油艙容積測量精度主要影響因素分析

王思銘，胡 禛

(1.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116；2.上海交通大學(xué)，上海 200240；3.南通中燃船舶燃料有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

油艙容積測量是油船貨油裝載量的主要依據(jù)，當船舶進行貨油轉(zhuǎn)駁時，液貨的交接量準確性依賴于油艙容積測量精度。對于一條10萬噸級的油輪，當艙容測量偏差0.1%都會給業(yè)主帶來可觀的經(jīng)濟損失，所以精準的油艙容積測量對于油船的運營方十分關(guān)鍵。油艙容積測量主要依賴于根據(jù)測深數(shù)據(jù)查詢測深表，現(xiàn)場人員根據(jù)測深數(shù)據(jù)查詢測深表得到當前的艙室裝載量。影響容積測量精度的因素有很多，主要可以從制作測深表本身的精度和現(xiàn)場操作的誤差角度分析，即為設(shè)計及建造中的誤差影響和現(xiàn)場操作的誤差影響。本文從這兩個角度出發(fā)，以某阿芙拉型油輪的貨油艙做計算參考，分析各因素對油艙容積測量精度的影響，為現(xiàn)場貨油轉(zhuǎn)駁測量提供參考。

1 設(shè)計及建造對測量精度的影響

1.1 結(jié)構(gòu)系數(shù)

在船舶設(shè)計階段，船舶總體工程師會根據(jù)設(shè)計圖紙建立三維艙室模型，在船舶穩(wěn)性計算軟件中直接輸出艙容表。其中，艙室的三維模型為艙室理論線包圍出來的型模型(見圖1)，即為不考慮實際結(jié)構(gòu)(如加強筋和舾裝件)影響的型容積。然后在計算時，用結(jié)構(gòu)系數(shù)將該部件所占的體積考慮到艙容中，計算凈容積。表1為《船舶設(shè)計實用手冊：總體分冊》[1]推薦的各類艙室結(jié)構(gòu)系數(shù)的選取，油艙的結(jié)構(gòu)系數(shù)選取也主要參考其所在的具體位置和布置。從船舶設(shè)計的角度出發(fā)，除了海洋工程類的平臺，航行類的船舶油艙通常布置在內(nèi)艙，以滿足國際防止船舶造成污染公約(MARPOL)的要求。

圖1 油艙艙室模型

表1 艙室的結(jié)構(gòu)系數(shù)

以某阿芙拉型油輪的貨油艙為例，其典型結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示，可以看出其貨油艙容積很大，使得加強筋等結(jié)構(gòu)并不會占據(jù)艙容很多容積。根據(jù)這條船的貨艙布置及靜水力模型計算其所有貨油艙的結(jié)構(gòu)系數(shù)(見表2)?？梢钥闯鏊胸浻团撈浣Y(jié)構(gòu)系數(shù)為0.993～0.995。這個系數(shù)與表1中推薦的中部貨艙結(jié)構(gòu)系數(shù)數(shù)值相符。需要注意的是在船舶設(shè)計的時候計算艙容常常默認取結(jié)構(gòu)系數(shù)為0.985，從船舶設(shè)計角度出發(fā)，這個系數(shù)并不會對船舶浮態(tài)和工況有性能上的影響。但如果用0.985這個系數(shù)輸出艙容表，則在實際操作中，對于大的貨油艙其總貨油容積的偏差就會過大甚至達到1%，造成容積測量精度偏低。

圖2 貨油艙框架結(jié)構(gòu)俯視

1.2 測深基準不一致

在設(shè)計階段，設(shè)計公司根據(jù)圖紙建立三維艙室模型輸出測深表，需要設(shè)置每個艙室測深的基準點，此時就需要考慮測深管的布置。因為大部分油艙的測深管都是直的，一般不存在測深管系彎折的情況，所以測深基準是艙容輸出變差主要的影響因素。設(shè)計中有的測深管底部為封閉的形式，底部距離艙室底部約3.33 cm；有的測深管底部為開口的形式，然后在測深管對應(yīng)的艙底布置防撞板。前者的測深基準距離艙底為測深管底部封板加上底部封板與艙底的距離；后者的測深基準距離艙底為防撞板的厚度。在設(shè)計初期，艙容表在輸出的時候可能默認選取艙底為測深基準，在完工階段忽略了修正測深基準與現(xiàn)場的一致性。這樣就使得測深后的艙容數(shù)據(jù)存在一個固定的偏差，這種偏差有的達到十幾厘米，對于油艙的容積測量造成很大的誤差，在裝載量不多的情況下，偏差可以達到10%。需要說明的是艙容表并不是必須送審船級社的報告，計算細節(jié)一般都是由設(shè)計公司把控的[2]。對于這種偏差，可以通過對比測深表中艙室裝滿時的測深高度與現(xiàn)場量取的測深管長的差值，進而矯正量取測深的基準。

表2 貨油艙室的結(jié)構(gòu)系數(shù)

1.3 油艙變形

此處討論的油艙變形主要為船舶裝載后在總縱彎矩和剪力的作用下，船體發(fā)生中拱或者中垂進而帶動油艙的結(jié)構(gòu)變形。此為鋼制材料在外力下的彈性變形，是正常裝載下不可避免的船體變形(見圖3)。研究這種變形對于油艙艙容的影響，可以對全船結(jié)構(gòu)設(shè)計進行數(shù)字建模，并根據(jù)裝載工況計算船體擾度，然后根據(jù)油艙的布置分析具體油艙的艙容變化。這種數(shù)值分析法可以從理論上算出艙容變化。根據(jù)某典型油船滿載工況下的靜壓力受力分析，其各艙室變形后的艙容相對于理論艙容的變化為0.01%～0.05%[3]。這種數(shù)值分析方法需要建立結(jié)構(gòu)模型，分析比較復(fù)雜，而且一般現(xiàn)場裝載情況比理論計算復(fù)雜得多，計算并不能完全反映實際情況。但中拱或者中垂是可以通過現(xiàn)場吃水計算出來的，所以可以直接通過測量船舶的首尾及中部吃水，通過曲線擬合出船體變形，進而近似地求出各艙容的變化[4]。從數(shù)量級上看，因為裝載而發(fā)生的船體變形對于油艙的艙容影響并不大，在正常操作中可以接受。

圖3 船體變形帶動艙室變形示意

2 現(xiàn)場操作對測量精度的影響

2.1 橫傾或縱傾下的艙室內(nèi)少量剩余容積

當船舶在大的橫傾或者縱傾浮態(tài)下，艙室只有少量裝載的時候，艙室內(nèi)的液體會傾斜到一側(cè)的艙底，使得測深管無法接觸到液面，進而無法測量艙室內(nèi)剩余的裝載量(見圖4)。對于油輪而言，這種情況多發(fā)生于卸貨后，船舶處于空載工況，其浮態(tài)常常處于尾傾浮態(tài)(見圖5)，貨油管在這種情況下不能完全將貨油抽出，使得艙室內(nèi)留有少量液貨。如果這時只是因為測深管測量不到艙容就判定艙容為空，將會忽略非?？捎^的剩余液貨容積，一般留在艙底的貨油容積不會超過艙室總?cè)萘康?%。測量少量剩余貨油可以根據(jù)API MPMS 17.4中建議的方法，通過打開少量剩余貨油附近的艙口蓋測深剩余貨油高度，再根據(jù)艙室的形狀和艙口蓋的位置計算相應(yīng)的容積。理論計算示意圖如圖6所示，圖中L，D為艙室的形狀參數(shù)，U為艙口蓋的位置，S為剩余貨油高度。

圖4 橫傾或縱傾下的少量裝載示意

圖5 某油輪空載工況浮態(tài)

圖6 油艙剩余液貨的測量

2.2 橫傾和縱傾修正的影響

在現(xiàn)實操作中油艙容積測量精度最主要的影響因素是人為操作不規(guī)范，即在艙容測量的過程中忽略了一些因素而導(dǎo)致使用錯誤的數(shù)據(jù)計算艙容，其中最容易讓人忽略的就是傾斜問題。船舶在傾斜浮態(tài)下油艙的液面為水平面，而測深管隨著船體的傾斜一起傾斜，使得液面在測深管位置的測深高度與船舶在正浮時的高度不一致，顯然此時的測深高度變化與測深管在艙室中的布置和船體傾斜角度有關(guān)。只有當測深管布置在艙室的中心時，且艙室為規(guī)則的形狀時，傾斜才不會對測深高度有影響。除了這種少見的特殊情況，一般都需要對測深數(shù)據(jù)進行橫傾和縱傾修正，才能得到正確的容積。

2.3 溫度的影響

對于油艙而言，在測深的時候溫度也是很容易被忽略的問題。燃油的密度和體積隨著溫度的變化而變化，正常情況下只要測得油溫進行換算就可以得到相應(yīng)的密度。然而現(xiàn)場情況卻復(fù)雜得多，有時因為溫差問題使得油艙內(nèi)的油上層和下層溫度不一致，這種情況就需要測量不同深度下的溫度以計算油艙的裝載。有時也會出現(xiàn)貨油轉(zhuǎn)駁時，供油船的油到了受油方溫度發(fā)生變化，進而使得轉(zhuǎn)駁的體積發(fā)生變化，這時需要多次分不同深度測量燃油溫度以得到準確值。如果忽略油溫的影響，會造成一部分燃油裝載消失了的表象。

2.4 重油的測深

測深管體設(shè)計有連通孔和透氣孔(見圖7)，使得艙內(nèi)的液面高度與測深管內(nèi)保持一致。如果當測深管的連通孔偏小時，當轉(zhuǎn)駁重油時，因為重油的密度大且黏稠度高，其在剛轉(zhuǎn)駁到船上的時候，重油就需要比較長的時間才能使得測深管內(nèi)的液面高度與油艙一致。如果轉(zhuǎn)駁后馬上測量重油艙的艙容，測深管內(nèi)的重油深度還沒有穩(wěn)定，就會得到比真實艙容小的測深高度。這種情況需要等待一段時間，間隔測量多次，進行比對得到穩(wěn)定的測深高度時才是準確的。

圖7 測深管典型設(shè)計

3 結(jié)語

油艙容積的測量精度受到設(shè)計建造環(huán)節(jié)和現(xiàn)場操作環(huán)節(jié)多種因素的影響。其中在設(shè)計建造環(huán)節(jié)主要為艙容表制作的精度，關(guān)鍵影響因素是油艙結(jié)構(gòu)系數(shù)的選取和測深基準與現(xiàn)場的一致性。在現(xiàn)場操作環(huán)節(jié)主要為容易被忽略的人為因素，包括少量剩余容積、橫傾和縱傾修正、燃油溫度和測深管連通孔重油測深的影響。