溢流法更換壓載水時(shí)船舶壓載艙的超壓?jiǎn)栴}研究

趙 翠，薛昌奇，謝春霞

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 LNG技術(shù)研究所，上海 200129）

0 引言

船舶壓載水對(duì)海洋環(huán)境的污染引起國(guó)際海事組織和各國(guó)政府的高度重視，自2017年9月8日起，所有新造船壓載水的排放要求滿足D-2標(biāo)準(zhǔn)，而傳統(tǒng)的壓載水交換方法已無(wú)法滿足該排放標(biāo)準(zhǔn)。然而，考慮到在應(yīng)急情況下不合規(guī)壓載水排放的可能性，海洋環(huán)境保護(hù)委員會(huì)在第71次會(huì)議上通過(guò)了應(yīng)急情況下壓載水管理導(dǎo)則（BWM.2/Circ.62）。其中，壓載水交換方法被列為可接受的應(yīng)急措施之一。

溢流法以其操作簡(jiǎn)單、安全性相對(duì)性好的優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用。工作原理是先從壓載艙的底部泵入清潔海水，再?gòu)膲狠d艙的頂部溢流口溢出原來(lái)的壓載水。為了滿足95%的壓載水置換率要求，該方法需要注入至少3倍于壓載艙容量的海水。

采用空氣管作為溢流出口是其中一個(gè)選擇，但要考慮溢流時(shí)壓載水艙是否出現(xiàn)過(guò)壓的問(wèn)題。溢流法由于艙內(nèi)始終充滿水而避免了彎矩、剪力和局部應(yīng)力過(guò)大等問(wèn)題，但溢流管路存在阻力損失，可能使得壓載艙和壓載管路壓力過(guò)高，導(dǎo)致壓載艙變形或破損。可以通過(guò)溢流管路阻力計(jì)算來(lái)確保壓載水溢流置換時(shí)的壓載艙壓力不大于其設(shè)計(jì)壓力。

本文以某化學(xué)品船為例，介紹壓載艙的超壓計(jì)算方法，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，為類似項(xiàng)目提供參考。

1 計(jì)算方法

1.1 壓載系統(tǒng)的阻力計(jì)算

壓載系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 壓載系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)的總阻力可以表示為

式中：

H

為壓載泵的壓頭，m；

h

為系統(tǒng)靜壓頭，m，即壓載水的最高液位與水線之間的高度差，這里取空氣頭的高度作為壓載水的最高液位，水線取最深壓載水線高度；

h

為管道沿程水頭損失，m；

h

為管道局部水頭損失，m。

管路的沿程阻力可以由達(dá)西公式計(jì)算得出：

因此有

式中：

λ

為管子摩擦阻力系數(shù)，多由經(jīng)驗(yàn)公式求得或由實(shí)管試驗(yàn)圖表查??；

l

為管段長(zhǎng)度，m）；

d

為管子內(nèi)徑，mm；

g

為重力加速度，取9.81 m/s；

v

為管內(nèi)流體速度，m/s；

Q

為流體在管路中的體積流量，m/h。

管路附件的局部阻力計(jì)算公式為

將流速公式（3）代入，因此有：

式中：

ζ

為阻力系數(shù)，指各種閥、彎頭、異徑和進(jìn)出口等造成的局部阻力損失系數(shù)，可從相關(guān)手冊(cè)查得。

1.2 壓載艙過(guò)壓壓頭計(jì)算

壓載泵型式通常為離心泵，根據(jù)離心泵的性能，壓載泵的流量是隨系統(tǒng)的阻力變化而變化的。在溢流工況中，其流量不一定是額定流量，為了更準(zhǔn)確地得到溢流工況時(shí)壓載水艙的承壓，需要計(jì)算壓載水艙的實(shí)際溢流流量。

根據(jù)式（1）～式（6）可知，系統(tǒng)管路阻力與流量呈二次函數(shù)關(guān)系，取幾個(gè)不同流量下的系統(tǒng)管路阻力，即可得到壓載系統(tǒng)的管路阻力

H

與流量

Q

的關(guān)系曲線。壓載泵的性能曲線和系統(tǒng)的管路阻力曲線的交點(diǎn)即為溢流時(shí)壓載泵的工作點(diǎn)（圖2），計(jì)算得到流速，再代入式（7），最后得到壓載艙的過(guò)壓壓頭。

圖2 壓載泵的性能曲線及壓載系統(tǒng)的管路阻力曲線

式中：Δ

H

為壓載艙的過(guò)壓壓頭，m；

h

為從艙頂?shù)娇諝忸^的距離，m。

2 化學(xué)品船壓載艙的超壓計(jì)算

某化學(xué)品船的部分參數(shù)如下：兩柱間長(zhǎng)

L

為179 m，結(jié)構(gòu)吃水13.2 m；壓載艙共7組，除3個(gè)底部壓載艙外，其余每組均分為左右舷邊壓載艙2個(gè)；專用壓載泵（離心泵）2臺(tái)，排量為750 m/h，揚(yáng)程為30 m；各壓載艙注入管通徑為DN 250。

根據(jù)規(guī)范對(duì)空氣管終止位置的要求，壓載艙空氣頭需布置在露天甲板，一般布置在干舷甲板以上至少760 mm，在上層建筑甲板以上至少450 mm。該船每個(gè)壓載艙首尾各設(shè)1個(gè)空氣管，空氣頭布置在主甲板上760 mm，主甲板距基線20.2 m。

按照空氣管截面積應(yīng)以大于注入管截面積的1.25倍計(jì)算，空氣管通徑選取1×DN 200和1×DN 250。

2.1 壓載泵的性能曲線

根據(jù)廠家提供的壓載泵性能曲線（圖3），從中選取3個(gè)點(diǎn)，如表1所示。

圖3 壓載泵性能曲線圖

表1 壓載泵的流量和壓頭

將表1的數(shù)值代入表2，得到壓載泵的性能曲線積分圖表。

表2 壓載泵的性能曲線積分圖表（均差表）

壓載泵的性能曲線為

式中：A、B、C為根據(jù)牛頓內(nèi)插多項(xiàng)式運(yùn)算規(guī)則得到的系數(shù)，A=-0.000 013 8，B=0.002 381，C=35.95。

2.2 壓載系統(tǒng)的典型曲線

壓載系統(tǒng)原理如圖4所示，壓載泵安裝在泵艙內(nèi)，壓載總管采用環(huán)形總管式。壓載艙外的壓載管使用焊接鋼管，而壓載艙內(nèi)的壓載管使用玻璃鋼管，玻璃鋼管膨脹節(jié)接頭用于補(bǔ)償船體變形。壓載艙壓力主要和溢流管路的布置以及壓載水交換的流量有關(guān)，進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)，可在保證壓載艙不超過(guò)允許壓力的條件下，給出溢流管路的最大允許流量，或者給出管路的流量壓力降曲線。

圖4 壓載系統(tǒng)原理示意圖

注入系統(tǒng)的管路阻力越小，離心泵工作點(diǎn)的流量越大，溢流時(shí)通過(guò)空氣管及空氣管頭的阻力越大，艙柜超壓的可能性也就越大。由于壓載水置換過(guò)程中，中壓載艙是單臺(tái)泵注入1個(gè)艙，邊壓載艙是單臺(tái)泵同時(shí)注入左右舷2個(gè)艙，因此選取離泵艙最近的第三壓載艙（中）為例進(jìn)行系統(tǒng)阻力計(jì)算。

壓載系統(tǒng)的管路阻力可以分段計(jì)算，包括：壓載泵的吸入管路的阻力；壓載泵注入至第三壓載艙（中）的管路阻力和壓載水從空氣管頭溢流的阻力。同時(shí)還要加上系統(tǒng)的靜壓頭

h

（取7.6 m），根據(jù)式（1）～式（6）的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 壓載系統(tǒng)的壓降表

將表3的數(shù)值代入表4中，得到壓載系統(tǒng)的典型曲線積分圖表。

表4 壓載系統(tǒng)的典型曲線積分圖表（均差表）

壓載系統(tǒng)的典型曲線為

式中：D、E、F為根據(jù)牛頓內(nèi)插多項(xiàng)式運(yùn)算規(guī)則得到的系數(shù)，D=0.000 026 06，E=0.00，F(xiàn)=7.6。

2.3 壓載艙的實(shí)際溢流流量

圖5為壓載泵的性能曲線和壓載系統(tǒng)的曲線圖，計(jì)算得出第三壓載艙（中）溢流時(shí)壓載泵的工作點(diǎn)：實(shí)際流量

Q

為873.5 m/h，壓頭

H

為27.5 m。

圖5 壓載泵和壓載系統(tǒng)曲線圖

2.4 第三壓載艙（中）的超壓計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式（3）計(jì)算得到壓載水溢流時(shí)的流速

v

為2.96 m/s，因?yàn)?p>h

=0.76 m（圖6），由式（7）得到第三壓載艙（中）的過(guò)壓壓頭 Δ

H

=3.52 m，即壓載水從空氣管中溢流時(shí)流經(jīng)空氣管及空氣管頭的阻力會(huì)達(dá)到3.52 m水柱。

圖6 壓載艙空氣管示意圖

根據(jù)船級(jí)社規(guī)范，在計(jì)算壓載水艙的設(shè)計(jì)承壓時(shí)，假設(shè)的空氣管溢流阻力一般情況下推薦取2.5 kN/m（即2.5 m水柱）。計(jì)算結(jié)果表明，壓載水通過(guò)1根DN 200和1根DN 250的空氣管溢流時(shí)，空氣管溢流阻力為2.76 m，超過(guò)2.5 m水柱，所以第三壓載艙（中）將處于超壓狀態(tài)。

3 壓載艙超壓?jiǎn)栴}分析

壓載艙產(chǎn)生超壓?jiǎn)栴}后，可以考慮以下幾個(gè)解決方案：

1）適當(dāng)放大空氣管管徑。

注入管的截面積并不是設(shè)計(jì)空氣管時(shí)唯一考慮的因素。如果空氣管的通徑不合適，會(huì)導(dǎo)致壓載水艙中的壓力過(guò)高，這是使用空氣管作為溢流出口存在的一個(gè)重要問(wèn)題。

該船第三壓載艙（中）存在超壓?jiǎn)栴}，如果將通徑DN 200的空氣管加大到DN 250，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到第三壓載艙（中）的過(guò)壓壓頭 Δ

H

=2.65 m。所以壓載水通過(guò)2根DN 250的空氣管溢流時(shí)，空氣管溢流阻力為1.89 m，小于2.5 m水柱，可以保證壓載艙在注入時(shí)所承受的壓力在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)。

2）對(duì)空氣管進(jìn)行改造，如增開(kāi)支管等。

在空氣管上開(kāi)支管，將支管作為溢流出口。在溢流出口用法蘭連接 1根伸向甲板外的溢流短管（圖7），平時(shí)將溢流短管取下，并且用盲板法蘭封閉溢流口。這種設(shè)計(jì)可以消除壓載艙室由于溢流產(chǎn)生的過(guò)壓現(xiàn)象，也可以避免壓載水直接溢流到甲板上，但是初期投資相對(duì)來(lái)說(shuō)較高。

圖7 空氣管出口的設(shè)計(jì)（單位：mm）

3）選用阻力系數(shù)小的空氣管頭。

空氣管頭的阻力系數(shù)一般在4～8之間，如條件允許，應(yīng)盡量選用在設(shè)計(jì)流量下，阻力系數(shù)小于4.5的空氣管頭。

另外，按照船級(jí)社規(guī)定，壓載艙的空氣管頭屬于型式認(rèn)可產(chǎn)品。一旦透氣帽出現(xiàn)故障，使得泵入壓載艙內(nèi)水的溢流受阻，壓載艙壁承受的壓力會(huì)迅速上升，甚至?xí)_(dá)到設(shè)計(jì)壓力的4倍以上，壓載艙的結(jié)構(gòu)會(huì)因此損壞。

4 結(jié)論

現(xiàn)階段而言，溢流法僅僅作為壓載水管理的應(yīng)急措施采用，但不合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然會(huì)給船舶結(jié)構(gòu)帶來(lái)非常不利的影響。根據(jù)規(guī)范要求，船廠要進(jìn)行壓載艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)。壓載水系統(tǒng)的壓降計(jì)算是設(shè)計(jì)過(guò)程必不可少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它涉及到壓載艙空氣管尺寸的選擇和壓載水管的布置等。本文提供了一種壓降計(jì)算方法，以科學(xué)的計(jì)算步驟建立壓載水系統(tǒng)，從而使船舶能夠更好的適應(yīng)各種裝載工況，保持一定的航行性能。