內河滾裝船舶滾裝處所壓力水霧系統的優化設計

龔旭誠， 俞 赟

(中國船舶及海洋工程設計研究院， 上海 200011)

0 引 言

汽車滾裝船作為一種用來運輸車輛的船舶，具有運載量大和裝載時間短等特點。目前我國大部分商品汽車滾裝船都在長江流域營運，停靠的碼頭主要分布在重慶、武漢和上海一帶。2016年長江三峽新建升船機的試通航使得船舶通過三峽的時間大大縮短，進一步提升了運輸效率。由于升船機對裝載的船舶的尺度和重量有一定的限制，加上近年來船舶技術的不斷發展和環保意識的不斷增強，我國的商品汽車滾裝船面臨著新一輪更新換代。自2017年起，已有多家船務公司投入運營升船機型滾裝船，有效解決了車輛進出四川和重慶的難題，有力支援了長江經濟帶建設和中西部大開發[1]。

由于汽車滾裝船裝載的貨物為汽車，其發生火災的可能性比其他干散貨船大，火災擴散更迅速，可能會造成較大的人員傷亡和財產損失。2004年11月16日，一艘由煙臺駛往大連的汽車滾裝船因裝載的車輛相互碰撞，造成油箱破裂，引起火災，該船甲板以上部分全部被燒毀，直接經濟損失達3 000萬余元[2]。此外，近年來電動汽車的發展使得滾裝船增加了充電樁等額外設備，這些設備在使用時同樣有引發火災的可能，丹麥一艘客滾船就曾因給電動車充電而引發電池爆炸和火災[3]。

因此，水霧系統作為船舶滾裝處所的一種消防工具，具有撲滅火災和防止火災進一步擴散的作用，是船舶的重要系統之一。然而，滾裝船的水霧系統的規模較大，管路遍布每層車輛甲板，對船舶的裝載性能有顯著影響，在船舶設計建造過程中應格外關注。在保證消防系統的功能性的前提下，應降低其對船舶性能的影響。如何平衡安全性與經濟性之間的矛盾，是現今經濟性考核指標日趨增加和船舶安全性能要求日益提高的大環境下，擺在船型開發人員面前的課題。本文以某型內河商品汽車滾裝船為例，討論內河滾裝船水霧系統設計的注意事項和優化手段。

1 設計依據

1.1 現狀分析

根據中國船級社《內河船舶法定檢驗技術規則》第5篇第3.7.2.3節的要求，滾裝處所的固定式壓力水霧系統必須能對滾裝處所進行分區保護，當某區域發生火情時，僅要求該區域的壓力水霧工作即可，不必這層甲板的壓力水霧同時工作。分區的劃分一般要求每個分區能覆蓋滾裝甲板整個寬度范圍，長度不小于20 m，以保證不會因分區長度過短而導致壓力水霧的作用范圍未能覆蓋起火區域。

壓力水霧的噴水強度：對于甲板層高不足2.5 m的區域，應至少提供3.5 L/(min·m2)水量；對于甲板層高大于等于2.5 m的區域，應至少提供5 L/(min·m2)水量；對于滾裝處所的坡道，應至少提供5 L/(min·m2)水量，防止火焰通過坡道開口向上擴散。壓力水霧的供水泵流量應滿足任意甲板2個分區和向上坡道區域的持續供水，其壓力應滿足所有水霧噴嘴的工作壓力需求。

1.2 設計思路和優化措施

1.2.1 噴嘴選型及典型布置

在設計水霧系統時，首先對水霧噴嘴的特性和設計壓力進行確定。水霧噴嘴的特性分為霧化角度α和流量系數k。

1) 流量系數k是考核水霧噴頭的工作性能和水霧滅火系統設計的重要參數，代表噴嘴流量與供水壓力平方根的比值為常數[4]，用于計算水霧噴嘴在設計壓力下的流量。

2) 霧化角度a與覆蓋范圍相關，一般根據水霧噴嘴的出廠試驗確定。對于同樣型號的噴嘴，通常其流量系數恒定，霧化角度隨壓力的增大而增加，但總體變化幅度不大，仍與噴嘴出口處的設計有關[5]。

3) 當確定了k和α之后，通過調整外部參數供水壓力p和距被保護區域的距離h，在流量-壓力特性曲線(見圖1)和高度-覆蓋半徑曲線(見圖2)上選取相應的工作點，可獲得不同的噴嘴流量和覆蓋范圍。

在確定了噴嘴的流量Q和覆蓋半徑r之后，可計算相鄰噴嘴的最大間距。當噴嘴呈矩形布置時，為了使噴嘴的保護范圍能完整地覆蓋被保護區域，矩形對角長度不能大于2倍的保護半徑，即邊長不大于0.7r，見圖3。圖3是較為理想的覆蓋范圍，當間距為0.7r時，各噴嘴的覆蓋范圍重合部分最小，使水霧能盡量均勻覆蓋。

圖3 噴嘴組合覆蓋區域示意

1.2.2 分區劃分

為達到規范要求的消防效果，首先應對每層甲板的滾裝區域進行分區處理。分區的意義在于，在保證消防效果的前提下，減小水霧系統的負擔。因此，在進行分區劃分時，應盡量將每個分區的長度調整至接近但不小于20 m。在初步劃分時，可將滾裝區域長度除以20 m，將所得數值的整數部分作為分區的數量。例如，某滾裝處所的長度為70 m，最佳分區為3×23 m，系統的最小容量應滿足最大2個分區，即2×23 m；若滾裝處所的長度為84 m，則分區相應調整為4×21 m，最大2分區為2×21 m。通過比較可發現，滾裝處所的水霧系統容量與滾裝區域的長度并無直接關系，而是與分區劃分之后最大2個分區的長度有關。

對于分區劃分過程中的優化措施，除了盡量均分整個滾裝區域的長度以外，還應根據選型噴嘴的覆蓋范圍進行調整，避免相鄰分區的噴嘴的覆蓋范圍過多地重疊。例如，對于長度為70 m的滾裝處所，選用的噴嘴最大間距為2.8 m，若按長度方向23 m、23 m、23 m分區，則各分區的噴嘴數量為9列、9列、9列；若調整分區長度，按22.4 m、22.4 m、25.2 m分區，則各分區的噴嘴數量調整為8列、8列、9列，相比優化前減少了2個噴嘴。

1.2.3 管網設計

車輛艙水霧噴嘴的供水管網應能持續地向每個水霧噴嘴供水。為保證水流能在噴嘴處正常霧化，管網末端噴嘴處的壓力應不低于噴嘴的設計工作壓力。管網可分為總管和支管，其中總管由分區控制閥區(位于滾裝處所外的一個集中區域內)接至各分區，各分區的總管相互獨立。因噴嘴覆蓋全部滾裝處所，水霧系統管網的規模龐大，干管重量約占全船管系重量的30%，占空船重量的1%～2%。因此，水霧管網的布置對船舶的裝載量和穩性有顯著的影響，管網的優化著重于重量控制。

對于總管的設置，共有3種布置方案，其中：1為船中單總管；2為舷側單總管；3為舷側雙總管。

為方便比較各方案的利弊，以某型船的一層滾裝甲板為例進行分析，則3種方案的配置見圖4～圖6。

圖4 方案1管網布置

圖5 方案2管網布置

圖6 方案3管網布置

對于管材重量，3種方案的比較見表1和表2。

表1 管網方案對比(總管)

表2 管網方案對比(支管)

通過比較可發現：在總管的布置上，方案1和方案2比方案3減輕了約15%，這是由于方案3采用了雙總管，在流通面積的利用率上不如單總管；在支管的布置上，由于受到總管布置的影響，方案1比方案2和方案3減輕了約50%。綜合比較這一區域的管網，方案1的重量比方案2減少約420 kg，比方案3減少約870 kg。因此，在管網的設計上，結合特定滾裝區域形狀，應盡量以方案1的布置形式為原則，支管管路短，管徑小，重量輕，水流分布合理，易到達末端。

1.2.4 其他優化措施

在分區劃分和管網設計完成之后，可對系統做進一步的深度優化。首先可考慮從相同外徑的管材中選取壁厚較小的規格，這樣不僅能減小管材的單位長度重量，而且能增加其流通面積，有利于選取較小的管徑。此外，在管網初步設計完成之后的阻力計算中，在保證噴嘴處的壓力能滿足覆蓋范圍需求的條件下，可通過減小管徑增加管內流速，同時平衡消防水泵提供的壓力與管網阻力損失，必要時增加水泵的排出壓力。通過增加管內的水壓達到減小管徑、減輕管網重量的目的。一般以管內實際流速不超過3.5 m/s、水泵壓力不超過1.0 MPa為參考。

1.3 實船優化成果

以某型標準裝車數為800輛的滾裝船為例，原始設計與各優化手段實施之后的重量比較見表3。

表3中序號3所述方案中的理論最小壁厚管材參照中國船級社《鋼制海船入級規范》中對一般用管的最小壁厚要求選取。由于該壁厚管材在實際建造中因難以采購，因此允許選取接近的規格。根據生產設計的三維模型，該系統的最終重量約為17 t，相比原始設計減輕了約17 t。若按裝載的標準車(重約1.25 t)，在裝車空間足夠的前提下，優化該系統之后可多裝載13輛標準車，占裝車數的1.6%，對船舶的裝載能力有顯著的提升作用。

表3 滾裝船水霧系統各方案描述和重量比較

2 結 語

壓力水霧系統作為滾裝船的一個全船性質的系統，在設計上具有很大的優化潛力和收益。在設計時應比較各種方案下的水霧系統，保證選取的噴嘴與分區劃分方案匹配，且最優，避免分區重疊造成系統冗余度過大。同時，應注意優化管網設計，平衡管徑與壓力損失之間的矛盾，減輕系統重量，為船舶提供更大的載重裕度。