大型集裝箱船壓載艙溢流保護管的分析

霍旭穎

(上海船舶運輸科學研究所有限公司，上海 200135)

1 大型集裝箱船的特點

集裝箱船是指專供載運集裝箱的貨船。集裝箱船的分類有按裝卸方式劃分的，包括吊裝式、滾裝式、載駁式；有按專用程度進行劃分的，包括全集裝箱船、部分集裝箱船、可變換集裝箱船。本文就壓載艙艙外溢流保護系統在吊裝式全集裝箱船上的運用進行分析研究。

集裝箱船的航速高，船身瘦長，貨艙方正，貨艙艙口寬大。為了盡可能的多裝集裝箱而把貨艙艙容提高到最大，相反集裝箱船在運營時對壓載水的需求量卻很小，遠不及其他主力商船。因此集裝箱船的壓載水艙總容積和壓載泵排量都要比其他主力商船的小很多?；谶@些原因，集裝箱船的壓載水艙頂部通常不會頂至主甲板，這樣的壓載水艙設計一方面可以滿足集裝箱船的穩性需求，另一方面也為船舶內部通道以及布置留出了寶貴空間。

集裝箱船的壓載系統為常規壓載系統，其目的就是為了使船舶能夠適應各種裝載狀態，保持恰當的穩心高度，獲得適當的復原力，同時減小船體過大的剪力和彎矩[1]。大型集裝箱船一般采用配有2 臺壓載泵的環形總管式壓載系統。由于港口集裝箱橋吊只能垂直吊裝，再加上貨艙內諸多的吊裝導軌的限制，集裝箱船在裝卸貨時要盡可能地保持平浮狀態，因此集裝箱船要比其他普通商船要多一套橫傾調節系統，這也就是集裝箱船的壓載水系統區別于其他主力商船的重要特征。

2 壓載艙的溢流保護的作用

液艙的結構強度必須滿足艙柜發生溢流時所承受的壓力，對于設有溢流管的艙柜，其結構設計靜壓力為溢流口距離艙底的高度再加上溢流時水流經過管路形成的背壓，對于沒有設置溢流管的艙柜則將其空氣管視為溢流管來考慮艙柜設計壓力。常規船舶的壓載艙不專門設置溢流管，其溢流通過空氣管來實現，所以壓載水艙結構設計靜壓力需要按照空氣管的高度來計算。如圖1 所示，大型集裝箱船，壓載艙的艙頂距離主甲板還有很大距離，如果按照傳統的方式將空氣管頭布置到主甲板上，則壓載水艙需要承受更大的壓力，如果設置了溢流管，則壓載水艙的設計壓力就能回歸合理。

圖1 帶溢流保護的集裝箱船壓載系統可降低壓載艙結構設計靜壓

A.最簡單的處理方法就是在每艙的空氣管上都開出一個旁通溢流管，以保護每個艙不要超壓，如圖2 所示。這樣需要增加相當數量的管路與閥門，同時也要增加更多的船體開口，不利于船體結構安全。

圖2 空氣管根部加裝溢流管

B.采用空氣、溢流總管的形式。如圖3 所示，這種形式的原理比較簡單，但是需要特別考慮總管破損而帶來的破艙穩性的問題。在布置方面，空氣、溢流總管通常會貫穿全船，對空間要求很高，如果布置不開，這個形式也就不能采納。

圖3 空氣、溢流總管形式

3 壓載艙艙外溢流保護系統

常規艙柜的溢流保護管都設置在艙柜的本體上，或者由其空氣管來替代。艙外的溢流保護系統的基本原理就是在其注入管路上設置溢流管，當艙內的液面達到溢流高度時，流體開始從溢流管排走，從而實現保護功能。如圖4 所示，在壓載水艙的注入管路上設置一根溢流保護彎管，彎管的高度超過所有壓載艙的艙頂，壓載艙打滿后壓載水就從溢流管流走，不再繼續向壓載艙打水，確保壓載艙的安全。在彎管的頂端設置一根空氣管用于破壞彎管頂端的真空，以免壓載艙和海水連通而發生虹吸。

圖4 集裝箱船壓載艙艙外溢流保護管

4 帶溢流保護的大型集裝箱船壓載系統詳細分析

首先要弄清楚溢流保護的過程。如圖5 所示，壓載總管的內徑為d，根據規范的要求，我們選取溢流保護管的內徑為1.25 d，當壓載艙內液位很低的時候，溢流保護管沒有溢流，此時溢流保護管可以視同一個巨大的壓力表，測量著連接管路根部的壓力，這時的壓力等于壓載艙內的水位高度與對應的管路阻力之和；隨著艙內的水位升高，溢流保護管內的水位也隨之升高；當溢流保護管內的水位超過彎頭最高點時，溢流開始，同時進艙的水量就會受到溢流管的分流作用而減小；當艙內水位繼續升高時，溢流管的分流作用顯著加劇，直至艙內水位達到極值時，所有的水全部通過溢流管流走。在壓載水全部通過溢流保護管溢流時，壓載艙也可看做一個巨大的壓力表，同樣測量著接管路根部的壓力，其壓力大小等同于溢流管的高度與其管路損失之和。壓載水進入水艙的流量和溢流保護管溢流水量之間動態運行狀態如圖6所示。

圖5 溢流保護管作用分析

圖6 溢流保護管的運行圖

經過上述分析可以得出各因素之間的關系式：

Ho-溢流保護管彎管最高處的低點高度(m)；

Hf-管路損失(m)；

Ht-壓載艙內水位(m)；

在壓載管路中，沿程損失占據了主要部分，為了簡化問題，我們可以近似的將管路損失Hf簡化為與管路長度程線性關系的函數，于是將上述公式轉化為：

K-管路損失長度系數(m/m)，可拿管路損失除以管路長度計算得出。

依據上面的公式可以在圖上畫出溢流開始線，直觀反映船舶在平浮時各個壓載艙開始發生溢流的液位，如圖5 所示。依據同樣的原理，壓載艙的最高水位Htmax=Ho+Hof，式中Hof為壓載水全部溢流時溢流保護管所造成的背壓。同樣，對于全溢流時的情況我們也能夠畫出各艙最高液位線，這根線同時也是壓載艙結構的設計靜壓。

通過圖我們可以直觀地看出，溢流保護管放在受其保護的壓載艙中段時效果最佳，這時溢流開始發生時的艙內液位最高，水泵得到了最好的利用；在同樣的保護效果下，溢流保護管的高度最低，也就能夠進一步優化壓載艙的結構設計壓力。但是溢流保護管必須安放在壓載泵和壓載艙之間，所以如果要將溢流保護管安放在壓載艙區域的中部，則需要連同壓載泵一起移位，同時劃分專門的泵艙空間。

1.對壓載艙透氣的影響

有船級社規定，在艙柜設有溢流管時，且溢流管的橫截面積大于注入管橫截面積的1.25 倍，此時空氣管的內徑可以按照空氣管的最小要求來執行（水艙50 mm，油艙65 mm）。雖然有規定在此，但是如果采用了壓載艙外溢流保護系統，壓載艙的空氣管的直徑是不能夠減小的。

首先，壓載艙外溢流保護系統并不與壓載艙直接相連，而且這個溢流保護管不能起到透氣的作用，所以規范不適用于此情形。其次，如果透氣管內徑只有50 mm，其內的空氣流速會高得難以接受，最終會影響壓載艙的受力和壓載水泵的安全運行；再者，當壓載艙被打滿的瞬間，溢流管的溢流作用還沒有完全形成，此時仍有大量的水流進壓載艙，這樣會形成水擊，可能會對系統的相關環節造成損壞。因此，壓載艙外的溢流保護系統不能減免壓載艙空氣管的相關要求。

2.在縱橫傾條件下的分析

縱橫傾條件下這個系統的保護機制與平浮條件下相同，只是保護的邊界會隨著縱橫傾的調整而調整，如圖7 所示，在原先圖5 的各個邊界上附加縱傾的傾角就是縱傾條件下的保護邊界。橫傾條件下的變化和縱傾條件下的類同，將溢流保護管處因橫傾而產生的水位差疊加到對應的壓載艙就行了。

圖7 縱傾條件下溢流保護管作用分析

為了減小橫傾對溢流保護管功能的影響，此處建議針對左右壓載艙設置各自的溢流保護管，且溢流保護管貼近壓載艙布置，這樣橫傾的影響可以基本消除。

溢流保護管的高度和位置是相當重要的，它直接決定了壓載艙的設計壓力，還決定了壓載艙溢流的時機。現行的規范都是要求以平浮條件來計算液艙的設計靜壓力，所以最大縱傾并不改變壓載水艙的設計靜壓。另一方面，由于在使用壓載水的過程中船舶的縱傾會隨著壓載水艙內水位高度的變化而變化，所以溢流保護管的保護邊界也隨著縱傾的變化而變化，這就使得最大縱傾狀態下的保護邊界失去實際意義。

3.壓載水處理系統影響分析

壓載水處理系統的種類繁多，原理也各不相同，為了把壓載水處理系統對溢流保護系統的影響分析清楚，可以將壓載水處理系統分為兩類，第一類不影響現有的壓載水管路阻力，例如向壓載管內注入臭氧的處理系統、惰化壓載艙的處理系統；另一類則增加了壓載水管路的阻力，例如濾器+紫外線、濾器+電催化，等等。

對于第一類壓載水處理系統，其分析過程和不裝壓載水處理裝置的分析過程一致，只是要注意注入口以及流量傳感器最好在溢流保護管的下游，這樣不會使得經過處理的壓載水溢流時破壞當地的環境，也能一定程度上降低能耗。

對于第二類的壓載水處理裝置需要專門進行方案對比分析。如圖8 所示，壓載管系中添加了壓載水處理裝置會導致壓載艙注入管的管路總損失增加，反過來會迫使溢流管高度增加，這樣會提高結構設計靜壓。如果此時設置溢流保護管達不到降低結構設計靜壓的目的，那就不必再設置溢流保護管了。如果處理完的壓載水排回至當地不會導致當地環境破壞，例如紫外線形式的，我們可以將壓載水處理裝置安放在溢流保護管的上游，這樣溢流保護管仍舊可以按照圖5 的狀態來分析，所以在方案選擇的時候需要同時考慮壓載水處理裝置的性質、溢流保護管的高度以及壓載艙結構設計靜壓同時考慮在內，找出最優方案。

圖8 壓載水處理裝置的影響分析

5 總結

通過本文的分析可以發現，壓載艙艙外溢流保護系統對原集裝箱船壓載系統的改動很小，增加成本微乎其微，而且不需要透氣總管，降低了空間布置要求。溢流效果穩定可靠，降低壓載艙設計靜壓的效果立竿見影。因此值得推廣。

壓載水處理系統對壓載艙艙外溢流保護系統的影響還是很大的，甚至會決定該系統運用的成敗。在實際項目中應考慮處理裝置對管路阻力的不良影響，以及處理裝置和溢流系統的上下游關系，選擇最適合的組合方案。