壓縮空氣排水半潛船的橫傾自惡化效應

招商局重工（深圳）有限公司 邵啟一

壓縮空氣排水半潛船的橫傾自惡化效應

招商局重工（深圳）有限公司 邵啟一

揭示壓縮空氣排水半潛船的一個固有特性，即在半潛狀態下，當船的橫傾角出現較快的改變時，正在操作的左右舷壓載艙的進出水速度會隨即發生改變甚至方向逆轉，并會產生加大船的橫傾角的不利效應。因此將其命名為橫傾自惡化效應。為減小該效應的影響，給出操作上的建議。

半潛船；壓縮空氣排水；沉浮操作；橫傾自惡化效應

采用壓縮空氣排水系統的半潛船，在半潛狀態下常易于出現橫傾失控。［1］業內人士一般都將失控歸結為操作者對全船自由液面控制不當，導致初穩性變劣所致。時至今日，尚未見到有從空氣的可壓縮這一特性來對此問題進行解釋或作出細化的分析。本文從半潛狀態下，船的橫傾角較快改變時，正在操作的壓載艙通海閥處的凈等效水頭也會隨之改變這一基本事實入手，論證了壓縮空氣排水系統半潛船具有的一個固有特性，即在船的橫傾角較快改變的情況下，壓載艙的進排水速度會明顯改變，并會形成進一步加大橫傾角的自惡化效應。在分析此現象的基礎上，本文提出了弱化所述效應的針對性操作措施。

一、壓縮空氣排水的壓載艙

1. 運作機理

壓縮空氣排水的壓載艙，是依靠注入壓縮空氣來完成排水，通過自灌或對壓載艙抽真空的方式來吸水壓載的。采用這種壓載艙的半潛船，一般可以獲得較快的壓載排水速度，但系統的管路卻細小很多。［2］

壓縮空氣排水的壓載艙都具有底部的通海閥和頂部的空氣管。海水經過通海閥進出壓載艙，而空氣管則給輸入壓縮空氣或抽排出艙內空氣提供通道。從理論上看，打開一個壓載艙的通海閥后，將該艙空氣管接到空壓機吸氣端或直通大氣，就可以對該壓載艙壓載；若將空氣管接到空壓機排氣端，輸入壓縮空氣，就可以對該壓載艙排水。改變空氣輸入或抽取量，結合通海閥開度的調節，理論上就可以改變壓載或排水的速度。［3］

2. 固有特性

然而，由于空氣具有可壓縮性，一個壓載艙內部的空氣壓力就不會突變或者說不會發生很快的變化。這一固有的特性有時會導致即使已向一個壓載艙注入壓縮空氣，該壓載艙也未必就實際上在排水。因為，只有當艙內空氣壓力大于海平面和艙內水位（內外水位）的高度差，壓載艙才有可能排水。顯然，艙內空氣壓力大過內外水位高度差越多，排水速度就會越快。同樣的道理，只有當艙內空氣壓力小于內外水位的高度差，壓載艙才有可能進水。

3. 產生的問題

若以陸地為參照系，海平面高度顯然不會瞬間改變，但對于半潛船來說，尤其是處于半潛狀態下的半潛船來說，在極短時間內發生數度的橫傾改變是常有的事。這時，對于位于船兩舷的壓載艙而言，就出現了海平面相對高度迅速改變的情況。如此，一個問題就隨之而來。對于一個打開了通海閥正在操作的壓載艙而言，海平面相對高度的明顯變化，就意味著內外水位的高度差出現了明顯的變化，因為這時壓載艙內的空氣壓力不可能即時改變，艙內水位的變化也很小。那么，內外水位高度差的變化就會導致該壓載艙通海閥中的水流速度發生變化，甚至還會出現水流方向被改變的情況，如果海平面相對艙內水位高度改變了足夠多的話。因船的橫傾角較快地改變而明顯改變正在操作的壓載艙通海閥中的水流速度甚至是方向，并最終會使船的橫傾進一步加大，這就是本文摘要中提到的橫傾自惡化效應。

之所以將所述的效應冠以惡化的定語，是因為正在壓載或排水的壓載艙，其進排水速度隨著船的橫傾角變化而變化的效應類似于自由液面效應，相當于增加了額外的橫傾力矩。由于在半潛狀態下，半潛船的初穩性多處于很小的、接近臨界的狀態，所以橫傾自惡化效應在船的半潛狀態下就會表現得尤為明顯，從而更容易對船舶的安全造成潛在的危害。

二、橫傾自惡化效應

1. 橫傾角改變時內外水位高度差改變量

圖1展示了一艘寬度42 m的半潛船，在橫傾角出現3°的改變后，根據幾何作圖或計算得出的海平面和兩舷壓載艙內水位平均高度差的變化情況，這里假定每個壓載艙的寬度為1/4船寬，橫傾過程中壓載艙內的壓載水量在短時間內沒有變化，且艙內的水線面均以各自的中性軸為傾斜軸。

圖1　在橫傾角改變3°后，海平面和壓載艙水位平均高度差會改變0.825 m

以同樣方法可以得出船的橫傾角在1°到6°范圍內改變時，內外水位高度差的改變量，如表1所列。因為僅是小角度橫傾，表中數值符合近似線性變化的規律。另外，當一舷的內外水位高度差是增加時，對應另一舷的自然就是減小的。

表1　橫傾角改變量與內外水位高度差改變量關系表

2. 伯努利方程

如果忽略管道阻力和水的黏性，依照伯努利方程，流經通海閥中的水流速度可由以下公式計算：

其中：hp為壓載艙內的空氣壓力，m，按0.01 MPa =1 m水頭來換算，真空時取負值；hb為壓載艙內水位高度，m；hs為海平面高度，m；heq為通海閥處的等效凈水頭，m；V為流經通海閥的水流速度，m/s。

在將艙內空氣壓力、水位高度和海平面高度綜合成等效凈水頭后，根據伯努利方程，通海閥中的水流速度就可以和等效凈水頭相互對應起來，而且，在艙內空氣壓力和水位高度沒有明顯變化的前提下，海平面高度的變化就會直接反映在等效凈水頭的變化上，并直接影響經過通海閥的水流速度的變化。

流經壓載艙通海閥的設計水流速度比一般管路要快得多。表2給出了通海閥中的水流速度從2.5 m/s變化至10 m/s時所對應的等效凈水頭，以及對于口徑400 mm的通海閥，可以達到的理論流量。

表2　等效凈水頭與水流速度、流量的關系

盡管實際的壓載艙進排水時，因為存在管路損耗，水也存在少量的黏性，流經通海閥的水流速度會比表2所列的計算結果要小，但這并不會影響據此分析得出的結論。

3. 一些分析結果

利用表1和表2的計算結果，結合圖1的圖示，分析后可以得出以下結論：

（1） 等效凈水頭即使只有1 m的變化，也會明顯影響流經通海閥的水流速度。如等效凈水頭從0.319 m改變到1.276 m，水流速度可以增加一倍。

（2） 在通海閥內的水流速度較小時（5 m/s以下），只要有1°～3°的橫傾角變化，就有可能導致等效凈水頭出現方向性改變，而使水流速度反向。如流速在2.5 m/s時，橫傾角發生2°的變化，或在3.75 m/s時，橫傾角發生3°的變化。

（3） 當船的橫傾角出現一個不大的變化，吃水增大一舷的壓載艙因等效凈壓頭增加，壓載速度就會加快或排水速度就會減慢；吃水減小一舷的壓載艙因等效壓頭將減小，排水速度就會加快或壓載速度就會減慢。

（4） 就所分析的壓載艙壓載排水速度的改變規律，與調整橫傾角需要的操作恰恰相反，從而有進一步增大橫傾角的作用，即出現了所謂的橫傾自惡化效應。

（5）如果船的橫傾角改變足夠大，如達到5°以上，那么通過壓載艙通海閥的水流速度就有可能改變方向，即由排水轉變成了壓載，或由壓載轉變成了排水，即使操作者并未對通海閥和空氣管閥的開度做任何調整。這說明，船的橫傾角改變量越大，橫傾自惡化效應就將越明顯。

（6） 對于靠近中縱剖面的壓載艙來說，在同樣的橫傾角變化下，海平面高度相對變化較小，橫傾自惡化效應就沒有邊壓載艙那樣明顯。

4. 效應影響程度的估計

由于在橫傾自惡化效應起作用的過程中，壓載艙內必然伴隨有壓載量的變化，所以這一效應與純粹的自由液面效應不同，具有一定的動態效應成分。但通過靜態計算效應產生的額外橫傾力矩，［4］可以來大致評估其作用的大小。

不失一般性，這里假定兩個左右對稱位置的邊壓載艙，在相同初始排水速度的前提下，船發生右傾，橫傾角分別改變1°、3°和5°時，計算因所述效應的作用而導致兩艙排水流量的差異，以及在1 min時間內將會形成的額外橫傾力矩。計算中取通海閥口徑為400 mm，左右壓載艙中心距離為30 m。詳細的計算及有關結果分別如表3、表4、表5所列。

表3　右傾1°時，1 min后等效橫傾力矩

表4　右傾3°時，1 min后等效橫傾力矩

表5　右傾5°時，1 min后等效橫傾力矩

在半潛狀態下，半潛船的初穩性都很小，規范要求是不小于0.05～0.1 m（視具體海況定），那么，對于一艘下潛到最大沉深時，初穩性高度為0.1 m，排水量達到120 000 t的半潛船，要使其橫傾3°也僅需要約6 300 kN·m的橫傾力矩。對比3個表中最后一列所列的等效橫傾力矩值，可見橫傾自惡化效應對引起船的繼續橫傾會起巨大作用。更何況在沉浮過程中，一般至少會同時對6個壓載艙（3對）進行操作，1 min后的等效橫傾力矩將是表中計算值的3倍。因此，即使橫傾僅改變1°，只要是改變得比較快，操作者若在1 min內沒有恰當應對，橫傾自惡化效應就會迅速顯現出來。

5. 效應潛在的危害

除了橫傾自惡化效應會引起半潛船橫傾角迅速增加的潛在危害外，應該說，其最大的潛在危害就是知道這一效應存在的操作者甚少。由于缺乏認識，操作者心目中也就不可能預想好恰當的應對措施。在半潛狀態下的半潛船，受臨時外力矩的作用，出現數度橫傾角的改變往往只需要一至數分鐘，甚至更短的時間。這使得橫傾自惡化效應常常就會起作用，但留給操作者的處置時間卻很少。如果短時間內操作者未能采取非常有針對性的措施，對橫傾的調整就難以見效，這時，船就會出現很大的橫傾角，安全也就受到極大的威脅。

三、應對措施和建議

了解了壓縮空氣排水半潛船具有橫傾自惡化效應這一特性后，在沉浮操作時就需要預定一些應對措施，以便在發現效應起作用的跡象時，用以控制橫傾角進一步增大，防止效應導致嚴重惡果。以下是有關應對措施的一些建議：

（1）在半潛船處于初穩性較為臨界的沉浮階段時，盡量操作靠近船中縱剖面的壓載艙，同時操作的壓載艙數量盡量少一些，如不超過4～6個。這樣在橫傾角有快速改變時，效應影響會小一些。

（2）在半潛船保持在穩定的小角度橫傾時（如3°以下），不要刻意將船快速調整到0°橫傾，因為這樣做實際上就是在快速改變內外水位的高度差，誘使橫傾自惡化效應起作用。應盡量采用微調方式調整浮態。

（3）將壓載艙通海閥調整在可以維持合適流量的開度上，即對應閥內有較快的流速，以弱化效應起作用時的影響（通海閥中水流的初始速度越大，受效應的影響就越弱）。

（4）記住只有通海閥才可以絕對控制壓載艙內的水量不變，所以應同時啟閉一個壓載艙的通海閥和空氣管閥，而不是僅僅關閉空氣管上的閥。

（5）在船出現較快的橫傾角改變時，可先迅速地將正在操作的壓載艙通海閥全部關閉，防止橫傾自惡化效應擴大，導致橫傾角進一步增加。然后等壓載艙內建立起合適的背壓后再開啟通海閥來調整橫傾。

（6）在壓載艙液位指示系統的設計方面，最好加入內外水位差的指示以及艙內空氣背壓指示，以幫助確定打開通海閥需要的背壓是否合適。

四、結論

橫傾自惡化效應是一種不利于壓縮空氣排水半潛船操作安全的效應，需要盡快被半潛船操作者認識。當半潛船處于沉浮階段中初穩性接近臨界的狀態時，效應導致的額外橫傾力矩在數量級上將與引起船數度橫傾角的外力矩相近。為減小效應的作用，盡量使用靠近船中縱剖面的壓載艙，同時操作的壓載艙數量應盡量少一些，并采取緩慢的調整手法。當船出現較快的橫傾角改變時，可先迅速地將正在操作的壓載艙的通海閥關閉，來止住橫傾角的進一步擴大，然后等壓載艙內建立起合適的背壓后再開啟通海閥來調整橫傾。

［1］王春久.半潛船的特點與操作介紹［J］.天津航海，2014（2）:8-10.

［2］周卓亮，蔡潔.50 000噸半潛船壓縮空氣壓載系統設計研究［J］.船舶，2013（5）:57-62.

［3］李志壘.大型半潛船壓載系統設計［J］.船舶，2014（1）:53-57.

［4］盛振邦.船舶靜力學［M］.北京:國防工業出版社，1979:47，36.

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10.16176/j.cnki.21-1284.2016.10.007

邵啟一（1954—），男，碩士，高級工程師，E-mail：qyshao888@126.com