兩型敞口多用途船貨艙噴淋系統(tǒng)及艙底系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較

高晶,徐麟,王翊

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院,上海 200032)

隨著貨物的重型化和大型化,船東的需求逐漸轉(zhuǎn)向可載運(yùn)超長(zhǎng)超高尺寸貨品的多用途船。敞口多用途船可采用兩種模式航行:貨艙無(wú)艙口蓋模式航行和貨艙帶艙口蓋模式航行。在無(wú)艙口蓋模式下,載貨范圍在高度方向上可進(jìn)一步擴(kuò)展,用于裝載風(fēng)力發(fā)電機(jī)、重型機(jī)械、海底電纜卷車等超高貨件,同時(shí)其裝卸貨時(shí)不需要調(diào)離艙蓋,可減少碼頭裝卸貨的時(shí)間,增強(qiáng)載貨的適應(yīng)性和便利性[1]。SOLAS要求1 000總t以上貨船的貨艙應(yīng)設(shè)有固定式氣體滅火系統(tǒng)或者固定式泡沫滅火系統(tǒng),常規(guī)貨艙一般采用CO2氣體滅火。當(dāng)貨艙處于敞口狀態(tài)時(shí),釋放的氣體從貨艙頂部開(kāi)敞口逃逸,艙內(nèi)積聚的氣體無(wú)法達(dá)到滅火所需的濃度,因此常規(guī)的氣體滅火方式并不適用。當(dāng)貨艙部分或完全開(kāi)敞時(shí),由于雨水或者上浪帶來(lái)的大量海水如不及時(shí)排出會(huì)在艙內(nèi)形成自由液面嚴(yán)重影響船舶穩(wěn)性。常規(guī)的艙底水系統(tǒng)是針對(duì)封閉貨艙,無(wú)法滿足敞口貨艙的排水需求。目前業(yè)界對(duì)敞口多用途船消防和艙底系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案還在探索中。IACS提出的《敞口集裝箱船臨時(shí)導(dǎo)則》中只給出了針對(duì)敞口集裝箱船的要求,未給出針對(duì)敞口多用途船的要求。各大船級(jí)社對(duì)于敞口多用途船的消防和艙底系統(tǒng)的要求有差異,敞口多用途船消防和艙底系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尚未形成成熟的設(shè)計(jì)方案。以13 000 DWT重吊多用途船和13 500 DWT重吊多用途船兩型船的消防和艙底水系統(tǒng)為例,提出兩種設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行對(duì)比分析。

1 敞口貨艙噴淋的設(shè)計(jì)

1.1 敞口貨艙噴淋的規(guī)范要求

SOLARS II-2/第10條7.1.3要求,除滾裝處所和車輛處所外,1 000總噸及以上貨船上的貨物處所應(yīng)由符合《消防安全系統(tǒng)規(guī)則》規(guī)定的固定式CO2滅火系統(tǒng)或固定式惰性氣體滅火系統(tǒng)加以保護(hù),或由能提供等效保護(hù)的滅火系統(tǒng)給予保護(hù)[2]。

IMO在Circular.608《敞口集裝箱船的臨時(shí)指南》中指出:如敞口貨艙裝載可燃貨品時(shí),應(yīng)設(shè)置噴淋系統(tǒng)作為氣體滅火系統(tǒng)的等效替代[3]。GL船級(jí)社要求多用途船的敞口貨艙噴淋系統(tǒng)應(yīng)能從甲板平面下將水霧噴入貨艙,該水霧應(yīng)視為消防措施的一種,至少應(yīng)有1臺(tái)專用水泵用于貨艙噴淋系統(tǒng),噴淋范圍應(yīng)覆蓋整個(gè)貨艙水平面,噴淋密度應(yīng)不小于5 L/(min·m2)。當(dāng)專用水泵不能工作時(shí),為在該敞口貨艙內(nèi)保持適當(dāng)?shù)膰婌F型式,可連通另一替換水源來(lái)完成,替代水源的供水量應(yīng)至少達(dá)到所需噴淋總量的50%。DNV船級(jí)社要求,敞口貨艙應(yīng)設(shè)置固定式水炮進(jìn)行噴淋滅火。至少設(shè)有2臺(tái)水炮,1臺(tái)布置在貨艙前,1臺(tái)布置在貨艙后。每臺(tái)水炮的水量應(yīng)按表1選取。敞口貨艙的每一區(qū)域應(yīng)至少能被1臺(tái)水炮的水柱覆蓋。水炮的保護(hù)范圍不應(yīng)超過(guò)水炮最大射程的75%。

表1 水炮噴淋水量要求

1.2 13 000 DWT重吊多用途船敞口貨艙噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上海船舶研究設(shè)計(jì)院為INTERMARINE&PD設(shè)計(jì)的13 000 DWT重吊多用途船是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)建造的首型敞口多用途船,其申請(qǐng)了GL的Hatchcoverless敞口附加符號(hào)。該船設(shè)有兩個(gè)貨艙,1號(hào)貨艙長(zhǎng)7.5 m、寬20 m,容積為約1 539 m3;2號(hào)貨艙長(zhǎng)105.45 m、寬20 m,容積為約25 128 m3,2號(hào)貨艙可在船舶航行中采用敞口模式。

1.2.1 噴淋水量計(jì)算和噴淋水泵配置

按照IMO Resolution A. 123(V)《對(duì)于特殊貨物處所的固定式水消防系統(tǒng)的建議》,噴淋覆蓋區(qū)可劃分為多個(gè)與貨艙等寬的保護(hù)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域不少于20 m,噴淋系統(tǒng)滿足兩個(gè)相鄰保護(hù)區(qū)同時(shí)釋放的需求[3].將2號(hào)貨艙劃分為5個(gè)與貨艙等寬、長(zhǎng)度不小于20 m的區(qū)域。每個(gè)噴淋保護(hù)區(qū)的供水由獨(dú)立的截止閥控制,控制閥布置在貨艙旁的空艙內(nèi)。噴淋泵的排量滿足兩個(gè)最大且相鄰保護(hù)區(qū)域同時(shí)噴淋的水量要求。分區(qū)長(zhǎng)度分別為:①20.3 m;②21.7 m;③20.8 m;④22.1 m;⑤20.6 m,寬度均為20 m。可見(jiàn)②和③區(qū)合并面積最大,噴淋水量計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 2號(hào)貨艙敞口噴淋水量計(jì)算

計(jì)算值為覆蓋保護(hù)區(qū)域所需最小理論水量,考慮到噴頭的覆蓋區(qū)域會(huì)存在一定的重疊,噴淋泵選型時(shí)應(yīng)在計(jì)算值的基礎(chǔ)上增加10%～15%的余量。噴淋泵的最終排量需按照實(shí)際安裝的噴頭總數(shù)和單個(gè)噴頭的水量核算。船上設(shè)有3臺(tái)水泵可提供噴淋水,船艏設(shè)有1臺(tái)滿足100%噴淋水量的噴淋水泵。機(jī)艙內(nèi)2臺(tái)消防艙底總用泵也接入噴淋管路,當(dāng)獨(dú)立的噴淋泵失效時(shí),2臺(tái)消防泵的可提供50%的噴淋水量。

1.2.2 噴淋系統(tǒng)噴頭的選型和布置

噴淋系統(tǒng)的噴頭安裝在艙口圍處,由左右兩側(cè)向船中噴射,一側(cè)噴頭的最大射程可覆蓋船中。噴淋水柱受出口壓力和重力的影響,呈拋物線軌跡落在甲板面上。只采用一種類型的噴頭是無(wú)法滿足射程到達(dá)船中且同時(shí)覆蓋貨艙縱艙壁近處區(qū)域.因此噴淋系統(tǒng)的噴頭采用了兩種形式:型號(hào)22EAX1FF-35為長(zhǎng)程噴頭,覆蓋沿貨艙縱艙壁向外2.4～8.6 m的范圍;型號(hào)22EAX1/2HH-40W為短程噴頭,覆蓋沿貨艙縱艙壁至4.3 m的范圍,見(jiàn)圖1。兩種噴頭需為FULL CONE形式,確保噴淋水柱抵達(dá)的區(qū)域無(wú)盲區(qū)。

圖1 噴頭覆蓋范圍

噴頭在沿艙口圍在船長(zhǎng)方向上均布,確保水柱覆蓋整個(gè)貨艙水平面。確定噴頭安裝高度時(shí)需避開(kāi)艙口圍結(jié)構(gòu)的頂部和根部等應(yīng)力加強(qiáng)區(qū),同時(shí)考慮噴頭出口角度為向上30°和向下30°情況下的噴射軌跡。為避免被貨物損傷,噴頭最頂部不能凸出艙口圍。艙口圍局部彎曲形成凹槽以布置噴頭見(jiàn)圖2,注意凹槽的范圍應(yīng)適當(dāng)大于噴頭的安裝空間,防止構(gòu)件阻擋噴淋水柱。

圖2 艙口圍凹槽內(nèi)噴頭布置示意

1.2.3 噴淋管路的布置

沿船長(zhǎng)方向設(shè)置2根噴淋總管,分別布置在左舷上甲板面和右舷的空艙內(nèi)。噴淋總管通過(guò)截止閥分別與布置在艙口圍頂部區(qū)域的5段噴淋支管連接。每段噴淋支管上設(shè)置Y形出口,兩端設(shè)有長(zhǎng)程噴頭和短程噴頭,以完全覆蓋貨艙的左半部分水平面,右舷噴淋水管布置和左舷類似。

1.3 13 500 DWT重吊多用途船噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

13 500 DWT重吊多用途船申請(qǐng)了DNV的敞口附加符號(hào)Hatchcoverless。該船設(shè)有2個(gè)貨艙,2號(hào)貨艙可在船舶航行中采用敞口模式.按照DNV規(guī)范要求,2號(hào)貨艙設(shè)有固定式水炮噴淋系統(tǒng)。2號(hào)貨艙長(zhǎng)105.45 m, 對(duì)照規(guī)范表格,每臺(tái)水炮噴淋量為360 m3/h?？紤]到水炮如放置在主甲板上,貨物和船體結(jié)構(gòu)容易遮擋水柱,在水炮噴射范圍中形成盲區(qū)。將1臺(tái)水炮布置在駕駛甲板后端,1臺(tái)布置在機(jī)艙煙囪頂甲板后側(cè),見(jiàn)圖3。

圖3 水炮布置位置

每臺(tái)水炮可在水平面進(jìn)行0°～360°旋轉(zhuǎn),在垂直面進(jìn)行-30°～70°轉(zhuǎn)動(dòng),以形成不同的拋物線觸及貨艙的所有水平面。在駕駛室和消防控制站對(duì)水炮的起動(dòng)和擺動(dòng)進(jìn)行遙控,同時(shí)也可就地進(jìn)行操作?；赟OLRAS對(duì)消防系統(tǒng)的要求都是基于全船同時(shí)只存在1個(gè)失火點(diǎn),因此貨艙的著火點(diǎn)只需1臺(tái)水炮水柱覆蓋,該船只設(shè)1臺(tái)水炮泵,排量滿足單臺(tái)水炮噴淋量。水炮泵從海水箱吸水通過(guò)噴淋水管供給2臺(tái)噴淋水炮。

1.4 兩種敞口貨艙噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較

目前BV、LR、CCS、ABS等各大船級(jí)社對(duì)敞口多用途船的貨艙噴淋系統(tǒng)大多和GL類似,即沿用了Circular.608《敞口集裝箱船的臨時(shí)指南》中對(duì)敞口集裝箱船的要求,在艙口圍左右兩側(cè)設(shè)置側(cè)向噴淋系統(tǒng)。

1)側(cè)向噴淋系統(tǒng)雖可通過(guò)調(diào)節(jié)噴頭的向上仰角覆蓋貨物的頂部區(qū)域,但噴頭安裝位置上沿受限于艙口圍高度,對(duì)于超高貨件頂端的起火點(diǎn)的覆蓋存在盲區(qū)。噴淋水炮的布置位置可遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于艙口圍,更容易覆蓋超高貨件的頂端區(qū)域。

2)假定寬度為20 m的貨艙,取不同的長(zhǎng)度貨艙進(jìn)行噴淋水量測(cè)算,見(jiàn)表3。

表3 噴淋水量測(cè)算

注1:當(dāng)單個(gè)貨艙長(zhǎng)度超過(guò)40 m時(shí),可將其劃分為多個(gè)噴淋保護(hù)區(qū),最大噴淋水量只需覆蓋不超過(guò)40 m長(zhǎng)的保護(hù)區(qū),因此噴淋水需求量不隨貨艙長(zhǎng)度增加。

由表3可見(jiàn),對(duì)于長(zhǎng)度小于120 m的貨艙水炮噴淋形式所需噴淋水量更小。由于采用水炮的噴淋系統(tǒng)所需噴淋量只和貨艙長(zhǎng)度有關(guān)和貨艙寬度無(wú)關(guān),當(dāng)貨艙寬度取更大值后,水炮噴淋水量需求更小的優(yōu)勢(shì)會(huì)更明顯。貨艙寬度取為15 m進(jìn)行測(cè)算,水炮形式的噴淋水量仍更小。因此對(duì)于貨艙長(zhǎng)度小于120 m的敞口多用途船,采用水炮的噴淋系統(tǒng)對(duì)噴淋水量的需求更小。

3)側(cè)向噴淋系統(tǒng)將貨艙劃分為多個(gè)保護(hù)區(qū)域,每個(gè)分區(qū)閥需就地操作,在火勢(shì)蔓延時(shí)具有一定的危險(xiǎn)。噴淋水炮的擺動(dòng)和啟?？赏ㄟ^(guò)遠(yuǎn)程遙控操作,更為便利和安全。

水炮噴淋系統(tǒng)和側(cè)向噴淋系統(tǒng)比較,具有覆蓋范圍更高、噴淋水需求量較小、操作安全便利的特點(diǎn)。

2 敞口多用途船艙底水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

敞口船貨艙不設(shè)艙口蓋,需要考慮3種貨艙進(jìn)水情況:上浪進(jìn)水,雨水進(jìn)水,水霧和甲板消防水進(jìn)水。敞口船貨艙的進(jìn)水量明顯要比常規(guī)船大,因此需要配置相應(yīng)的貨艙艙底排水系統(tǒng)保證船舶的航運(yùn)安全[4]。

2.1 13 000 DWT重吊多用途船

GL對(duì)敞口多用途船的艙底水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求沿用了Circular.608《敞口集裝箱船的臨時(shí)指南》,敞口狀態(tài)下艙底排水系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的排水能力,使之能排放下述1)～5)中較大者。

1)由綜合模型試驗(yàn)確定的海上航行狀態(tài)下最大的每小時(shí)貨艙上浪量。

2)每小時(shí)100 mm的降雨量(不考慮所設(shè)置的防雨棚)。

3)模型在橫浪無(wú)動(dòng)力狀態(tài)下耐波性試驗(yàn)所測(cè)得的貨艙每小時(shí)上浪量乘以安全系數(shù)2。

4)最大敞口貨艙內(nèi)消防所需水量的4/3。

5)相當(dāng)于封閉貨艙所需要的排量。

應(yīng)至少有3臺(tái)艙底泵可用于排放貨艙艙底水[5]。因此艙底泵的排量需分別計(jì)算以上5種情況,取最大值。其中:1)、3)需根據(jù)水池試驗(yàn)結(jié)果,分別為77 m3/h和141.4 m3/h。2)、5)可通過(guò)計(jì)算得210.9 m3/h和129.7 m3/h。4)中的消防所需水量需考慮貨艙的最大噴淋水量和4只消防栓噴射水量,可得445 m3/h(還需考慮IMDG CLASS1類爆炸品的噴淋,實(shí)取艙底泵大于此值)。

設(shè)1臺(tái)獨(dú)立電動(dòng)泵作為敞口艙底泵,由主電源和應(yīng)急電源供電,布置在首部設(shè)備間內(nèi),當(dāng)主電源失電或者機(jī)艙失火時(shí)此泵可正常使用。另采用1臺(tái)壓載/艙底泵的和1臺(tái)艙底總用泵作為敞口狀態(tài)下的備用艙底水泵,作為敞口艙底泵失效時(shí)的備用。

為了避免開(kāi)口貨艙進(jìn)水過(guò)多,一般設(shè)置單向的排水舷口。其臨界高度應(yīng)從滿足貨艙進(jìn)水后的穩(wěn)性殘余衡準(zhǔn)的要求來(lái)確定。根據(jù)排水舷口有效性實(shí)驗(yàn),確定直徑600 mm的排水舷口可有效排出上浪進(jìn)水[6]?？紤]到船舶縱傾斜橫傾時(shí)的貨艙排水需求和實(shí)際安裝空間,在2號(hào)貨艙首尾四角區(qū)域各分別設(shè)置排水舷口,每處采用2根DN450的鋼管聯(lián)通貨艙和外板,管路設(shè)置蝶閥和止回閥用于控制管路開(kāi)閉和防止舷外海水進(jìn)入貨艙,見(jiàn)圖4。

圖4 排水舷口的設(shè)置

2.2 13 500 DWT重吊多用途船

DNV對(duì)敞口多用途船的敞口狀態(tài)下艙底泵排量和配置的要求與GL一致,不再贅述。不同之處在于,其要求艙底水管路應(yīng)設(shè)計(jì)為環(huán)形總管,并連接3臺(tái)艙底泵。同時(shí)假定貨艙進(jìn)水高度為雙層底以上2 m,除非是極淺吃水船,否則滿載水線以上設(shè)置排水舷口意義不大[7]。

該船的艙底系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為敞口和非敞口兩種狀態(tài)進(jìn)行考慮。貨艙封閉狀態(tài)下,管弄中設(shè)有1根艙底水總管,設(shè)支管引至貨艙污水井,由機(jī)艙內(nèi)的艙底總用泵排出貨艙艙底水。貨艙開(kāi)敞狀態(tài)下,管弄內(nèi)的左、右舷壓載總管兼做艙底水總管。管路在管弄首部和機(jī)艙前端壁處聯(lián)通,形成環(huán)形總管。總管上分別設(shè)置艙底水支管引至貨艙污水井。機(jī)艙區(qū)域外設(shè)有1臺(tái)應(yīng)急艙底泵滿足100%艙底水排量,機(jī)艙內(nèi)的兩臺(tái)壓載泵兼做備用艙底泵,見(jiàn)圖5。

圖5 敞口貨艙艙底水系統(tǒng)

2.3 貨艙艙底水總管的設(shè)置

兩型船的艙底水系統(tǒng)在排水泵的配置上類似,區(qū)別主要在艙底水總管的設(shè)置。《敞口集裝箱船的臨時(shí)指南》要求包括管系在內(nèi)的艙底排水系統(tǒng)應(yīng)有足夠的裕量,使系統(tǒng)在任一系統(tǒng)部件出現(xiàn)故障時(shí)仍能完全操作。GL認(rèn)為每個(gè)敞口貨艙內(nèi)設(shè)有多個(gè)污水井,每個(gè)污水井都設(shè)有獨(dú)立的艙底水支管至艙底水總管,單根艙底水支管無(wú)法工作時(shí),艙底水可通過(guò)其他的艙底水支管排出,系統(tǒng)仍有足夠的裕量。DNV規(guī)范中明確規(guī)定,從系統(tǒng)的冗余性考慮,敞口多用途船的貨艙艙底水總管應(yīng)為環(huán)形管路。

13 000 DWT重吊多用途的艙底水總管與常規(guī)貨船類似,在管弄區(qū)域設(shè)有一根總管,通過(guò)艙底水支管引至每個(gè)貨艙污水井,管徑按艙底泵組最大排出能力核算。13 500 DWT重吊多用途船的艙底水總管采用了環(huán)形總管設(shè)計(jì)。如設(shè)置2根艙底水總管在管弄首尾聯(lián)通形成環(huán)形管路,會(huì)占用更大的管弄空間,也增加管路重量。該項(xiàng)目采用壓載環(huán)形總管兼做敞口狀態(tài)下的艙底水總管的設(shè)計(jì)方案,避免了增設(shè)管路。根據(jù)《壓載水公約》要求,船舶攜帶的壓載水需經(jīng)過(guò)處理后才允許排放。壓載總管兼做艙底總管后,需對(duì)壓載系統(tǒng)排放水的性質(zhì)進(jìn)行甄別。通過(guò)監(jiān)測(cè)連接至壓載總管上的艙底水支管和壓載艙支管上遙控閥的開(kāi)閉信號(hào),判斷管路中輸送的是否為艙底水。當(dāng)壓載總管輸送艙底水時(shí),可通過(guò)壓載水處理裝置旁通的管路排舷外。反之,則需進(jìn)入壓載水處理裝置處理后排出。

3 結(jié)論

1)敞口多用途船噴淋的噴淋系統(tǒng)可視為貨艙固定式CO2滅火系統(tǒng)的有效替代,噴淋水要覆蓋敞口貨艙水平表面,可采用艙口圍側(cè)向噴淋和固定式水炮噴淋兩種形式。

2)當(dāng)敞口貨艙長(zhǎng)度小于120 m時(shí),采用水炮的噴淋系統(tǒng)對(duì)噴淋水量的需求更小。

3)水炮噴淋系統(tǒng)可覆蓋貨艙頂部更高范圍,水炮可遙控操作,管路的布置更為簡(jiǎn)單,較側(cè)向噴淋系統(tǒng)而言更具優(yōu)勢(shì)

4)貨艙排水舷口設(shè)置與否要根據(jù)殘余穩(wěn)性計(jì)算的考量而定。

5)可采用壓載總管兼做的方式滿足環(huán)形艙底水總管的要求。為避免違反壓載水公約要求,需對(duì)艙底水和壓載水管路遙控閥的開(kāi)閉信息進(jìn)行記錄和比對(duì)。

6)IMO尚未通過(guò)任何關(guān)于敞口多用途船設(shè)計(jì)的指導(dǎo)規(guī)則,噴淋系統(tǒng)和艙底系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案在滿足船級(jí)社要求的前提下,還需要得到掛旗國(guó)的認(rèn)可。