大型集裝箱船壓載艙溢流保護(hù)管的分析

霍旭穎

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所有限公司，上海 200135)

1 大型集裝箱船的特點(diǎn)

集裝箱船是指專供載運(yùn)集裝箱的貨船。集裝箱船的分類有按裝卸方式劃分的，包括吊裝式、滾裝式、載駁式；有按專用程度進(jìn)行劃分的，包括全集裝箱船、部分集裝箱船、可變換集裝箱船。本文就壓載艙艙外溢流保護(hù)系統(tǒng)在吊裝式全集裝箱船上的運(yùn)用進(jìn)行分析研究。

集裝箱船的航速高，船身瘦長(zhǎng)，貨艙方正，貨艙艙口寬大。為了盡可能的多裝集裝箱而把貨艙艙容提高到最大，相反集裝箱船在運(yùn)營(yíng)時(shí)對(duì)壓載水的需求量卻很小，遠(yuǎn)不及其他主力商船。因此集裝箱船的壓載水艙總?cè)莘e和壓載泵排量都要比其他主力商船的小很多?；谶@些原因，集裝箱船的壓載水艙頂部通常不會(huì)頂至主甲板，這樣的壓載水艙設(shè)計(jì)一方面可以滿足集裝箱船的穩(wěn)性需求，另一方面也為船舶內(nèi)部通道以及布置留出了寶貴空間。

集裝箱船的壓載系統(tǒng)為常規(guī)壓載系統(tǒng)，其目的就是為了使船舶能夠適應(yīng)各種裝載狀態(tài)，保持恰當(dāng)?shù)姆€(wěn)心高度，獲得適當(dāng)?shù)膹?fù)原力，同時(shí)減小船體過大的剪力和彎矩[1]。大型集裝箱船一般采用配有2 臺(tái)壓載泵的環(huán)形總管式壓載系統(tǒng)。由于港口集裝箱橋吊只能垂直吊裝，再加上貨艙內(nèi)諸多的吊裝導(dǎo)軌的限制，集裝箱船在裝卸貨時(shí)要盡可能地保持平浮狀態(tài)，因此集裝箱船要比其他普通商船要多一套橫傾調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這也就是集裝箱船的壓載水系統(tǒng)區(qū)別于其他主力商船的重要特征。

2 壓載艙的溢流保護(hù)的作用

液艙的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須滿足艙柜發(fā)生溢流時(shí)所承受的壓力，對(duì)于設(shè)有溢流管的艙柜，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜壓力為溢流口距離艙底的高度再加上溢流時(shí)水流經(jīng)過管路形成的背壓，對(duì)于沒有設(shè)置溢流管的艙柜則將其空氣管視為溢流管來考慮艙柜設(shè)計(jì)壓力。常規(guī)船舶的壓載艙不專門設(shè)置溢流管，其溢流通過空氣管來實(shí)現(xiàn)，所以壓載水艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜壓力需要按照空氣管的高度來計(jì)算。如圖1 所示，大型集裝箱船，壓載艙的艙頂距離主甲板還有很大距離，如果按照傳統(tǒng)的方式將空氣管頭布置到主甲板上，則壓載水艙需要承受更大的壓力，如果設(shè)置了溢流管，則壓載水艙的設(shè)計(jì)壓力就能回歸合理。

圖1 帶溢流保護(hù)的集裝箱船壓載系統(tǒng)可降低壓載艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜壓

A.最簡(jiǎn)單的處理方法就是在每艙的空氣管上都開出一個(gè)旁通溢流管，以保護(hù)每個(gè)艙不要超壓，如圖2 所示。這樣需要增加相當(dāng)數(shù)量的管路與閥門，同時(shí)也要增加更多的船體開口，不利于船體結(jié)構(gòu)安全。

圖2 空氣管根部加裝溢流管

B.采用空氣、溢流總管的形式。如圖3 所示，這種形式的原理比較簡(jiǎn)單，但是需要特別考慮總管破損而帶來的破艙穩(wěn)性的問題。在布置方面，空氣、溢流總管通常會(huì)貫穿全船，對(duì)空間要求很高，如果布置不開，這個(gè)形式也就不能采納。

圖3 空氣、溢流總管形式

3 壓載艙艙外溢流保護(hù)系統(tǒng)

常規(guī)艙柜的溢流保護(hù)管都設(shè)置在艙柜的本體上，或者由其空氣管來替代。艙外的溢流保護(hù)系統(tǒng)的基本原理就是在其注入管路上設(shè)置溢流管，當(dāng)艙內(nèi)的液面達(dá)到溢流高度時(shí)，流體開始從溢流管排走，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。如圖4 所示，在壓載水艙的注入管路上設(shè)置一根溢流保護(hù)彎管，彎管的高度超過所有壓載艙的艙頂，壓載艙打滿后壓載水就從溢流管流走，不再繼續(xù)向壓載艙打水，確保壓載艙的安全。在彎管的頂端設(shè)置一根空氣管用于破壞彎管頂端的真空，以免壓載艙和海水連通而發(fā)生虹吸。

圖4 集裝箱船壓載艙艙外溢流保護(hù)管

4 帶溢流保護(hù)的大型集裝箱船壓載系統(tǒng)詳細(xì)分析

首先要弄清楚溢流保護(hù)的過程。如圖5 所示，壓載總管的內(nèi)徑為d，根據(jù)規(guī)范的要求，我們選取溢流保護(hù)管的內(nèi)徑為1.25 d，當(dāng)壓載艙內(nèi)液位很低的時(shí)候，溢流保護(hù)管沒有溢流，此時(shí)溢流保護(hù)管可以視同一個(gè)巨大的壓力表，測(cè)量著連接管路根部的壓力，這時(shí)的壓力等于壓載艙內(nèi)的水位高度與對(duì)應(yīng)的管路阻力之和；隨著艙內(nèi)的水位升高，溢流保護(hù)管內(nèi)的水位也隨之升高；當(dāng)溢流保護(hù)管內(nèi)的水位超過彎頭最高點(diǎn)時(shí)，溢流開始，同時(shí)進(jìn)艙的水量就會(huì)受到溢流管的分流作用而減小；當(dāng)艙內(nèi)水位繼續(xù)升高時(shí)，溢流管的分流作用顯著加劇，直至艙內(nèi)水位達(dá)到極值時(shí)，所有的水全部通過溢流管流走。在壓載水全部通過溢流保護(hù)管溢流時(shí)，壓載艙也可看做一個(gè)巨大的壓力表，同樣測(cè)量著接管路根部的壓力，其壓力大小等同于溢流管的高度與其管路損失之和。壓載水進(jìn)入水艙的流量和溢流保護(hù)管溢流水量之間動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)如圖6所示。

圖5 溢流保護(hù)管作用分析

圖6 溢流保護(hù)管的運(yùn)行圖

經(jīng)過上述分析可以得出各因素之間的關(guān)系式：

Ho-溢流保護(hù)管彎管最高處的低點(diǎn)高度(m)；

Hf-管路損失(m)；

Ht-壓載艙內(nèi)水位(m)；

在壓載管路中，沿程損失占據(jù)了主要部分，為了簡(jiǎn)化問題，我們可以近似的將管路損失Hf簡(jiǎn)化為與管路長(zhǎng)度程線性關(guān)系的函數(shù)，于是將上述公式轉(zhuǎn)化為：

K-管路損失長(zhǎng)度系數(shù)(m/m)，可拿管路損失除以管路長(zhǎng)度計(jì)算得出。

依據(jù)上面的公式可以在圖上畫出溢流開始線，直觀反映船舶在平浮時(shí)各個(gè)壓載艙開始發(fā)生溢流的液位，如圖5 所示。依據(jù)同樣的原理，壓載艙的最高水位Htmax=Ho+Hof，式中Hof為壓載水全部溢流時(shí)溢流保護(hù)管所造成的背壓。同樣，對(duì)于全溢流時(shí)的情況我們也能夠畫出各艙最高液位線，這根線同時(shí)也是壓載艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)靜壓。

通過圖我們可以直觀地看出，溢流保護(hù)管放在受其保護(hù)的壓載艙中段時(shí)效果最佳，這時(shí)溢流開始發(fā)生時(shí)的艙內(nèi)液位最高，水泵得到了最好的利用；在同樣的保護(hù)效果下，溢流保護(hù)管的高度最低，也就能夠進(jìn)一步優(yōu)化壓載艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓力。但是溢流保護(hù)管必須安放在壓載泵和壓載艙之間，所以如果要將溢流保護(hù)管安放在壓載艙區(qū)域的中部，則需要連同壓載泵一起移位，同時(shí)劃分專門的泵艙空間。

1.對(duì)壓載艙透氣的影響

有船級(jí)社規(guī)定，在艙柜設(shè)有溢流管時(shí)，且溢流管的橫截面積大于注入管橫截面積的1.25 倍，此時(shí)空氣管的內(nèi)徑可以按照空氣管的最小要求來執(zhí)行（水艙50 mm，油艙65 mm）。雖然有規(guī)定在此，但是如果采用了壓載艙外溢流保護(hù)系統(tǒng)，壓載艙的空氣管的直徑是不能夠減小的。

首先，壓載艙外溢流保護(hù)系統(tǒng)并不與壓載艙直接相連，而且這個(gè)溢流保護(hù)管不能起到透氣的作用，所以規(guī)范不適用于此情形。其次，如果透氣管內(nèi)徑只有50 mm，其內(nèi)的空氣流速會(huì)高得難以接受，最終會(huì)影響壓載艙的受力和壓載水泵的安全運(yùn)行；再者，當(dāng)壓載艙被打滿的瞬間，溢流管的溢流作用還沒有完全形成，此時(shí)仍有大量的水流進(jìn)壓載艙，這樣會(huì)形成水擊，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)環(huán)節(jié)造成損壞。因此，壓載艙外的溢流保護(hù)系統(tǒng)不能減免壓載艙空氣管的相關(guān)要求。

2.在縱橫傾條件下的分析

縱橫傾條件下這個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制與平浮條件下相同，只是保護(hù)的邊界會(huì)隨著縱橫傾的調(diào)整而調(diào)整，如圖7 所示，在原先圖5 的各個(gè)邊界上附加縱傾的傾角就是縱傾條件下的保護(hù)邊界。橫傾條件下的變化和縱傾條件下的類同，將溢流保護(hù)管處因橫傾而產(chǎn)生的水位差疊加到對(duì)應(yīng)的壓載艙就行了。

圖7 縱傾條件下溢流保護(hù)管作用分析

為了減小橫傾對(duì)溢流保護(hù)管功能的影響，此處建議針對(duì)左右壓載艙設(shè)置各自的溢流保護(hù)管，且溢流保護(hù)管貼近壓載艙布置，這樣橫傾的影響可以基本消除。

溢流保護(hù)管的高度和位置是相當(dāng)重要的，它直接決定了壓載艙的設(shè)計(jì)壓力，還決定了壓載艙溢流的時(shí)機(jī)?，F(xiàn)行的規(guī)范都是要求以平浮條件來計(jì)算液艙的設(shè)計(jì)靜壓力，所以最大縱傾并不改變壓載水艙的設(shè)計(jì)靜壓。另一方面，由于在使用壓載水的過程中船舶的縱傾會(huì)隨著壓載水艙內(nèi)水位高度的變化而變化，所以溢流保護(hù)管的保護(hù)邊界也隨著縱傾的變化而變化，這就使得最大縱傾狀態(tài)下的保護(hù)邊界失去實(shí)際意義。

3.壓載水處理系統(tǒng)影響分析

壓載水處理系統(tǒng)的種類繁多，原理也各不相同，為了把壓載水處理系統(tǒng)對(duì)溢流保護(hù)系統(tǒng)的影響分析清楚，可以將壓載水處理系統(tǒng)分為兩類，第一類不影響現(xiàn)有的壓載水管路阻力，例如向壓載管內(nèi)注入臭氧的處理系統(tǒng)、惰化壓載艙的處理系統(tǒng)；另一類則增加了壓載水管路的阻力，例如濾器+紫外線、濾器+電催化，等等。

對(duì)于第一類壓載水處理系統(tǒng)，其分析過程和不裝壓載水處理裝置的分析過程一致，只是要注意注入口以及流量傳感器最好在溢流保護(hù)管的下游，這樣不會(huì)使得經(jīng)過處理的壓載水溢流時(shí)破壞當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，也能一定程度上降低能耗。

對(duì)于第二類的壓載水處理裝置需要專門進(jìn)行方案對(duì)比分析。如圖8 所示，壓載管系中添加了壓載水處理裝置會(huì)導(dǎo)致壓載艙注入管的管路總損失增加，反過來會(huì)迫使溢流管高度增加，這樣會(huì)提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜壓。如果此時(shí)設(shè)置溢流保護(hù)管達(dá)不到降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜壓的目的，那就不必再設(shè)置溢流保護(hù)管了。如果處理完的壓載水排回至當(dāng)?shù)夭粫?huì)導(dǎo)致當(dāng)?shù)丨h(huán)境破壞，例如紫外線形式的，我們可以將壓載水處理裝置安放在溢流保護(hù)管的上游，這樣溢流保護(hù)管仍舊可以按照?qǐng)D5 的狀態(tài)來分析，所以在方案選擇的時(shí)候需要同時(shí)考慮壓載水處理裝置的性質(zhì)、溢流保護(hù)管的高度以及壓載艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜壓同時(shí)考慮在內(nèi)，找出最優(yōu)方案。

圖8 壓載水處理裝置的影響分析

5 總結(jié)

通過本文的分析可以發(fā)現(xiàn)，壓載艙艙外溢流保護(hù)系統(tǒng)對(duì)原集裝箱船壓載系統(tǒng)的改動(dòng)很小，增加成本微乎其微，而且不需要透氣總管，降低了空間布置要求。溢流效果穩(wěn)定可靠，降低壓載艙設(shè)計(jì)靜壓的效果立竿見影。因此值得推廣。

壓載水處理系統(tǒng)對(duì)壓載艙艙外溢流保護(hù)系統(tǒng)的影響還是很大的，甚至?xí)Q定該系統(tǒng)運(yùn)用的成敗。在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)考慮處理裝置對(duì)管路阻力的不良影響，以及處理裝置和溢流系統(tǒng)的上下游關(guān)系，選擇最適合的組合方案。