M為例，計算出燃油及其溢流艙平面艙壁板厚度T及其扶強材剖面模數(shù)W與燃油溢流管高度H及其艙柜內(nèi)液體密度ρ的關(guān)系(見表1和表2)。

由表1和表2的計算結(jié)果分析可知：

1) 溢流管頂?shù)拇怪备叨让吭黾? m，平均規(guī)范艙壁板厚t增加將近1 mm。

2) 液體密度由海水密度改為燃油密度，平均規(guī)范艙壁板厚t減薄將近0.5 mm。

3) 溢流管頂?shù)拇怪备叨让吭黾? m，平均艙壁扶強材剖面模數(shù)W增加近75%。

4) 液體密度由海水密度改為燃油密度，平均艙壁扶強材剖面模數(shù)W減少近16%。

5 結(jié)束語

通過上述研究，給出以下建議：

1) 燃油溢流艙或類似艙柜，選取其結(jié)構(gòu)試驗水壓高度。

表1 燃油及其溢流艙平面艙壁板厚度T與燃油溢流管高度H和液體密度ρ的關(guān)系

表2 燃油及其溢流艙平面艙壁扶強材剖面模數(shù)W與燃油溢流管高度H和液體密度ρ的關(guān)系

(1) 對具有兼溢流的空氣管延伸至煙囪油霧箱或更高位置，且設(shè)有防止進一步溢流安全措施的艙柜，應(yīng)滿足：如果艙柜不構(gòu)成船舶分艙部分，至艙頂以上2.4 m；如果艙柜構(gòu)成船舶分艙部分，至艙頂以上2.4 m或艙壁甲板，取大者。

(2) 無論艙柜構(gòu)成或不構(gòu)成船舶分艙部分，若沒有設(shè)置防止進一步溢流安全措施，則仍需滿足CCS“2016修改通報”第1篇第4章表1第21項的規(guī)定。

2) 燃油及其溢流艙,在使用規(guī)范公式對其進行結(jié)構(gòu)強度計算時，選取計算參數(shù)。

如果艙柜不構(gòu)成船舶分艙部分，計算密度為其適裝的液體密度，水壓高度取至該艙艙頂以上2.4 m；如果艙柜構(gòu)成船舶分艙部分，計算密度取自規(guī)范要求的1.025，水壓高度取自現(xiàn)行規(guī)范的要求值。

合理選取結(jié)構(gòu)試驗壓頭高度的限制和結(jié)構(gòu)強度計算公式中的計算參數(shù)，不僅能降低船廠對類似燃油溢流艙結(jié)構(gòu)試驗的難度，方便船廠在分段制造階段完成結(jié)構(gòu)試驗，而且能提高生產(chǎn)效率、減輕空船重量、提高船舶能效，這對已優(yōu)化的船型而言顯得尤為重要，同時還可為URS14和船級社規(guī)范的修改提供技術(shù)支持，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。