郵輪燃油艙結構試驗壓頭選取方法及應用

張志佳,張衛

(招商局郵輪制造有限公司,江蘇 南通 226100)

根據現行SOLAS公約的相關要求，郵輪的燃油艙及相應的溢流艙的透氣管通常需要布置到煙囪的高度位置。按照相關船級社規范的艙室結構試驗壓頭的選取要求，試驗壓頭通常要取到透氣管高度。按此方法，油艙的試驗壓頭很容易超過艙室的結構設計壓頭，一方面會給船廠模擬如此高的水壓頭帶來困難，另一方面也很容易導致試驗艙室結構產生塑性變形。為此，結合極地探險郵輪項目中郵輪燃油艙及溢流艙的溢流和透氣系統布置，以油艙的結構設計壓頭為參照值，分析試驗壓頭與設計壓頭的關聯及燃油透氣及溢流系統的設計，計算出油艙的實際最高溢流高度，以此確定結構試驗壓頭的高度。

1 結構試驗與密性試驗的區別

艙室密性試驗的目的是檢查船舶在建造時的密性。這里的密性可以指水密、風雨密、或者氣密。而結構試驗側重于驗證艙室結構強度。兩者的區別還體現在以幾下方面。

1)試驗對象不同。結構試驗的對象是供裝載液體并形成船舶分艙部分的艙柜[1]，可以簡單理解為液艙或獨立艙柜；艙室密性試驗適用于蒸汽壓力小于70 kPa的重力液艙和其他水密和風雨密結構[2]。原則上除了全自動焊連接處之外，所有液艙周界焊縫、穿越孔焊縫和分段合攏縫都需要進行密性試驗。

靜水壓試驗(壓水試驗)只是一種試驗方式，無論是結構試驗還是密性試驗都可以采用靜水壓試驗的方式，但不能說靜水壓試驗等同于結構試驗。靜水壓氣動試驗也是如此。

2)試驗方式不同。結構試驗的方式有靜水壓試驗和靜水壓氣動試驗；密性試驗的常見方式有壓水試驗，充氣試驗，淋水試驗，涂煤油試驗，抽真空試驗等。

靜水壓試驗可以同時檢驗艙室強度和密性，從合理性來看，對于一個同時需要進行密性試驗和結構試驗的艙室，僅進行一次靜水壓試驗是滿足要求的；但前提是，接縫需滿足船級社的涂層順序要求。比如，CCS要求，除自動焊的對接焊縫外，所有其他接縫，最終涂層應在滲漏試驗(密性試驗)完成之后進行施涂[3]。在此之前，部分船級社如CCS允許在焊縫上涂車間底漆。

2 艙室設計壓頭估算

2.1 設計壓頭與試驗壓頭的關聯

壓頭原指液體的液面頂部距離測量點的相對高度差。而艙室結構試驗中所使用的計算壓頭高度通常是指試驗水或油液面距離基線的絕對高度，要注意區別開來。壓力指的是在相應壓頭下，液體所產生的實際壓力值。液體壓力p=ρgh，h為壓頭。在其他條件相同的情況下，同種液體的壓力大小由壓頭決定。因此，通過比較壓頭，就可以快速比較液體產生的壓力。

每個液艙在基本設計階段會確定相應的艙室設計壓力，假如試驗壓力超出設計壓力過多，那么艙室結構可能會有嚴重塑性變形甚至結構破壞的危險。將試驗油艙的試驗壓頭和設計壓頭進行比較，即可快速判斷試驗壓頭高度是否合理。

2.2 燃油艙設計壓頭的估算方法

油艙的內部壓力，通常有液化氣體的蒸汽壓力、靜態液體壓力及液體慣性壓力，對于破艙水線以下的油艙還要考慮破艙水壓力。

對于靜水壓力的計算，綜合來看，船級社規范普遍采用的艙室最頂端的高度值加上壓力釋放閥的設定值或空氣管頭高度，取兩者中的大值，作為計算靜水壓力的壓頭高度。如CCS,LR,DNV-GL等。在BV規范[4]中(NR467, Pt B, Ch 5, Sec 6)，則采用的艙頂高度或空氣管頭高度的一半，兩者中的大值。

關于“透氣管高度的一半”這一概念，CCS和LR計算深液(液艙)的平面艙壁板厚時，使用了“由艙壁板列下緣量至深艙頂的垂直距離，或量至溢流管頂垂直距離的一半，取較大者”，這一表述。應當認為這是CCS和LR的規范計算中用于計算艙室壓力或結構板厚的一種壓頭高度的取值方法，不應理解為該艙室的實際壓頭高度或設計壓頭高度。

其他壓力，諸如水慣性力計算涉及到艙室的具體尺寸，橫搖和縱搖的加速度，破艙水壓力涉及到最終平衡水線高度等，計算就更加復雜。單從比較設計壓頭和結構試驗壓頭這一需求出發，將燃油艙透氣帽的高度作為艙室的設計壓頭，從計算結果來看是保守的，但從計算的簡便性和結構試驗的安全性來講，是相對合理和經濟的。

對于透氣帽的最小高度值，CCS、LR[5]、BV、DNV GL[6]的要求是一致的，即：干舷甲板以上760 mm；上層建筑甲板以上450 mm。

對于上層建筑甲板，CCS鋼規的定義為“上層建筑甲板可理解為計量規范型深D時所量到的最上層連續甲板”；而BV的定義則是“構成上層建筑上邊界的甲板”。相比之下，CCS鋼規的定義更接近于實際。

3 結構試驗壓頭的規范要求

各船級社入級規范對燃油艙的結構試驗壓頭的選取方法基本一致，通常取下列值中較大者。

1)溢流管頂部(指液體可到達的最大溢出高度，透氣管兼做溢流管時也可以是透氣帽高度，不可片面理解為溢流管高度)。

2)油艙頂部以上2.4 m。

3)油艙頂部高度加上壓力釋放閥的設定壓力(如有)。

4)艙壁甲板的高度。

郵輪的一個典型特征是上建甲板以上幾乎全部為乘客處所。而按照SOLAS公約要求，為防止油蒸氣導致的失火或爆炸危險，任何油柜或燃油艙及燃油溢流艙的空氣管和溢流管以及安全閥不得排向船員處所和乘客處所。燃油或溢流艙的透氣管不得不通過機艙棚一直延伸至煙囪高度。郵輪的上建和煙囪高度比一般類型的民用船舶高得多，一艘6萬t的中型郵輪的煙囪高度就可超過40 m。

在我國首制極地探險郵輪的油艙結構試驗的準備過程中發現，如完全按照SOLAS公約的要求布置透氣管并按照船級社規范要求選取透氣管高度作為結構試驗壓頭高度，會導致部分油艙，尤其是主甲板以下的油艙的試驗壓頭過高，遠超設計壓頭，顯然不合理。這也與SOLAS公約中“以相當于其設計壓力的水頭”這一要求相違背。

實際上，為避免出現燃油艙被注滿，甚至溢流艙也被注滿，發生燃油溢出的情況，SOLAS公約規定燃油艙柜內應設有確定燃油存量的安全裝置，通常為高低油位報警器。為防止超壓，包括油泵供油的注入管在內的燃油系統應設有防止超壓的裝置。ABS和DNV GL要求燃油溢流艙的艙容應滿足燃油泵至少10 min額外的供油量[7]。

綜上，當油艙的最大溢流高度在艙壁甲板附近時，按船級社規范要求的方法選取的試驗壓頭高度基本上不會超過設計壓頭高度。而當溢流/透氣管高度急劇升高時，如果不考慮郵輪燃油透氣系統的布置特點以及燃油系統防溢流措施所發揮的作用，仍然將按照規范的要求選取溢流/透氣管高度值作為試驗壓頭，顯然不合理。

4 結構試驗壓頭的選取優化

油艙結構試驗的實質性目的是模擬艙室承受可能的最高的油液高度壓力。因此，當油艙透氣管高度過高，遠超油艙設計壓頭高度時，理論結構試驗壓頭高度并不能準確反映艙室實際可能承受的壓力。此時，根據油液可到達或溢出的實際高度，比如鵝頸或溢流管高度而不是透氣帽高度來確定試驗壓頭，才是更為合理和準確的方法。

試驗前，針對燃油艙的結構試驗要求，船廠與BV船級社的驗船師和審圖中心進行了深入探討，并達成以下共識：當燃油及溢流艙的透氣管高度高于艙室設計壓頭高度時，如果相關艙室已經按照船級社要求，設置了高液位報警器，溢流報警器等防溢流措施，燃油艙及溢流艙在選取結構試驗壓頭時，可以將油液面所能達到的實際最高點，作為試驗壓頭高度，具體應遵循下列要求。

1)如燃油艙沒有獨立的透氣管，但是通過溢流管連到溢流艙，則該艙的結構試驗壓頭，需達到該油艙所連接的溢流艙的透氣帽高度。

2)如油艙除溢流管外有還設有獨立的透氣管，則該艙的試驗壓頭需達到其獨立透氣管高度或溢流艙透氣管高度中兩者的較小值。

3) 燃油溢流艙屬于燃油溢流系統的組成部分，其特點及重要程度與燃油艙基本一致，也應當視為燃油艙進行結構試驗，試驗壓頭需達到該溢流艙的透氣帽高度。

實踐證明，按照上述要求調整后的燃油艙及溢流艙試驗壓頭高度基本都小于艙室的設計壓力值。

5 結構試驗壓頭選取示例

某郵輪燃油艙的透氣/溢流系統布置示意于圖1，A艙位于雙層底內底板上，艙頂高度為4.5 m/A.B.L。設計壓頭高度估算為上建甲板以上450 mm，即10.42 m/A.B.L。

圖1 某油輪燃油艙“A”透氣/溢流系統示意

A艙通過高度為7.5 m的溢流管連接到溢流艙。A艙和溢流艙均通過帶有鵝頸的溢流管(此處的溢流管兼做透氣管)連接到一根透氣總管，鵝頸頂部高度為9.7 m/A.B.L，透氣總管的透帽高度為12.5 m/A.B.L。由于A艙沒有獨立的透氣管，與溢流艙共用一根溢流管，按規范要求應選擇透氣總管的透氣帽高度作為試驗壓頭高度，明顯超出艙室原設計壓頭高度。因此，需要具體分析溢流及透氣系統設計，來確定實際液位的最高值作為試驗壓頭。

由于A艙及溢流艙配置了高液位報警器及溢流報警器，A艙的油液注滿后會先觸發高液位報警器，然后向上通過鵝頸流入7.5 m/A.B.L溢流管，隨之觸發溢流報警器，溢出的油液最終會流入溢流艙。綜上，A艙的油液可到達的實際高度為鵝頸高度，即9.7 m/A.B.L，小于設計壓頭。所以取9.7 m/A.B.L作為兩艙的結構試驗的壓頭高度比較合理。

6 結論

對于郵輪，在選取燃油艙或溢流艙的結構試驗壓頭時，應當遵循以下要求。

1)船級社規范要求仍是結構試驗理論試驗壓頭選取的首要參考標準，任何需要進行結構試驗的艙室都先要按照規范要求，初步計算出理論試驗壓頭。

2)必須將按規范算出的理論試驗壓頭高度與艙室設計壓頭進行對比，以判斷其合理性。如果理論試驗壓頭小于設計壓頭，則使用理論試驗壓頭進行結構試驗；如果理論試驗壓頭大于艙室設計壓頭，則應當具體分析燃油溢流和透氣系統，確認相關燃油溢流系統是否配置了船級社要求的防溢流安全報警裝置；確認油液實際所能到達的最高的溢流高度，以此為依據，作為最終的結構試驗壓頭高度。

上述結構試驗壓頭選取方法通過在我國首制極地探險郵輪項目的應用證明了其合理性。采用此方法不僅降低了船廠實施結構試驗的成本，也保證了相應艙室的結構安全。這對于郵輪的油艙乃至其他類型船舶液艙的結構試驗壓頭的選取都具有參考意義。上述方法在實際應用時，應當與船級社充分交換意見，在此基礎上共同推動相關規范的進一步更新和完善。