某80000載重噸半潛船壓載透氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

李仁科 黃 吉 許婉瑩 袁金永

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

為滿足不可分割的大型貨物的運(yùn)輸需求，特種運(yùn)輸船舶——半潛船應(yīng)運(yùn)而生。本文研究的半潛船指的是在船舶裝/卸過(guò)程中船舶的大部分可潛入水下，并且以正常吃水航行的一種特種船舶［1］。典型的半潛船如下頁(yè)圖1所示。

圖1 半潛船

半潛船設(shè)有平坦的開(kāi)敞露天甲板用以裝載貨物，一般不設(shè)專門(mén)的貨艙［2］。對(duì)于甲板貨物的裝卸，其裝卸方式除了一般的吊裝與滾裝外，還可采用滑裝和浮裝的方式。半潛船由于甲板面積廣闊，一般會(huì)在甲板上安裝滑軌，可利用液壓頂推裝置完成貨品在甲板上的移位，這種裝卸方式稱為滑裝。而浮裝的裝卸方式是半潛船特有的裝卸方式，適用于可漂浮的貨品。浮裝前通過(guò)向壓載艙注入壓載水，使半潛船甲板潛沒(méi)至水下指定深度，然后將漂浮的貨品移動(dòng)至半潛船潛沒(méi)甲板上方的水面，而后排出半潛船壓載艙內(nèi)的壓載水，使半潛船甲板抬升，進(jìn)而托舉起漂浮在其上方的貨品，完成待運(yùn)貨品的裝載；卸載貨品的過(guò)程與上述過(guò)程相反。

浮裝這種特殊的裝卸方式特別適用于不可分割的可漂浮的超大型貨品的運(yùn)輸。基于半潛船的這一運(yùn)輸特性，為了進(jìn)一步突出這一特殊優(yōu)勢(shì)，半潛船正不斷趨于大型化，以進(jìn)一步滿足超常規(guī)質(zhì)量與超常規(guī)尺寸的巨型貨品運(yùn)輸?shù)氖袌?chǎng)需求。

由于在浮裝過(guò)程中，半潛船甲板的下潛深度一般要大于待運(yùn)貨品的最大吃水深度，因而相較于其他類(lèi)型船舶，半潛船在整個(gè)浮裝過(guò)程中的吃水變化很大，這就直接造成在浮裝過(guò)程中，半潛船需要壓、排載更多的壓載水以完成浮裝作業(yè)。由于半潛船在浮裝作業(yè)工況時(shí)對(duì)海況要求很高，所以可進(jìn)行浮裝作業(yè)的時(shí)間窗口有限，因此半潛船壓載系統(tǒng)一般都具有很高的排量。為保證運(yùn)輸大型不規(guī)則貨品時(shí)船體的穩(wěn)性，半潛船一般盡可能多地設(shè)置壓載水艙，對(duì)于大型半潛船，在其主甲板下一般對(duì)稱分布著80～90個(gè)壓載艙。基于以上這些原因，半潛船壓載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比其他類(lèi)型船舶復(fù)雜，是半潛船系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一。

為了避免在壓載和排載過(guò)程中，由于壓載水的灌注和抽吸造成壓載艙超壓和負(fù)壓，需要相應(yīng)為各個(gè)壓載艙配備透氣的空氣管［3］。由于半潛船主要通過(guò)平坦開(kāi)闊的甲板面載貨，且載貨甲板在浮裝作業(yè)過(guò)程中會(huì)下潛至水下，因此半潛船的透氣管一般不能直接引出至上甲板，而應(yīng)集中至始終高于水線的上層建筑部分引出。此外，由于大型半潛船壓載艙眾多，這些因素都造成與壓載系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的半潛船透氣系統(tǒng)也遠(yuǎn)比其他類(lèi)型船舶復(fù)雜，因此透氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是半潛船設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一。

本文以某80000載重噸半潛船的壓載和透氣系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析該類(lèi)型半潛船壓載與透氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。［4-6］

1 壓載、排載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本船采用四島式船型，在右舷靠近艏部設(shè)置固定式偏島作為生活樓，其余三島均為可移動(dòng)式浮箱。半潛船效果圖見(jiàn)圖2，四島式布置圖見(jiàn)下頁(yè)圖3。

圖2 半潛船效果圖

圖3 半潛船四島式布置圖

該半潛船主要技術(shù)參數(shù)如下：

本船共設(shè)約105個(gè)壓載水艙，壓載水總量約17000 000 m3，采用大排量壓載泵進(jìn)行壓載/排載。本船壓載水艙分為前后10個(gè)艙段，上下3層分布，中間層的壓載艙的容積較大，頂層和底層壓載艙的容積較小。該半潛船的壓載水艙的布置如圖4所示。

圖4 半潛船壓載水艙布置圖

壓載系統(tǒng)需具備1.5 h調(diào)整船舶1 m吃水的能力要求，同時(shí)，壓載系統(tǒng)考慮冗余安全設(shè)計(jì)，據(jù)此計(jì)算本船壓載系統(tǒng)的排載能力要到達(dá)2000 000 m3/h。綜合分析本船的實(shí)際情況，本船共配備8臺(tái)壓載水泵，分別布置在艏艉2個(gè)泵艙，每臺(tái)排量大約為205000 m3/h。壓載泵需要滿足在不同吃水條件下對(duì)各個(gè)艙的壓排載，在最大下潛工況下，底層艙的排載需要克服3.08 bar（308 kPa）的靜壓，在最小吃水工況下，將浮箱注滿壓載水需要克服3.050 bar（305 kPa）的靜壓，通過(guò)計(jì)算壓載管路的阻力，同時(shí)保證壓載水一定的動(dòng)壓，本船壓載水泵的壓頭取為3.70 bar（370 kPa）。全船設(shè)4根壓載水總管，每根壓載總管對(duì)應(yīng)2臺(tái)壓載泵。每個(gè)壓載艙設(shè)2根支管分別接至同一舷側(cè)的2根總管。總管考慮滿足2臺(tái)壓載泵的排量，管徑為DN900。每根壓載總管在船舯設(shè)1個(gè)隔離閥。

每個(gè)中層壓載艙考慮冗余，設(shè)有2根壓排載支管（內(nèi)徑482.60 mm）及吸口，分別接至同一舷側(cè)的2根總管，2根支管上遙控閥門(mén)設(shè)控制連鎖，僅可經(jīng)其中1根支管壓排載。每個(gè)底層、頂層壓載艙考慮冗余，設(shè)有2根壓排載支管（內(nèi)徑2920 mm）及吸口，分別接至同一舷側(cè)的2根總管。2根支管上遙控閥門(mén)設(shè)控制連鎖，僅可經(jīng)其中1根支管壓排載。從2根總管各引1根壓載支管接至浮箱，2根支管在主甲板下合并后通過(guò)軟管與浮箱相連，用于浮箱壓排載，浮箱透氣管布置在浮箱頂。

圖5 半潛船壓載水系統(tǒng)原理圖

2 壓載透氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本船采用邊島式船型，浮箱均為可移動(dòng)的，壓載艙透氣管必須經(jīng)過(guò)邊島與外界相通。因邊島與主船體連接空間有限，無(wú)法滿足所有壓載艙獨(dú)立的透氣管布置需求。因此本船壓載艙透氣系統(tǒng)分為2種形式：底層、中層壓載艙為總管式透氣系統(tǒng)，頂層艙壓載為獨(dú)立式透氣系統(tǒng)。

2.1 底層、中層壓載艙總管式透氣系統(tǒng)

全船設(shè)2根透氣總管（截面積約0.72 m2），中層及底層壓載艙透氣管經(jīng)過(guò)安全區(qū)后匯至相應(yīng)總管集中透氣，艏艉各設(shè)2個(gè)壓載水泄放艙。透氣總管前后各設(shè)1根泄放管（內(nèi)徑584.60 mm）接至壓載泄放艙，用于排除總管內(nèi)積水，泄放管路上設(shè)遙控蝶閥。

透氣管口徑選取原則：每個(gè)中層壓載艙設(shè)2根透氣管（內(nèi)徑584.60 mm），每根透氣管均滿足規(guī)范的要求，大于注入管（內(nèi)徑482.60 mm）截面積的1.25倍。每個(gè)底層艙設(shè)2個(gè)透氣口，出艙后合并成1根透氣管（內(nèi)徑330.20 mm），引至全船透氣總管。底層艙透氣管（內(nèi)徑330.20 mm）截面積滿足規(guī)范要求，大于注入管（內(nèi)徑2920 mm）截面積的1.25倍。透氣總管截面積（0.720 m2）約為最大透氣支管（內(nèi)徑584.60 mm）截面積之和的2.5倍，滿足規(guī)范的要求——大于任意2根支管截面積之和。

每根透氣總管首尾各設(shè)1根泄放管（內(nèi)徑584.60 mm），用以泄放總管內(nèi)壓載水。泄放管規(guī)格按溢流管規(guī)格進(jìn)行配置，一般要求每個(gè)動(dòng)力注入艙柜溢流管的有效截面積應(yīng)不小于該艙柜注入管有效截面積的1.25倍。現(xiàn)有配置大約對(duì)應(yīng)4個(gè)中層壓載艙（或約12個(gè)底層艙），即基本可滿足4個(gè)中層壓載艙或12個(gè)底層艙同時(shí)溢流。

2.2 頂層艙壓載獨(dú)立式透氣系統(tǒng)

頂層壓載艙設(shè)置獨(dú)立的透氣管（內(nèi)徑330.20 mm），經(jīng)過(guò)安全區(qū)后引至艏部邊島開(kāi)敞甲板。壓載透氣管的布置需滿足船舶破艙穩(wěn)性要求。透氣管末端設(shè)泄放管路，排除透氣管內(nèi)積水，泄放管路上設(shè)置遙控閥。

壓載透氣系統(tǒng)管路配置匯總列表見(jiàn)表1。

表1 壓載透氣系統(tǒng)管路配置匯總表

3 空氣總管的安全性設(shè)計(jì)

基于上述方案，中下層壓載艙的透氣支管都接到總管上，并且各個(gè)透氣管上不設(shè)置閥門(mén)，在不采取任何措施的情況下，當(dāng)超過(guò)一定的縱傾或橫傾時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致某個(gè)艙的水溢出到總管，進(jìn)而導(dǎo)致其他艙的累計(jì)進(jìn)水，對(duì)浮態(tài)產(chǎn)生影響。

為此，本船在中下層壓載艙透氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采取了以下應(yīng)對(duì)措施：

（1）通過(guò)透氣管出艙位置的合理設(shè)置來(lái)盡量提高溢流點(diǎn)的高度；

（2）對(duì)于透氣管的橫向走向采用必要的回繞來(lái)避免橫傾下壓載水的溢出；

（3）總管直通壓載水泄放艙，使總管中溢出的水能夠及時(shí)排掉，避免聚集導(dǎo)致回流到壓載艙。

3.1 確定性破艙條件下透氣管的溢流情況

本船確定性破艙指的是2個(gè)相鄰艙段同時(shí)破損的工況，對(duì)于本船不同位置的兩艙破損組合，產(chǎn)生的最大橫傾為6.75°，最大的縱傾角度為1.38°。

底層和中層壓載艙的透氣支管均是從艙室頂部引到頂層艙再接入總管，中層艙的最高液位距離透氣管更近。在超過(guò)一定橫傾或縱傾時(shí)，相對(duì)于底層艙會(huì)更容易出現(xiàn)壓載水的溢流，因此這里主要分析中層艙的溢流情況：

（1）對(duì)于橫傾情況，中層中列壓載艙的透氣支管出艙后，繞同側(cè)舷邊后再接入總管，中層邊艙壓載艙透氣支管通過(guò)最高點(diǎn)引出。通過(guò)下頁(yè)圖6和圖7可以看出：在確定性破艙最大橫傾6.75°情況下，溢水線低于透氣管下沿，不會(huì)引起中層壓載艙的溢流。

圖6 中層邊壓載艙透氣系統(tǒng)布置以及最大橫傾溢流情況

（2）對(duì)于縱傾情況，本船透氣管采用單個(gè)壓載艙首尾布置，透氣支管從壓載艙頂部引出。由下頁(yè)圖8可見(jiàn)：在確定性破艙最大縱傾1.38°情況下，溢水線低于透氣管下沿，也不會(huì)引起中層壓載艙的溢流。

圖8 壓載艙透氣系統(tǒng)布置側(cè)視圖以及最大縱傾溢流情況

（3）同時(shí)在最大橫傾、縱傾情況下，透氣管溢流最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)水平面依然高于壓載艙的最高點(diǎn)。因此，在本船確定性破艙引起的最大橫傾和縱傾角度下，本船中下層壓載艙不會(huì)出現(xiàn)溢流，不會(huì)對(duì)確定性破損穩(wěn)性計(jì)算造成影響。

3.2 透氣總管的安全性分析總結(jié)

本文基于本船船型的特殊性，中下層壓載艙透氣系統(tǒng)采用“總管+支管”的方案，為減少空氣管堵塞或故障風(fēng)險(xiǎn)，支管與總管之間不設(shè)閥門(mén)。為了避免中下層壓載艙在超過(guò)一定船舶橫傾和縱傾角度時(shí)出現(xiàn)溢水，結(jié)合船體內(nèi)甲板傾斜設(shè)計(jì)，對(duì)透氣支管的出艙位置進(jìn)行了特殊考慮，盡量提高透氣管溢流口高度，可保證本船大傾角橫傾以及嚴(yán)重縱傾時(shí)不出現(xiàn)溢流。在確定性破艙的不同破艙組合所造成的最嚴(yán)重橫傾和縱傾情況下，本船中下層艙均不會(huì)出現(xiàn)溢流，也不會(huì)造成破損后平衡位置縱傾及橫傾的加劇，對(duì)確定性破艙不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

因此，本船在一般營(yíng)運(yùn)以及確定破艙產(chǎn)生的最大橫傾和縱傾情況下，采用中下層壓載艙“支管+總管”的透氣方案，不會(huì)出現(xiàn)壓載艙的溢流，也不會(huì)造成其他艙的累計(jì)進(jìn)水。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以某80000載重噸半潛船壓載透氣系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)半潛船浮裝工況要求，結(jié)合本船自身特點(diǎn)，對(duì)其壓載系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)其透氣系統(tǒng)也開(kāi)展了設(shè)計(jì)。根據(jù)本船的船型特點(diǎn)，采用總管式透氣系統(tǒng)與獨(dú)立式透氣系統(tǒng)相結(jié)合的透氣方式，提出了避免透氣總管系統(tǒng)造成相關(guān)艙室累計(jì)進(jìn)水的具體措施，分析研究了在確定破艙條件下的透氣總管安全性。希望該文能對(duì)同類(lèi)型半潛船壓載透氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究起到一定的參考作用。