某80000載重噸半潛船壓載透氣系統設計研究

李仁科 黃 吉 許婉瑩 袁金永

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

為滿足不可分割的大型貨物的運輸需求，特種運輸船舶——半潛船應運而生。本文研究的半潛船指的是在船舶裝/卸過程中船舶的大部分可潛入水下，并且以正常吃水航行的一種特種船舶［1］。典型的半潛船如下頁圖1所示。

圖1 半潛船

半潛船設有平坦的開敞露天甲板用以裝載貨物，一般不設專門的貨艙［2］。對于甲板貨物的裝卸，其裝卸方式除了一般的吊裝與滾裝外，還可采用滑裝和浮裝的方式。半潛船由于甲板面積廣闊，一般會在甲板上安裝滑軌，可利用液壓頂推裝置完成貨品在甲板上的移位，這種裝卸方式稱為滑裝。而浮裝的裝卸方式是半潛船特有的裝卸方式，適用于可漂浮的貨品。浮裝前通過向壓載艙注入壓載水，使半潛船甲板潛沒至水下指定深度，然后將漂浮的貨品移動至半潛船潛沒甲板上方的水面，而后排出半潛船壓載艙內的壓載水，使半潛船甲板抬升，進而托舉起漂浮在其上方的貨品，完成待運貨品的裝載；卸載貨品的過程與上述過程相反。

浮裝這種特殊的裝卸方式特別適用于不可分割的可漂浮的超大型貨品的運輸。基于半潛船的這一運輸特性，為了進一步突出這一特殊優(yōu)勢，半潛船正不斷趨于大型化，以進一步滿足超常規(guī)質量與超常規(guī)尺寸的巨型貨品運輸的市場需求。

由于在浮裝過程中，半潛船甲板的下潛深度一般要大于待運貨品的最大吃水深度，因而相較于其他類型船舶，半潛船在整個浮裝過程中的吃水變化很大，這就直接造成在浮裝過程中，半潛船需要壓、排載更多的壓載水以完成浮裝作業(yè)。由于半潛船在浮裝作業(yè)工況時對海況要求很高，所以可進行浮裝作業(yè)的時間窗口有限，因此半潛船壓載系統一般都具有很高的排量。為保證運輸大型不規(guī)則貨品時船體的穩(wěn)性，半潛船一般盡可能多地設置壓載水艙，對于大型半潛船，在其主甲板下一般對稱分布著80～90個壓載艙?；谝陨线@些原因，半潛船壓載系統的設計遠比其他類型船舶復雜，是半潛船系統設計的核心技術之一。

為了避免在壓載和排載過程中，由于壓載水的灌注和抽吸造成壓載艙超壓和負壓，需要相應為各個壓載艙配備透氣的空氣管［3］。由于半潛船主要通過平坦開闊的甲板面載貨，且載貨甲板在浮裝作業(yè)過程中會下潛至水下，因此半潛船的透氣管一般不能直接引出至上甲板，而應集中至始終高于水線的上層建筑部分引出。此外，由于大型半潛船壓載艙眾多，這些因素都造成與壓載系統對應的半潛船透氣系統也遠比其他類型船舶復雜，因此透氣系統的設計也是半潛船設計的核心技術之一。

本文以某80000載重噸半潛船的壓載和透氣系統為研究對象，分析該類型半潛船壓載與透氣系統的設計要點。［4-6］

1 壓載、排載系統的設計

本船采用四島式船型，在右舷靠近艏部設置固定式偏島作為生活樓，其余三島均為可移動式浮箱。半潛船效果圖見圖2，四島式布置圖見下頁圖3。

圖2 半潛船效果圖

圖3 半潛船四島式布置圖

該半潛船主要技術參數如下：

本船共設約105個壓載水艙，壓載水總量約17000 000 m3，采用大排量壓載泵進行壓載/排載。本船壓載水艙分為前后10個艙段，上下3層分布，中間層的壓載艙的容積較大，頂層和底層壓載艙的容積較小。該半潛船的壓載水艙的布置如圖4所示。

圖4 半潛船壓載水艙布置圖

壓載系統需具備1.5 h調整船舶1 m吃水的能力要求，同時，壓載系統考慮冗余安全設計，據此計算本船壓載系統的排載能力要到達2000 000 m3/h。綜合分析本船的實際情況，本船共配備8臺壓載水泵，分別布置在艏艉2個泵艙，每臺排量大約為205000 m3/h。壓載泵需要滿足在不同吃水條件下對各個艙的壓排載，在最大下潛工況下，底層艙的排載需要克服3.08 bar（308 kPa）的靜壓，在最小吃水工況下，將浮箱注滿壓載水需要克服3.050 bar（305 kPa）的靜壓，通過計算壓載管路的阻力，同時保證壓載水一定的動壓，本船壓載水泵的壓頭取為3.70 bar（370 kPa）。全船設4根壓載水總管，每根壓載總管對應2臺壓載泵。每個壓載艙設2根支管分別接至同一舷側的2根總管?？偣芸紤]滿足2臺壓載泵的排量，管徑為DN900。每根壓載總管在船舯設1個隔離閥。

每個中層壓載艙考慮冗余，設有2根壓排載支管（內徑482.60 mm）及吸口，分別接至同一舷側的2根總管，2根支管上遙控閥門設控制連鎖，僅可經其中1根支管壓排載。每個底層、頂層壓載艙考慮冗余，設有2根壓排載支管（內徑2920 mm）及吸口，分別接至同一舷側的2根總管。2根支管上遙控閥門設控制連鎖，僅可經其中1根支管壓排載。從2根總管各引1根壓載支管接至浮箱，2根支管在主甲板下合并后通過軟管與浮箱相連，用于浮箱壓排載，浮箱透氣管布置在浮箱頂。

圖5 半潛船壓載水系統原理圖

2 壓載透氣系統的設計

本船采用邊島式船型，浮箱均為可移動的，壓載艙透氣管必須經過邊島與外界相通。因邊島與主船體連接空間有限，無法滿足所有壓載艙獨立的透氣管布置需求。因此本船壓載艙透氣系統分為2種形式：底層、中層壓載艙為總管式透氣系統，頂層艙壓載為獨立式透氣系統。

2.1 底層、中層壓載艙總管式透氣系統

全船設2根透氣總管（截面積約0.72 m2），中層及底層壓載艙透氣管經過安全區(qū)后匯至相應總管集中透氣，艏艉各設2個壓載水泄放艙。透氣總管前后各設1根泄放管（內徑584.60 mm）接至壓載泄放艙，用于排除總管內積水，泄放管路上設遙控蝶閥。

透氣管口徑選取原則：每個中層壓載艙設2根透氣管（內徑584.60 mm），每根透氣管均滿足規(guī)范的要求，大于注入管（內徑482.60 mm）截面積的1.25倍。每個底層艙設2個透氣口，出艙后合并成1根透氣管（內徑330.20 mm），引至全船透氣總管。底層艙透氣管（內徑330.20 mm）截面積滿足規(guī)范要求，大于注入管（內徑2920 mm）截面積的1.25倍。透氣總管截面積（0.720 m2）約為最大透氣支管（內徑584.60 mm）截面積之和的2.5倍，滿足規(guī)范的要求——大于任意2根支管截面積之和。

每根透氣總管首尾各設1根泄放管（內徑584.60 mm），用以泄放總管內壓載水。泄放管規(guī)格按溢流管規(guī)格進行配置，一般要求每個動力注入艙柜溢流管的有效截面積應不小于該艙柜注入管有效截面積的1.25倍?，F有配置大約對應4個中層壓載艙（或約12個底層艙），即基本可滿足4個中層壓載艙或12個底層艙同時溢流。

2.2 頂層艙壓載獨立式透氣系統

頂層壓載艙設置獨立的透氣管（內徑330.20 mm），經過安全區(qū)后引至艏部邊島開敞甲板。壓載透氣管的布置需滿足船舶破艙穩(wěn)性要求。透氣管末端設泄放管路，排除透氣管內積水，泄放管路上設置遙控閥。

壓載透氣系統管路配置匯總列表見表1。

表1 壓載透氣系統管路配置匯總表

3 空氣總管的安全性設計

基于上述方案，中下層壓載艙的透氣支管都接到總管上，并且各個透氣管上不設置閥門，在不采取任何措施的情況下，當超過一定的縱傾或橫傾時，可能會導致某個艙的水溢出到總管，進而導致其他艙的累計進水，對浮態(tài)產生影響。

為此，本船在中下層壓載艙透氣系統的設計上采取了以下應對措施：

（1）通過透氣管出艙位置的合理設置來盡量提高溢流點的高度；

（2）對于透氣管的橫向走向采用必要的回繞來避免橫傾下壓載水的溢出；

（3）總管直通壓載水泄放艙，使總管中溢出的水能夠及時排掉，避免聚集導致回流到壓載艙。

3.1 確定性破艙條件下透氣管的溢流情況

本船確定性破艙指的是2個相鄰艙段同時破損的工況，對于本船不同位置的兩艙破損組合，產生的最大橫傾為6.75°，最大的縱傾角度為1.38°。

底層和中層壓載艙的透氣支管均是從艙室頂部引到頂層艙再接入總管，中層艙的最高液位距離透氣管更近。在超過一定橫傾或縱傾時，相對于底層艙會更容易出現壓載水的溢流，因此這里主要分析中層艙的溢流情況：

（1）對于橫傾情況，中層中列壓載艙的透氣支管出艙后，繞同側舷邊后再接入總管，中層邊艙壓載艙透氣支管通過最高點引出。通過下頁圖6和圖7可以看出：在確定性破艙最大橫傾6.75°情況下，溢水線低于透氣管下沿，不會引起中層壓載艙的溢流。

圖6 中層邊壓載艙透氣系統布置以及最大橫傾溢流情況

（2）對于縱傾情況，本船透氣管采用單個壓載艙首尾布置，透氣支管從壓載艙頂部引出。由下頁圖8可見：在確定性破艙最大縱傾1.38°情況下，溢水線低于透氣管下沿，也不會引起中層壓載艙的溢流。

圖8 壓載艙透氣系統布置側視圖以及最大縱傾溢流情況

（3）同時在最大橫傾、縱傾情況下，透氣管溢流最低點對應水平面依然高于壓載艙的最高點。因此，在本船確定性破艙引起的最大橫傾和縱傾角度下，本船中下層壓載艙不會出現溢流，不會對確定性破損穩(wěn)性計算造成影響。

3.2 透氣總管的安全性分析總結

本文基于本船船型的特殊性，中下層壓載艙透氣系統采用“總管+支管”的方案，為減少空氣管堵塞或故障風險，支管與總管之間不設閥門。為了避免中下層壓載艙在超過一定船舶橫傾和縱傾角度時出現溢水，結合船體內甲板傾斜設計，對透氣支管的出艙位置進行了特殊考慮，盡量提高透氣管溢流口高度，可保證本船大傾角橫傾以及嚴重縱傾時不出現溢流。在確定性破艙的不同破艙組合所造成的最嚴重橫傾和縱傾情況下，本船中下層艙均不會出現溢流，也不會造成破損后平衡位置縱傾及橫傾的加劇，對確定性破艙不會產生不利影響。

因此，本船在一般營運以及確定破艙產生的最大橫傾和縱傾情況下，采用中下層壓載艙“支管+總管”的透氣方案，不會出現壓載艙的溢流，也不會造成其他艙的累計進水。

4 結 語

本文以某80000載重噸半潛船壓載透氣系統為研究對象，針對半潛船浮裝工況要求，結合本船自身特點，對其壓載系統進行了設計；在此基礎上，對其透氣系統也開展了設計。根據本船的船型特點，采用總管式透氣系統與獨立式透氣系統相結合的透氣方式，提出了避免透氣總管系統造成相關艙室累計進水的具體措施，分析研究了在確定破艙條件下的透氣總管安全性。希望該文能對同類型半潛船壓載透氣系統的設計研究起到一定的參考作用。