邮轮燃油舱结构试验压头选取方法及应用

张志佳,张卫

(招商局邮轮制造有限公司,江苏 南通 226100)

根据现行SOLAS公约的相关要求，邮轮的燃油舱及相应的溢流舱的透气管通常需要布置到烟囱的高度位置。按照相关船级社规范的舱室结构试验压头的选取要求，试验压头通常要取到透气管高度。按此方法，油舱的试验压头很容易超过舱室的结构设计压头，一方面会给船厂模拟如此高的水压头带来困难，另一方面也很容易导致试验舱室结构产生塑性变形。为此，结合极地探险邮轮项目中邮轮燃油舱及溢流舱的溢流和透气系统布置，以油舱的结构设计压头为参照值，分析试验压头与设计压头的关联及燃油透气及溢流系统的设计，计算出油舱的实际最高溢流高度，以此确定结构试验压头的高度。

1 结构试验与密性试验的区别

舱室密性试验的目的是检查船舶在建造时的密性。这里的密性可以指水密、风雨密、或者气密。而结构试验侧重于验证舱室结构强度。两者的区别还体现在以几下方面。

1)试验对象不同。结构试验的对象是供装载液体并形成船舶分舱部分的舱柜[1]，可以简单理解为液舱或独立舱柜；舱室密性试验适用于蒸汽压力小于70 kPa的重力液舱和其他水密和风雨密结构[2]。原则上除了全自动焊连接处之外，所有液舱周界焊缝、穿越孔焊缝和分段合拢缝都需要进行密性试验。

静水压试验(压水试验)只是一种试验方式，无论是结构试验还是密性试验都可以采用静水压试验的方式，但不能说静水压试验等同于结构试验。静水压气动试验也是如此。

2)试验方式不同。结构试验的方式有静水压试验和静水压气动试验；密性试验的常见方式有压水试验，充气试验，淋水试验，涂煤油试验，抽真空试验等。

静水压试验可以同时检验舱室强度和密性，从合理性来看，对于一个同时需要进行密性试验和结构试验的舱室，仅进行一次静水压试验是满足要求的；但前提是，接缝需满足船级社的涂层顺序要求。比如，CCS要求，除自动焊的对接焊缝外，所有其他接缝，最终涂层应在渗漏试验(密性试验)完成之后进行施涂[3]。在此之前，部分船级社如CCS允许在焊缝上涂车间底漆。

2 舱室设计压头估算

2.1 设计压头与试验压头的关联

压头原指液体的液面顶部距离测量点的相对高度差。而舱室结构试验中所使用的计算压头高度通常是指试验水或油液面距离基线的绝对高度，要注意区别开来。压力指的是在相应压头下，液体所产生的实际压力值。液体压力p=ρgh，h为压头。在其他条件相同的情况下，同种液体的压力大小由压头决定。因此，通过比较压头，就可以快速比较液体产生的压力。

每个液舱在基本设计阶段会确定相应的舱室设计压力，假如试验压力超出设计压力过多，那么舱室结构可能会有严重塑性变形甚至结构破坏的危险。将试验油舱的试验压头和设计压头进行比较，即可快速判断试验压头高度是否合理。

2.2 燃油舱设计压头的估算方法

油舱的内部压力，通常有液化气体的蒸汽压力、静态液体压力及液体惯性压力，对于破舱水线以下的油舱还要考虑破舱水压力。

对于静水压力的计算，综合来看，船级社规范普遍采用的舱室最顶端的高度值加上压力释放阀的设定值或空气管头高度，取两者中的大值，作为计算静水压力的压头高度。如CCS,LR,DNV-GL等。在BV规范[4]中(NR467, Pt B, Ch 5, Sec 6)，则采用的舱顶高度或空气管头高度的一半，两者中的大值。

关于“透气管高度的一半”这一概念，CCS和LR计算深液(液舱)的平面舱壁板厚时，使用了“由舱壁板列下缘量至深舱顶的垂直距离，或量至溢流管顶垂直距离的一半，取较大者”，这一表述。应当认为这是CCS和LR的规范计算中用于计算舱室压力或结构板厚的一种压头高度的取值方法，不应理解为该舱室的实际压头高度或设计压头高度。

其他压力，诸如水惯性力计算涉及到舱室的具体尺寸，横摇和纵摇的加速度，破舱水压力涉及到最终平衡水线高度等，计算就更加复杂。单从比较设计压头和结构试验压头这一需求出发，将燃油舱透气帽的高度作为舱室的设计压头，从计算结果来看是保守的，但从计算的简便性和结构试验的安全性来讲，是相对合理和经济的。

对于透气帽的最小高度值，CCS、LR[5]、BV、DNV GL[6]的要求是一致的，即：干舷甲板以上760 mm；上层建筑甲板以上450 mm。

对于上层建筑甲板，CCS钢规的定义为“上层建筑甲板可理解为计量规范型深D时所量到的最上层连续甲板”；而BV的定义则是“构成上层建筑上边界的甲板”。相比之下，CCS钢规的定义更接近于实际。

3 结构试验压头的规范要求

各船级社入级规范对燃油舱的结构试验压头的选取方法基本一致，通常取下列值中较大者。

1)溢流管顶部(指液体可到达的最大溢出高度，透气管兼做溢流管时也可以是透气帽高度，不可片面理解为溢流管高度)。

2)油舱顶部以上2.4 m。

3)油舱顶部高度加上压力释放阀的设定压力(如有)。

4)舱壁甲板的高度。

邮轮的一个典型特征是上建甲板以上几乎全部为乘客处所。而按照SOLAS公约要求，为防止油蒸气导致的失火或爆炸危险，任何油柜或燃油舱及燃油溢流舱的空气管和溢流管以及安全阀不得排向船员处所和乘客处所。燃油或溢流舱的透气管不得不通过机舱棚一直延伸至烟囱高度。邮轮的上建和烟囱高度比一般类型的民用船舶高得多，一艘6万t的中型邮轮的烟囱高度就可超过40 m。

在我国首制极地探险邮轮的油舱结构试验的准备过程中发现，如完全按照SOLAS公约的要求布置透气管并按照船级社规范要求选取透气管高度作为结构试验压头高度，会导致部分油舱，尤其是主甲板以下的油舱的试验压头过高，远超设计压头，显然不合理。这也与SOLAS公约中“以相当于其设计压力的水头”这一要求相违背。

实际上，为避免出现燃油舱被注满，甚至溢流舱也被注满，发生燃油溢出的情况，SOLAS公约规定燃油舱柜内应设有确定燃油存量的安全装置，通常为高低油位报警器。为防止超压，包括油泵供油的注入管在内的燃油系统应设有防止超压的装置。ABS和DNV GL要求燃油溢流舱的舱容应满足燃油泵至少10 min额外的供油量[7]。

综上，当油舱的最大溢流高度在舱壁甲板附近时，按船级社规范要求的方法选取的试验压头高度基本上不会超过设计压头高度。而当溢流/透气管高度急剧升高时，如果不考虑邮轮燃油透气系统的布置特点以及燃油系统防溢流措施所发挥的作用，仍然将按照规范的要求选取溢流/透气管高度值作为试验压头，显然不合理。

4 结构试验压头的选取优化

油舱结构试验的实质性目的是模拟舱室承受可能的最高的油液高度压力。因此，当油舱透气管高度过高，远超油舱设计压头高度时，理论结构试验压头高度并不能准确反映舱室实际可能承受的压力。此时，根据油液可到达或溢出的实际高度，比如鹅颈或溢流管高度而不是透气帽高度来确定试验压头，才是更为合理和准确的方法。

试验前，针对燃油舱的结构试验要求，船厂与BV船级社的验船师和审图中心进行了深入探讨，并达成以下共识：当燃油及溢流舱的透气管高度高于舱室设计压头高度时，如果相关舱室已经按照船级社要求，设置了高液位报警器，溢流报警器等防溢流措施，燃油舱及溢流舱在选取结构试验压头时，可以将油液面所能达到的实际最高点，作为试验压头高度，具体应遵循下列要求。

1)如燃油舱没有独立的透气管，但是通过溢流管连到溢流舱，则该舱的结构试验压头，需达到该油舱所连接的溢流舱的透气帽高度。

2)如油舱除溢流管外有还设有独立的透气管，则该舱的试验压头需达到其独立透气管高度或溢流舱透气管高度中两者的较小值。

3) 燃油溢流舱属于燃油溢流系统的组成部分，其特点及重要程度与燃油舱基本一致，也应当视为燃油舱进行结构试验，试验压头需达到该溢流舱的透气帽高度。

实践证明，按照上述要求调整后的燃油舱及溢流舱试验压头高度基本都小于舱室的设计压力值。

5 结构试验压头选取示例

某邮轮燃油舱的透气/溢流系统布置示意于图1，A舱位于双层底内底板上，舱顶高度为4.5 m/A.B.L。设计压头高度估算为上建甲板以上450 mm，即10.42 m/A.B.L。

图1 某油轮燃油舱“A”透气/溢流系统示意

A舱通过高度为7.5 m的溢流管连接到溢流舱。A舱和溢流舱均通过带有鹅颈的溢流管(此处的溢流管兼做透气管)连接到一根透气总管，鹅颈顶部高度为9.7 m/A.B.L，透气总管的透帽高度为12.5 m/A.B.L。由于A舱没有独立的透气管，与溢流舱共用一根溢流管，按规范要求应选择透气总管的透气帽高度作为试验压头高度，明显超出舱室原设计压头高度。因此，需要具体分析溢流及透气系统设计，来确定实际液位的最高值作为试验压头。

由于A舱及溢流舱配置了高液位报警器及溢流报警器，A舱的油液注满后会先触发高液位报警器，然后向上通过鹅颈流入7.5 m/A.B.L溢流管，随之触发溢流报警器，溢出的油液最终会流入溢流舱。综上，A舱的油液可到达的实际高度为鹅颈高度，即9.7 m/A.B.L，小于设计压头。所以取9.7 m/A.B.L作为两舱的结构试验的压头高度比较合理。

6 结论

对于邮轮，在选取燃油舱或溢流舱的结构试验压头时，应当遵循以下要求。

1)船级社规范要求仍是结构试验理论试验压头选取的首要参考标准，任何需要进行结构试验的舱室都先要按照规范要求，初步计算出理论试验压头。

2)必须将按规范算出的理论试验压头高度与舱室设计压头进行对比，以判断其合理性。如果理论试验压头小于设计压头，则使用理论试验压头进行结构试验；如果理论试验压头大于舱室设计压头，则应当具体分析燃油溢流和透气系统，确认相关燃油溢流系统是否配置了船级社要求的防溢流安全报警装置；确认油液实际所能到达的最高的溢流高度，以此为依据，作为最终的结构试验压头高度。

上述结构试验压头选取方法通过在我国首制极地探险邮轮项目的应用证明了其合理性。采用此方法不仅降低了船厂实施结构试验的成本，也保证了相应舱室的结构安全。这对于邮轮的油舱乃至其他类型船舶液舱的结构试验压头的选取都具有参考意义。上述方法在实际应用时，应当与船级社充分交换意见，在此基础上共同推动相关规范的进一步更新和完善。