兩型敞口多用途船貨艙噴淋系統及艙底系統設計方案比較

高晶,徐麟,王翊

(上海船舶研究設計院,上海 200032)

隨著貨物的重型化和大型化,船東的需求逐漸轉向可載運超長超高尺寸貨品的多用途船。敞口多用途船可采用兩種模式航行:貨艙無艙口蓋模式航行和貨艙帶艙口蓋模式航行。在無艙口蓋模式下,載貨范圍在高度方向上可進一步擴展,用于裝載風力發電機、重型機械、海底電纜卷車等超高貨件,同時其裝卸貨時不需要調離艙蓋,可減少碼頭裝卸貨的時間,增強載貨的適應性和便利性[1]。SOLAS要求1 000總t以上貨船的貨艙應設有固定式氣體滅火系統或者固定式泡沫滅火系統,常規貨艙一般采用CO2氣體滅火。當貨艙處于敞口狀態時,釋放的氣體從貨艙頂部開敞口逃逸,艙內積聚的氣體無法達到滅火所需的濃度,因此常規的氣體滅火方式并不適用。當貨艙部分或完全開敞時,由于雨水或者上浪帶來的大量海水如不及時排出會在艙內形成自由液面嚴重影響船舶穩性。常規的艙底水系統是針對封閉貨艙,無法滿足敞口貨艙的排水需求。目前業界對敞口多用途船消防和艙底系統的設計方案還在探索中。IACS提出的《敞口集裝箱船臨時導則》中只給出了針對敞口集裝箱船的要求,未給出針對敞口多用途船的要求。各大船級社對于敞口多用途船的消防和艙底系統的要求有差異,敞口多用途船消防和艙底系統的設計尚未形成成熟的設計方案。以13 000 DWT重吊多用途船和13 500 DWT重吊多用途船兩型船的消防和艙底水系統為例,提出兩種設計方案,進行對比分析。

1 敞口貨艙噴淋的設計

1.1 敞口貨艙噴淋的規范要求

SOLARS II-2/第10條7.1.3要求,除滾裝處所和車輛處所外,1 000總噸及以上貨船上的貨物處所應由符合《消防安全系統規則》規定的固定式CO2滅火系統或固定式惰性氣體滅火系統加以保護,或由能提供等效保護的滅火系統給予保護[2]。

IMO在Circular.608《敞口集裝箱船的臨時指南》中指出:如敞口貨艙裝載可燃貨品時,應設置噴淋系統作為氣體滅火系統的等效替代[3]。GL船級社要求多用途船的敞口貨艙噴淋系統應能從甲板平面下將水霧噴入貨艙,該水霧應視為消防措施的一種,至少應有1臺專用水泵用于貨艙噴淋系統,噴淋范圍應覆蓋整個貨艙水平面,噴淋密度應不小于5 L/(min·m2)。當專用水泵不能工作時,為在該敞口貨艙內保持適當的噴霧型式,可連通另一替換水源來完成,替代水源的供水量應至少達到所需噴淋總量的50%。DNV船級社要求,敞口貨艙應設置固定式水炮進行噴淋滅火。至少設有2臺水炮,1臺布置在貨艙前,1臺布置在貨艙后。每臺水炮的水量應按表1選取。敞口貨艙的每一區域應至少能被1臺水炮的水柱覆蓋。水炮的保護范圍不應超過水炮最大射程的75%。

表1 水炮噴淋水量要求

1.2 13 000 DWT重吊多用途船敞口貨艙噴淋系統的設計

上海船舶研究設計院為INTERMARINE&PD設計的13 000 DWT重吊多用途船是國內設計建造的首型敞口多用途船,其申請了GL的Hatchcoverless敞口附加符號。該船設有兩個貨艙,1號貨艙長7.5 m、寬20 m,容積為約1 539 m3;2號貨艙長105.45 m、寬20 m,容積為約25 128 m3,2號貨艙可在船舶航行中采用敞口模式。

1.2.1 噴淋水量計算和噴淋水泵配置

按照IMO Resolution A. 123(V)《對于特殊貨物處所的固定式水消防系統的建議》,噴淋覆蓋區可劃分為多個與貨艙等寬的保護區域,每個區域不少于20 m,噴淋系統滿足兩個相鄰保護區同時釋放的需求[3].將2號貨艙劃分為5個與貨艙等寬、長度不小于20 m的區域。每個噴淋保護區的供水由獨立的截止閥控制,控制閥布置在貨艙旁的空艙內。噴淋泵的排量滿足兩個最大且相鄰保護區域同時噴淋的水量要求。分區長度分別為:①20.3 m;②21.7 m;③20.8 m;④22.1 m;⑤20.6 m,寬度均為20 m。可見②和③區合并面積最大,噴淋水量計算見表2。

表2 2號貨艙敞口噴淋水量計算

計算值為覆蓋保護區域所需最小理論水量,考慮到噴頭的覆蓋區域會存在一定的重疊,噴淋泵選型時應在計算值的基礎上增加10%～15%的余量。噴淋泵的最終排量需按照實際安裝的噴頭總數和單個噴頭的水量核算。船上設有3臺水泵可提供噴淋水,船艏設有1臺滿足100%噴淋水量的噴淋水泵。機艙內2臺消防艙底總用泵也接入噴淋管路,當獨立的噴淋泵失效時,2臺消防泵的可提供50%的噴淋水量。

1.2.2 噴淋系統噴頭的選型和布置

噴淋系統的噴頭安裝在艙口圍處,由左右兩側向船中噴射,一側噴頭的最大射程可覆蓋船中。噴淋水柱受出口壓力和重力的影響,呈拋物線軌跡落在甲板面上。只采用一種類型的噴頭是無法滿足射程到達船中且同時覆蓋貨艙縱艙壁近處區域.因此噴淋系統的噴頭采用了兩種形式:型號22EAX1FF-35為長程噴頭,覆蓋沿貨艙縱艙壁向外2.4～8.6 m的范圍;型號22EAX1/2HH-40W為短程噴頭,覆蓋沿貨艙縱艙壁至4.3 m的范圍,見圖1。兩種噴頭需為FULL CONE形式,確保噴淋水柱抵達的區域無盲區。

圖1 噴頭覆蓋范圍

噴頭在沿艙口圍在船長方向上均布,確保水柱覆蓋整個貨艙水平面。確定噴頭安裝高度時需避開艙口圍結構的頂部和根部等應力加強區,同時考慮噴頭出口角度為向上30°和向下30°情況下的噴射軌跡。為避免被貨物損傷,噴頭最頂部不能凸出艙口圍。艙口圍局部彎曲形成凹槽以布置噴頭見圖2,注意凹槽的范圍應適當大于噴頭的安裝空間,防止構件阻擋噴淋水柱。

圖2 艙口圍凹槽內噴頭布置示意

1.2.3 噴淋管路的布置

沿船長方向設置2根噴淋總管,分別布置在左舷上甲板面和右舷的空艙內。噴淋總管通過截止閥分別與布置在艙口圍頂部區域的5段噴淋支管連接。每段噴淋支管上設置Y形出口,兩端設有長程噴頭和短程噴頭,以完全覆蓋貨艙的左半部分水平面,右舷噴淋水管布置和左舷類似。

1.3 13 500 DWT重吊多用途船噴淋系統的設計

13 500 DWT重吊多用途船申請了DNV的敞口附加符號Hatchcoverless。該船設有2個貨艙,2號貨艙可在船舶航行中采用敞口模式.按照DNV規范要求,2號貨艙設有固定式水炮噴淋系統。2號貨艙長105.45 m, 對照規范表格,每臺水炮噴淋量為360 m3/h。考慮到水炮如放置在主甲板上,貨物和船體結構容易遮擋水柱,在水炮噴射范圍中形成盲區。將1臺水炮布置在駕駛甲板后端,1臺布置在機艙煙囪頂甲板后側,見圖3。

圖3 水炮布置位置

每臺水炮可在水平面進行0°～360°旋轉,在垂直面進行-30°～70°轉動,以形成不同的拋物線觸及貨艙的所有水平面。在駕駛室和消防控制站對水炮的起動和擺動進行遙控,同時也可就地進行操作。基于SOLRAS對消防系統的要求都是基于全船同時只存在1個失火點,因此貨艙的著火點只需1臺水炮水柱覆蓋,該船只設1臺水炮泵,排量滿足單臺水炮噴淋量。水炮泵從海水箱吸水通過噴淋水管供給2臺噴淋水炮。

1.4 兩種敞口貨艙噴淋系統設計方案比較

目前BV、LR、CCS、ABS等各大船級社對敞口多用途船的貨艙噴淋系統大多和GL類似,即沿用了Circular.608《敞口集裝箱船的臨時指南》中對敞口集裝箱船的要求,在艙口圍左右兩側設置側向噴淋系統。

1)側向噴淋系統雖可通過調節噴頭的向上仰角覆蓋貨物的頂部區域,但噴頭安裝位置上沿受限于艙口圍高度,對于超高貨件頂端的起火點的覆蓋存在盲區。噴淋水炮的布置位置可遠遠高于艙口圍,更容易覆蓋超高貨件的頂端區域。

2)假定寬度為20 m的貨艙,取不同的長度貨艙進行噴淋水量測算,見表3。

表3 噴淋水量測算

注1:當單個貨艙長度超過40 m時,可將其劃分為多個噴淋保護區,最大噴淋水量只需覆蓋不超過40 m長的保護區,因此噴淋水需求量不隨貨艙長度增加。

由表3可見,對于長度小于120 m的貨艙水炮噴淋形式所需噴淋水量更小。由于采用水炮的噴淋系統所需噴淋量只和貨艙長度有關和貨艙寬度無關,當貨艙寬度取更大值后,水炮噴淋水量需求更小的優勢會更明顯。貨艙寬度取為15 m進行測算,水炮形式的噴淋水量仍更小。因此對于貨艙長度小于120 m的敞口多用途船,采用水炮的噴淋系統對噴淋水量的需求更小。

3)側向噴淋系統將貨艙劃分為多個保護區域,每個分區閥需就地操作,在火勢蔓延時具有一定的危險。噴淋水炮的擺動和啟停可通過遠程遙控操作,更為便利和安全。

水炮噴淋系統和側向噴淋系統比較,具有覆蓋范圍更高、噴淋水需求量較小、操作安全便利的特點。

2 敞口多用途船艙底水系統的設計

敞口船貨艙不設艙口蓋,需要考慮3種貨艙進水情況:上浪進水,雨水進水,水霧和甲板消防水進水。敞口船貨艙的進水量明顯要比常規船大,因此需要配置相應的貨艙艙底排水系統保證船舶的航運安全[4]。

2.1 13 000 DWT重吊多用途船

GL對敞口多用途船的艙底水系統設計要求沿用了Circular.608《敞口集裝箱船的臨時指南》,敞口狀態下艙底排水系統應具有足夠的排水能力,使之能排放下述1)～5)中較大者。

1)由綜合模型試驗確定的海上航行狀態下最大的每小時貨艙上浪量。

2)每小時100 mm的降雨量(不考慮所設置的防雨棚)。

3)模型在橫浪無動力狀態下耐波性試驗所測得的貨艙每小時上浪量乘以安全系數2。

4)最大敞口貨艙內消防所需水量的4/3。

5)相當于封閉貨艙所需要的排量。

應至少有3臺艙底泵可用于排放貨艙艙底水[5]。因此艙底泵的排量需分別計算以上5種情況,取最大值。其中:1)、3)需根據水池試驗結果,分別為77 m3/h和141.4 m3/h。2)、5)可通過計算得210.9 m3/h和129.7 m3/h。4)中的消防所需水量需考慮貨艙的最大噴淋水量和4只消防栓噴射水量,可得445 m3/h(還需考慮IMDG CLASS1類爆炸品的噴淋,實取艙底泵大于此值)。

設1臺獨立電動泵作為敞口艙底泵,由主電源和應急電源供電,布置在首部設備間內,當主電源失電或者機艙失火時此泵可正常使用。另采用1臺壓載/艙底泵的和1臺艙底總用泵作為敞口狀態下的備用艙底水泵,作為敞口艙底泵失效時的備用。

為了避免開口貨艙進水過多,一般設置單向的排水舷口。其臨界高度應從滿足貨艙進水后的穩性殘余衡準的要求來確定。根據排水舷口有效性實驗,確定直徑600 mm的排水舷口可有效排出上浪進水[6]。考慮到船舶縱傾斜橫傾時的貨艙排水需求和實際安裝空間,在2號貨艙首尾四角區域各分別設置排水舷口,每處采用2根DN450的鋼管聯通貨艙和外板,管路設置蝶閥和止回閥用于控制管路開閉和防止舷外海水進入貨艙,見圖4。

圖4 排水舷口的設置

2.2 13 500 DWT重吊多用途船

DNV對敞口多用途船的敞口狀態下艙底泵排量和配置的要求與GL一致,不再贅述。不同之處在于,其要求艙底水管路應設計為環形總管,并連接3臺艙底泵。同時假定貨艙進水高度為雙層底以上2 m,除非是極淺吃水船,否則滿載水線以上設置排水舷口意義不大[7]。

該船的艙底系統設計分為敞口和非敞口兩種狀態進行考慮。貨艙封閉狀態下,管弄中設有1根艙底水總管,設支管引至貨艙污水井,由機艙內的艙底總用泵排出貨艙艙底水。貨艙開敞狀態下,管弄內的左、右舷壓載總管兼做艙底水總管。管路在管弄首部和機艙前端壁處聯通,形成環形總管。總管上分別設置艙底水支管引至貨艙污水井。機艙區域外設有1臺應急艙底泵滿足100%艙底水排量,機艙內的兩臺壓載泵兼做備用艙底泵,見圖5。

圖5 敞口貨艙艙底水系統

2.3 貨艙艙底水總管的設置

兩型船的艙底水系統在排水泵的配置上類似,區別主要在艙底水總管的設置。《敞口集裝箱船的臨時指南》要求包括管系在內的艙底排水系統應有足夠的裕量,使系統在任一系統部件出現故障時仍能完全操作。GL認為每個敞口貨艙內設有多個污水井,每個污水井都設有獨立的艙底水支管至艙底水總管,單根艙底水支管無法工作時,艙底水可通過其他的艙底水支管排出,系統仍有足夠的裕量。DNV規范中明確規定,從系統的冗余性考慮,敞口多用途船的貨艙艙底水總管應為環形管路。

13 000 DWT重吊多用途的艙底水總管與常規貨船類似,在管弄區域設有一根總管,通過艙底水支管引至每個貨艙污水井,管徑按艙底泵組最大排出能力核算。13 500 DWT重吊多用途船的艙底水總管采用了環形總管設計。如設置2根艙底水總管在管弄首尾聯通形成環形管路,會占用更大的管弄空間,也增加管路重量。該項目采用壓載環形總管兼做敞口狀態下的艙底水總管的設計方案,避免了增設管路。根據《壓載水公約》要求,船舶攜帶的壓載水需經過處理后才允許排放。壓載總管兼做艙底總管后,需對壓載系統排放水的性質進行甄別。通過監測連接至壓載總管上的艙底水支管和壓載艙支管上遙控閥的開閉信號,判斷管路中輸送的是否為艙底水。當壓載總管輸送艙底水時,可通過壓載水處理裝置旁通的管路排舷外。反之,則需進入壓載水處理裝置處理后排出。

3 結論

1)敞口多用途船噴淋的噴淋系統可視為貨艙固定式CO2滅火系統的有效替代,噴淋水要覆蓋敞口貨艙水平表面,可采用艙口圍側向噴淋和固定式水炮噴淋兩種形式。

2)當敞口貨艙長度小于120 m時,采用水炮的噴淋系統對噴淋水量的需求更小。

3)水炮噴淋系統可覆蓋貨艙頂部更高范圍,水炮可遙控操作,管路的布置更為簡單,較側向噴淋系統而言更具優勢

4)貨艙排水舷口設置與否要根據殘余穩性計算的考量而定。

5)可采用壓載總管兼做的方式滿足環形艙底水總管的要求。為避免違反壓載水公約要求,需對艙底水和壓載水管路遙控閥的開閉信息進行記錄和比對。

6)IMO尚未通過任何關于敞口多用途船設計的指導規則,噴淋系統和艙底系統的設計方案在滿足船級社要求的前提下,還需要得到掛旗國的認可。