郵輪燃油艙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭選取方法及應(yīng)用

張志佳,張衛(wèi)

(招商局郵輪制造有限公司,江蘇 南通 226100)

根據(jù)現(xiàn)行SOLAS公約的相關(guān)要求，郵輪的燃油艙及相應(yīng)的溢流艙的透氣管通常需要布置到煙囪的高度位置。按照相關(guān)船級(jí)社規(guī)范的艙室結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭的選取要求，試驗(yàn)壓頭通常要取到透氣管高度。按此方法，油艙的試驗(yàn)壓頭很容易超過(guò)艙室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓頭，一方面會(huì)給船廠模擬如此高的水壓頭帶來(lái)困難，另一方面也很容易導(dǎo)致試驗(yàn)艙室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形。為此，結(jié)合極地探險(xiǎn)郵輪項(xiàng)目中郵輪燃油艙及溢流艙的溢流和透氣系統(tǒng)布置，以油艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓頭為參照值，分析試驗(yàn)壓頭與設(shè)計(jì)壓頭的關(guān)聯(lián)及燃油透氣及溢流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，計(jì)算出油艙的實(shí)際最高溢流高度，以此確定結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭的高度。

1 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與密性試驗(yàn)的區(qū)別

艙室密性試驗(yàn)的目的是檢查船舶在建造時(shí)的密性。這里的密性可以指水密、風(fēng)雨密、或者氣密。而結(jié)構(gòu)試驗(yàn)側(cè)重于驗(yàn)證艙室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。兩者的區(qū)別還體現(xiàn)在以幾下方面。

1)試驗(yàn)對(duì)象不同。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的對(duì)象是供裝載液體并形成船舶分艙部分的艙柜[1]，可以簡(jiǎn)單理解為液艙或獨(dú)立艙柜；艙室密性試驗(yàn)適用于蒸汽壓力小于70 kPa的重力液艙和其他水密和風(fēng)雨密結(jié)構(gòu)[2]。原則上除了全自動(dòng)焊連接處之外，所有液艙周界焊縫、穿越孔焊縫和分段合攏縫都需要進(jìn)行密性試驗(yàn)。

靜水壓試驗(yàn)(壓水試驗(yàn))只是一種試驗(yàn)方式，無(wú)論是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)還是密性試驗(yàn)都可以采用靜水壓試驗(yàn)的方式，但不能說(shuō)靜水壓試驗(yàn)等同于結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。靜水壓氣動(dòng)試驗(yàn)也是如此。

2)試驗(yàn)方式不同。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的方式有靜水壓試驗(yàn)和靜水壓氣動(dòng)試驗(yàn)；密性試驗(yàn)的常見(jiàn)方式有壓水試驗(yàn)，充氣試驗(yàn)，淋水試驗(yàn)，涂煤油試驗(yàn)，抽真空試驗(yàn)等。

靜水壓試驗(yàn)可以同時(shí)檢驗(yàn)艙室強(qiáng)度和密性，從合理性來(lái)看，對(duì)于一個(gè)同時(shí)需要進(jìn)行密性試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的艙室，僅進(jìn)行一次靜水壓試驗(yàn)是滿足要求的；但前提是，接縫需滿足船級(jí)社的涂層順序要求。比如，CCS要求，除自動(dòng)焊的對(duì)接焊縫外，所有其他接縫，最終涂層應(yīng)在滲漏試驗(yàn)(密性試驗(yàn))完成之后進(jìn)行施涂[3]。在此之前，部分船級(jí)社如CCS允許在焊縫上涂車間底漆。

2 艙室設(shè)計(jì)壓頭估算

2.1 設(shè)計(jì)壓頭與試驗(yàn)壓頭的關(guān)聯(lián)

壓頭原指液體的液面頂部距離測(cè)量點(diǎn)的相對(duì)高度差。而艙室結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中所使用的計(jì)算壓頭高度通常是指試驗(yàn)水或油液面距離基線的絕對(duì)高度，要注意區(qū)別開(kāi)來(lái)。壓力指的是在相應(yīng)壓頭下，液體所產(chǎn)生的實(shí)際壓力值。液體壓力p=ρgh，h為壓頭。在其他條件相同的情況下，同種液體的壓力大小由壓頭決定。因此，通過(guò)比較壓頭，就可以快速比較液體產(chǎn)生的壓力。

每個(gè)液艙在基本設(shè)計(jì)階段會(huì)確定相應(yīng)的艙室設(shè)計(jì)壓力，假如試驗(yàn)壓力超出設(shè)計(jì)壓力過(guò)多，那么艙室結(jié)構(gòu)可能會(huì)有嚴(yán)重塑性變形甚至結(jié)構(gòu)破壞的危險(xiǎn)。將試驗(yàn)油艙的試驗(yàn)壓頭和設(shè)計(jì)壓頭進(jìn)行比較，即可快速判斷試驗(yàn)壓頭高度是否合理。

2.2 燃油艙設(shè)計(jì)壓頭的估算方法

油艙的內(nèi)部壓力，通常有液化氣體的蒸汽壓力、靜態(tài)液體壓力及液體慣性壓力，對(duì)于破艙水線以下的油艙還要考慮破艙水壓力。

對(duì)于靜水壓力的計(jì)算，綜合來(lái)看，船級(jí)社規(guī)范普遍采用的艙室最頂端的高度值加上壓力釋放閥的設(shè)定值或空氣管頭高度，取兩者中的大值，作為計(jì)算靜水壓力的壓頭高度。如CCS,LR,DNV-GL等。在BV規(guī)范[4]中(NR467, Pt B, Ch 5, Sec 6)，則采用的艙頂高度或空氣管頭高度的一半，兩者中的大值。

關(guān)于“透氣管高度的一半”這一概念，CCS和LR計(jì)算深液(液艙)的平面艙壁板厚時(shí)，使用了“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一半，取較大者”，這一表述。應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這是CCS和LR的規(guī)范計(jì)算中用于計(jì)算艙室壓力或結(jié)構(gòu)板厚的一種壓頭高度的取值方法，不應(yīng)理解為該艙室的實(shí)際壓頭高度或設(shè)計(jì)壓頭高度。

其他壓力，諸如水慣性力計(jì)算涉及到艙室的具體尺寸，橫搖和縱搖的加速度，破艙水壓力涉及到最終平衡水線高度等，計(jì)算就更加復(fù)雜。單從比較設(shè)計(jì)壓頭和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭這一需求出發(fā)，將燃油艙透氣帽的高度作為艙室的設(shè)計(jì)壓頭，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看是保守的，但從計(jì)算的簡(jiǎn)便性和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的安全性來(lái)講，是相對(duì)合理和經(jīng)濟(jì)的。

對(duì)于透氣帽的最小高度值，CCS、LR[5]、BV、DNV GL[6]的要求是一致的，即：干舷甲板以上760 mm；上層建筑甲板以上450 mm。

對(duì)于上層建筑甲板，CCS鋼規(guī)的定義為“上層建筑甲板可理解為計(jì)量規(guī)范型深D時(shí)所量到的最上層連續(xù)甲板”；而B(niǎo)V的定義則是“構(gòu)成上層建筑上邊界的甲板”。相比之下，CCS鋼規(guī)的定義更接近于實(shí)際。

3 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭的規(guī)范要求

各船級(jí)社入級(jí)規(guī)范對(duì)燃油艙的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭的選取方法基本一致，通常取下列值中較大者。

1)溢流管頂部(指液體可到達(dá)的最大溢出高度，透氣管兼做溢流管時(shí)也可以是透氣帽高度，不可片面理解為溢流管高度)。

2)油艙頂部以上2.4 m。

3)油艙頂部高度加上壓力釋放閥的設(shè)定壓力(如有)。

4)艙壁甲板的高度。

郵輪的一個(gè)典型特征是上建甲板以上幾乎全部為乘客處所。而按照SOLAS公約要求，為防止油蒸氣導(dǎo)致的失火或爆炸危險(xiǎn)，任何油柜或燃油艙及燃油溢流艙的空氣管和溢流管以及安全閥不得排向船員處所和乘客處所。燃油或溢流艙的透氣管不得不通過(guò)機(jī)艙棚一直延伸至煙囪高度。郵輪的上建和煙囪高度比一般類型的民用船舶高得多，一艘6萬(wàn)t的中型郵輪的煙囪高度就可超過(guò)40 m。

在我國(guó)首制極地探險(xiǎn)郵輪的油艙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的準(zhǔn)備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如完全按照SOLAS公約的要求布置透氣管并按照船級(jí)社規(guī)范要求選取透氣管高度作為結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭高度，會(huì)導(dǎo)致部分油艙，尤其是主甲板以下的油艙的試驗(yàn)壓頭過(guò)高，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)壓頭，顯然不合理。這也與SOLAS公約中“以相當(dāng)于其設(shè)計(jì)壓力的水頭”這一要求相違背。

實(shí)際上，為避免出現(xiàn)燃油艙被注滿，甚至溢流艙也被注滿，發(fā)生燃油溢出的情況，SOLAS公約規(guī)定燃油艙柜內(nèi)應(yīng)設(shè)有確定燃油存量的安全裝置，通常為高低油位報(bào)警器。為防止超壓，包括油泵供油的注入管在內(nèi)的燃油系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有防止超壓的裝置。ABS和DNV GL要求燃油溢流艙的艙容應(yīng)滿足燃油泵至少10 min額外的供油量[7]。

綜上，當(dāng)油艙的最大溢流高度在艙壁甲板附近時(shí)，按船級(jí)社規(guī)范要求的方法選取的試驗(yàn)壓頭高度基本上不會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)壓頭高度。而當(dāng)溢流/透氣管高度急劇升高時(shí)，如果不考慮郵輪燃油透氣系統(tǒng)的布置特點(diǎn)以及燃油系統(tǒng)防溢流措施所發(fā)揮的作用，仍然將按照規(guī)范的要求選取溢流/透氣管高度值作為試驗(yàn)壓頭，顯然不合理。

4 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭的選取優(yōu)化

油艙結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的實(shí)質(zhì)性目的是模擬艙室承受可能的最高的油液高度壓力。因此，當(dāng)油艙透氣管高度過(guò)高，遠(yuǎn)超油艙設(shè)計(jì)壓頭高度時(shí)，理論結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭高度并不能準(zhǔn)確反映艙室實(shí)際可能承受的壓力。此時(shí)，根據(jù)油液可到達(dá)或溢出的實(shí)際高度，比如鵝頸或溢流管高度而不是透氣帽高度來(lái)確定試驗(yàn)壓頭，才是更為合理和準(zhǔn)確的方法。

試驗(yàn)前，針對(duì)燃油艙的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)要求，船廠與BV船級(jí)社的驗(yàn)船師和審圖中心進(jìn)行了深入探討，并達(dá)成以下共識(shí)：當(dāng)燃油及溢流艙的透氣管高度高于艙室設(shè)計(jì)壓頭高度時(shí)，如果相關(guān)艙室已經(jīng)按照船級(jí)社要求，設(shè)置了高液位報(bào)警器，溢流報(bào)警器等防溢流措施，燃油艙及溢流艙在選取結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭時(shí)，可以將油液面所能達(dá)到的實(shí)際最高點(diǎn)，作為試驗(yàn)壓頭高度，具體應(yīng)遵循下列要求。

1)如燃油艙沒(méi)有獨(dú)立的透氣管，但是通過(guò)溢流管連到溢流艙，則該艙的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭，需達(dá)到該油艙所連接的溢流艙的透氣帽高度。

2)如油艙除溢流管外有還設(shè)有獨(dú)立的透氣管，則該艙的試驗(yàn)壓頭需達(dá)到其獨(dú)立透氣管高度或溢流艙透氣管高度中兩者的較小值。

3) 燃油溢流艙屬于燃油溢流系統(tǒng)的組成部分，其特點(diǎn)及重要程度與燃油艙基本一致，也應(yīng)當(dāng)視為燃油艙進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，試驗(yàn)壓頭需達(dá)到該溢流艙的透氣帽高度。

實(shí)踐證明，按照上述要求調(diào)整后的燃油艙及溢流艙試驗(yàn)壓頭高度基本都小于艙室的設(shè)計(jì)壓力值。

5 結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭選取示例

某郵輪燃油艙的透氣/溢流系統(tǒng)布置示意于圖1，A艙位于雙層底內(nèi)底板上，艙頂高度為4.5 m/A.B.L。設(shè)計(jì)壓頭高度估算為上建甲板以上450 mm，即10.42 m/A.B.L。

圖1 某油輪燃油艙“A”透氣/溢流系統(tǒng)示意

A艙通過(guò)高度為7.5 m的溢流管連接到溢流艙。A艙和溢流艙均通過(guò)帶有鵝頸的溢流管(此處的溢流管兼做透氣管)連接到一根透氣總管，鵝頸頂部高度為9.7 m/A.B.L，透氣總管的透帽高度為12.5 m/A.B.L。由于A艙沒(méi)有獨(dú)立的透氣管，與溢流艙共用一根溢流管，按規(guī)范要求應(yīng)選擇透氣總管的透氣帽高度作為試驗(yàn)壓頭高度，明顯超出艙室原設(shè)計(jì)壓頭高度。因此，需要具體分析溢流及透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，來(lái)確定實(shí)際液位的最高值作為試驗(yàn)壓頭。

由于A艙及溢流艙配置了高液位報(bào)警器及溢流報(bào)警器，A艙的油液注滿后會(huì)先觸發(fā)高液位報(bào)警器，然后向上通過(guò)鵝頸流入7.5 m/A.B.L溢流管，隨之觸發(fā)溢流報(bào)警器，溢出的油液最終會(huì)流入溢流艙。綜上，A艙的油液可到達(dá)的實(shí)際高度為鵝頸高度，即9.7 m/A.B.L，小于設(shè)計(jì)壓頭。所以取9.7 m/A.B.L作為兩艙的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的壓頭高度比較合理。

6 結(jié)論

對(duì)于郵輪，在選取燃油艙或溢流艙的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循以下要求。

1)船級(jí)社規(guī)范要求仍是結(jié)構(gòu)試驗(yàn)理論試驗(yàn)壓頭選取的首要參考標(biāo)準(zhǔn)，任何需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的艙室都先要按照規(guī)范要求，初步計(jì)算出理論試驗(yàn)壓頭。

2)必須將按規(guī)范算出的理論試驗(yàn)壓頭高度與艙室設(shè)計(jì)壓頭進(jìn)行對(duì)比，以判斷其合理性。如果理論試驗(yàn)壓頭小于設(shè)計(jì)壓頭，則使用理論試驗(yàn)壓頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)；如果理論試驗(yàn)壓頭大于艙室設(shè)計(jì)壓頭，則應(yīng)當(dāng)具體分析燃油溢流和透氣系統(tǒng)，確認(rèn)相關(guān)燃油溢流系統(tǒng)是否配置了船級(jí)社要求的防溢流安全報(bào)警裝置；確認(rèn)油液實(shí)際所能到達(dá)的最高的溢流高度，以此為依據(jù)，作為最終的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭高度。

上述結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭選取方法通過(guò)在我國(guó)首制極地探險(xiǎn)郵輪項(xiàng)目的應(yīng)用證明了其合理性。采用此方法不僅降低了船廠實(shí)施結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的成本，也保證了相應(yīng)艙室的結(jié)構(gòu)安全。這對(duì)于郵輪的油艙乃至其他類型船舶液艙的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)壓頭的選取都具有參考意義。上述方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)與船級(jí)社充分交換意見(jiàn)，在此基礎(chǔ)上共同推動(dòng)相關(guān)規(guī)范的進(jìn)一步更新和完善。