溢流法更換壓載水時船舶壓載艙的超壓問題研究

趙 翠，薛昌奇，謝春霞

（滬東中華造船（集團）有限公司 LNG技術研究所，上海 200129）

0 引言

船舶壓載水對海洋環境的污染引起國際海事組織和各國政府的高度重視，自2017年9月8日起，所有新造船壓載水的排放要求滿足D-2標準，而傳統的壓載水交換方法已無法滿足該排放標準。然而，考慮到在應急情況下不合規壓載水排放的可能性，海洋環境保護委員會在第71次會議上通過了應急情況下壓載水管理導則（BWM.2/Circ.62）。其中，壓載水交換方法被列為可接受的應急措施之一。

溢流法以其操作簡單、安全性相對性好的優點被廣泛采用。工作原理是先從壓載艙的底部泵入清潔海水，再從壓載艙的頂部溢流口溢出原來的壓載水。為了滿足95%的壓載水置換率要求，該方法需要注入至少3倍于壓載艙容量的海水。

采用空氣管作為溢流出口是其中一個選擇，但要考慮溢流時壓載水艙是否出現過壓的問題。溢流法由于艙內始終充滿水而避免了彎矩、剪力和局部應力過大等問題，但溢流管路存在阻力損失，可能使得壓載艙和壓載管路壓力過高，導致壓載艙變形或破損?？梢酝ㄟ^溢流管路阻力計算來確保壓載水溢流置換時的壓載艙壓力不大于其設計壓力。

本文以某化學品船為例，介紹壓載艙的超壓計算方法，并對結果進行分析，為類似項目提供參考。

1 計算方法

1.1 壓載系統的阻力計算

壓載系統如圖1所示。

圖1 壓載系統示意圖

系統的總阻力可以表示為

式中：

H

為壓載泵的壓頭，m；

h

為系統靜壓頭，m，即壓載水的最高液位與水線之間的高度差，這里取空氣頭的高度作為壓載水的最高液位，水線取最深壓載水線高度；

h

為管道沿程水頭損失，m；

h

為管道局部水頭損失，m。

管路的沿程阻力可以由達西公式計算得出：

因此有

式中：

λ

為管子摩擦阻力系數，多由經驗公式求得或由實管試驗圖表查取；

l

為管段長度，m）；

d

為管子內徑，mm；

g

為重力加速度，取9.81 m/s；

v

為管內流體速度，m/s；

Q

為流體在管路中的體積流量，m/h。

管路附件的局部阻力計算公式為

將流速公式（3）代入，因此有：

式中：

ζ

為阻力系數，指各種閥、彎頭、異徑和進出口等造成的局部阻力損失系數，可從相關手冊查得。

1.2 壓載艙過壓壓頭計算

壓載泵型式通常為離心泵，根據離心泵的性能，壓載泵的流量是隨系統的阻力變化而變化的。在溢流工況中，其流量不一定是額定流量，為了更準確地得到溢流工況時壓載水艙的承壓，需要計算壓載水艙的實際溢流流量。

根據式（1）～式（6）可知，系統管路阻力與流量呈二次函數關系，取幾個不同流量下的系統管路阻力，即可得到壓載系統的管路阻力

H

與流量

Q

的關系曲線。壓載泵的性能曲線和系統的管路阻力曲線的交點即為溢流時壓載泵的工作點（圖2），計算得到流速，再代入式（7），最后得到壓載艙的過壓壓頭。

圖2 壓載泵的性能曲線及壓載系統的管路阻力曲線

式中：Δ

H

為壓載艙的過壓壓頭，m；

h

為從艙頂到空氣頭的距離，m。

2 化學品船壓載艙的超壓計算

某化學品船的部分參數如下：兩柱間長

L

為179 m，結構吃水13.2 m；壓載艙共7組，除3個底部壓載艙外，其余每組均分為左右舷邊壓載艙2個；專用壓載泵（離心泵）2臺，排量為750 m/h，揚程為30 m；各壓載艙注入管通徑為DN 250。

根據規范對空氣管終止位置的要求，壓載艙空氣頭需布置在露天甲板，一般布置在干舷甲板以上至少760 mm，在上層建筑甲板以上至少450 mm。該船每個壓載艙首尾各設1個空氣管，空氣頭布置在主甲板上760 mm，主甲板距基線20.2 m。

按照空氣管截面積應以大于注入管截面積的1.25倍計算，空氣管通徑選取1×DN 200和1×DN 250。

2.1 壓載泵的性能曲線

根據廠家提供的壓載泵性能曲線（圖3），從中選取3個點，如表1所示。

圖3 壓載泵性能曲線圖

表1 壓載泵的流量和壓頭

將表1的數值代入表2，得到壓載泵的性能曲線積分圖表。

表2 壓載泵的性能曲線積分圖表（均差表）

壓載泵的性能曲線為

式中：A、B、C為根據牛頓內插多項式運算規則得到的系數，A=-0.000 013 8，B=0.002 381，C=35.95。

2.2 壓載系統的典型曲線

壓載系統原理如圖4所示，壓載泵安裝在泵艙內，壓載總管采用環形總管式。壓載艙外的壓載管使用焊接鋼管，而壓載艙內的壓載管使用玻璃鋼管，玻璃鋼管膨脹節接頭用于補償船體變形。壓載艙壓力主要和溢流管路的布置以及壓載水交換的流量有關，進行水力計算時，可在保證壓載艙不超過允許壓力的條件下，給出溢流管路的最大允許流量，或者給出管路的流量壓力降曲線。

圖4 壓載系統原理示意圖

注入系統的管路阻力越小，離心泵工作點的流量越大，溢流時通過空氣管及空氣管頭的阻力越大，艙柜超壓的可能性也就越大。由于壓載水置換過程中，中壓載艙是單臺泵注入1個艙，邊壓載艙是單臺泵同時注入左右舷2個艙，因此選取離泵艙最近的第三壓載艙（中）為例進行系統阻力計算。

壓載系統的管路阻力可以分段計算，包括：壓載泵的吸入管路的阻力；壓載泵注入至第三壓載艙（中）的管路阻力和壓載水從空氣管頭溢流的阻力。同時還要加上系統的靜壓頭

h

（取7.6 m），根據式（1）～式（6）的計算結果見表3。

表3 壓載系統的壓降表

將表3的數值代入表4中，得到壓載系統的典型曲線積分圖表。

表4 壓載系統的典型曲線積分圖表（均差表）

壓載系統的典型曲線為

式中：D、E、F為根據牛頓內插多項式運算規則得到的系數，D=0.000 026 06，E=0.00，F=7.6。

2.3 壓載艙的實際溢流流量

圖5為壓載泵的性能曲線和壓載系統的曲線圖，計算得出第三壓載艙（中）溢流時壓載泵的工作點：實際流量

Q

為873.5 m/h，壓頭

H

為27.5 m。

圖5 壓載泵和壓載系統曲線圖

2.4 第三壓載艙（中）的超壓計算結果

根據式（3）計算得到壓載水溢流時的流速

v

為2.96 m/s，因為

h

=0.76 m（圖6），由式（7）得到第三壓載艙（中）的過壓壓頭 Δ

H

=3.52 m，即壓載水從空氣管中溢流時流經空氣管及空氣管頭的阻力會達到3.52 m水柱。

圖6 壓載艙空氣管示意圖

根據船級社規范，在計算壓載水艙的設計承壓時，假設的空氣管溢流阻力一般情況下推薦取2.5 kN/m（即2.5 m水柱）。計算結果表明，壓載水通過1根DN 200和1根DN 250的空氣管溢流時，空氣管溢流阻力為2.76 m，超過2.5 m水柱，所以第三壓載艙（中）將處于超壓狀態。

3 壓載艙超壓問題分析

壓載艙產生超壓問題后，可以考慮以下幾個解決方案：

1）適當放大空氣管管徑。

注入管的截面積并不是設計空氣管時唯一考慮的因素。如果空氣管的通徑不合適，會導致壓載水艙中的壓力過高，這是使用空氣管作為溢流出口存在的一個重要問題。

該船第三壓載艙（中）存在超壓問題，如果將通徑DN 200的空氣管加大到DN 250，經過計算，得到第三壓載艙（中）的過壓壓頭 Δ

H

=2.65 m。所以壓載水通過2根DN 250的空氣管溢流時，空氣管溢流阻力為1.89 m，小于2.5 m水柱，可以保證壓載艙在注入時所承受的壓力在結構設計壓力范圍內。

2）對空氣管進行改造，如增開支管等。

在空氣管上開支管，將支管作為溢流出口。在溢流出口用法蘭連接 1根伸向甲板外的溢流短管（圖7），平時將溢流短管取下，并且用盲板法蘭封閉溢流口。這種設計可以消除壓載艙室由于溢流產生的過壓現象，也可以避免壓載水直接溢流到甲板上，但是初期投資相對來說較高。

圖7 空氣管出口的設計（單位：mm）

3）選用阻力系數小的空氣管頭。

空氣管頭的阻力系數一般在4～8之間，如條件允許，應盡量選用在設計流量下，阻力系數小于4.5的空氣管頭。

另外，按照船級社規定，壓載艙的空氣管頭屬于型式認可產品。一旦透氣帽出現故障，使得泵入壓載艙內水的溢流受阻，壓載艙壁承受的壓力會迅速上升，甚至會達到設計壓力的4倍以上，壓載艙的結構會因此損壞。

4 結論

現階段而言，溢流法僅僅作為壓載水管理的應急措施采用，但不合理的系統設計仍然會給船舶結構帶來非常不利的影響。根據規范要求，船廠要進行壓載艙的結構強度試驗。壓載水系統的壓降計算是設計過程必不可少的一個重要環節，它涉及到壓載艙空氣管尺寸的選擇和壓載水管的布置等。本文提供了一種壓降計算方法，以科學的計算步驟建立壓載水系統，從而使船舶能夠更好的適應各種裝載工況，保持一定的航行性能。