基于斜管技術的船舶燃油艙室結構優(yōu)化研究和應用

沈人豪 羅殿軍 張吉萍 馬雨燁

摘 要：本文以船舶燃油艙室為主要研究對象，通過對浙?？?號船中的船舶燃油艙的結構進行研究，并結合現有的船舶燃油艙結構的種類，進行科學對比和研究，采用斜管技術對于目標燃油艙進行優(yōu)化設計，達到將水雜質等直接分離的效果，以滿足船舶航行時對燃油純度的需要確保航行安全。

關鍵詞：船舶;燃油艙;斜管技術;分離

船舶燃油艙是指用于貯存船舶主、輔機所用燃油的艙室，按船舶使用的燃料油類型不同，船舶燃油艙又可以分為儲存艙、日用艙（柜）和沉淀艙（柜）。

船舶燃油日用柜的作用是燃油沉淀、凈化，當燃油在日用柜中時，利用密度的不同進行沉淀和分離后，水分和雜質的含量大大減少，這樣不僅降低了主機各燃油濾器的拆洗頻率，而且還提高了船舶的安全性。但在實際使用中，船舶在海上航行中往往會搖擺晃動，日用柜原沉淀的雜質和水分會大量翻動浮起，最終導致各類濾器頻繁堵塞，影響船舶的安全航行。為了保證安全航行，應當將燃油日用柜的結構進行適當改進，增加沉淀的構建，使得自然沉淀效果明顯，結構沉淀高效。根據現行使用較為普遍的船舶燃油艙的類型和結構，利用斜管技術對其進行研究，并以浙江海洋大學浙?？?號科考船為例對燃油艙進行優(yōu)化選型和研究。

1現有燃油艙的斜管技術的研究現狀

斜管沉淀的斷面形式有很多，比如有正六邊形（蜂窩型）、缺角正方形、近菱形（新六邊形）等。大多數應用的斜管斷面形狀多為正六邊形，考慮到其管內水流狀況、制造及整體結構強度等方面都相對較為理想。研究者綜合考慮水的流速、單位表面積的沉淀面積能力及水力特征參數計算等方面對缺角正方形斜管與蜂窩斜管進行了分析，得出僅水力特征參數公式方面缺角正方形劣于蜂窩型斜管，其他方面缺角正方形均優(yōu)于蜂窩型斜管，但是因為條件限制不能完全反應真實的效果。

2船舶新型燃油艙的設計

綜合船舶燃油艙的總體功能與儲油的要求，結合現有斜管技術和燃油箱的研究，我們在日用油柜中加入斜管，將密度大的水、雜質等沉到水底，在油艙下部分，加入一塊擋板，防止在航行時，遇到風浪時，船的搖晃使雜質混入燃油中。同時，基于斜管，我們在油艙中加入小的斜管在不影響艙容的前提下，將燃油在燃油艙中直接沉淀達到燃油更加潔凈、安全的要求。

根據文獻資料可知，斜管的形狀和角度都會影響沉淀效果。根據大量的統計和實驗結論，我們認為斜管中六邊形和切角四邊形的沉淀效果比較不錯。本設計采取六邊形，因為六邊形建造方便而且相對于切角四邊形有更好的普遍性。

3浙?？?號科考船的應用實例艙容

3.1日用油艙艙容

浙?？?號科考船一個高位儲存油艙為日用燃油艙，單個油艙體積5.76m?（已經考慮構架系數）。除去日用燃油艙溢流空間（按艙容的10%計算），總的實際裝載體積：

Vz=5.76×1×90%=5.184 m3

3.2 日用油艙斜管設計

從設計角度考慮，為了確保浙?？?號船日用油艙艙容大小，為保證燃油雜質分離和沉淀在不影響原有日用油柜艙容大小的前提下，考慮采用增加一部分用于分離和沉淀燃油的艙容來滿足本設計要求。

3.2.1沉淀艙艙容要求

按照計算所得浙海科1號日用油艙艙容為5.76m?，因此油艙實際尺寸按照2m×1.8m×1.6m，附加以分離沉淀艙，取為0.5m×1.8m×1.6m，艙容為1.44 m?。

3.2.2沉淀艙中斜管的設計

根據船舶油艙的結構和特點，通過經驗得出，本船沉淀艙的設計采用斜管的形式，以期得到更好的沉淀效果。

3.2.3燃油在沉淀艙中流動

為了讓燃油在油艙有一定的壓力，方案采用以油泵作為動力裝置將艙室中的油運送到沉淀艙中，同時油泵為沉淀池提供動力使得油可以在沉淀艙中來回運動。利用斜管（板），將油中雜質進行沉淀，并且在底部沉淀排除，得到純凈的燃油。

3.2.4斜板的角度和數量

參考文獻[2]中表明對于斜管來說60cm長，角度為60°的斜管沉淀水中雜質較為理想，結合考慮油箱中的特殊結構，采用70°左右，長度角度均結合油箱的尺寸和液體流向變換而設計。同時考慮到盡可能地減小沉淀艙的容積，采用兩個斜板。

3.3運行中及時處理沉淀雜質

沉淀油艙中斜管設計的高效合理十分重要，同時要考慮平時對于油箱的管理，尤其是對于油箱沉淀艙中沉淀物的及時排除，操作者及時對油箱的管理與保修，以期有良好的使用壽命，盡可能降低運營成本。同時在使用中，要控制好油泵的功率避免功率太大影響沉淀效果和斜管的損壞。

3.3.1儲油箱中的自然沉淀和擋板隔離

我們可以先在儲油艙中進行自然沉淀，以減小雜質的含量。同時利用擋板隔離雜質，避免油泵吸入，影響雜質分離效率。

3.3.2斜管、油泵操作原理

利用油泵直接將油從儲油艙抽到沉淀艙，并且利用水泵將油在沉淀艙中運動，利用斜管，再次對油進行雜質沉淀。在利用油泵時，控制好功率，防止抽動速度過快沉淀效果不理想，造成斜板的損壞。

4 結論

（1）在設計工況下，方案可以滿足船舶正常航行所需燃油的功能。

（2）規(guī)范的要求下，滿足燃油艙的結構的要求。

（3）本設計在不增加較大的初始投資情況下，可以滿足燃油艙進行分離。

斜管技術沉淀效率高，斜管技術廣泛用于水工程中，因此我們將其用于船舶燃油箱中。該結構可以全面增加小型科考船和多用途特殊船舶的燃油安全性、可靠性、經濟性等性能，出于對環(huán)保的考慮，開展船舶燃油箱的斜管的應用，不但保證燃油日用柜和液壓油柜中的油純凈，而且改造簡單成本低，是可行的設計。

參考文獻：

[1]孫楚瀟，董進，李慧.斜管沉淀池設計與運行管理細節(jié)的處理[J].冶金動力，2019（11）：86-88.

[2]豐桂珍，童禎恭，唐朝春.斜管（板）沉淀技術優(yōu)化研究進展[J].華東交通大學學報，2011，28（06）：28-32.

[3]陶赟，繆昊君，許金天，劉琦.新型翼片式斜板沉淀池的數值模擬與優(yōu)化研究[J].中國新技術新產品，2015（17）：1-2.

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號202010340021）。