大型集装箱船压载舱溢流保护管的分析

霍旭颖

(上海船舶运输科学研究所有限公司，上海 200135)

1 大型集装箱船的特点

集装箱船是指专供载运集装箱的货船。集装箱船的分类有按装卸方式划分的，包括吊装式、滚装式、载驳式；有按专用程度进行划分的，包括全集装箱船、部分集装箱船、可变换集装箱船。本文就压载舱舱外溢流保护系统在吊装式全集装箱船上的运用进行分析研究。

集装箱船的航速高，船身瘦长，货舱方正，货舱舱口宽大。为了尽可能的多装集装箱而把货舱舱容提高到最大，相反集装箱船在运营时对压载水的需求量却很小，远不及其他主力商船。因此集装箱船的压载水舱总容积和压载泵排量都要比其他主力商船的小很多。基于这些原因，集装箱船的压载水舱顶部通常不会顶至主甲板，这样的压载水舱设计一方面可以满足集装箱船的稳性需求，另一方面也为船舶内部通道以及布置留出了宝贵空间。

集装箱船的压载系统为常规压载系统，其目的就是为了使船舶能够适应各种装载状态，保持恰当的稳心高度，获得适当的复原力，同时减小船体过大的剪力和弯矩[1]。大型集装箱船一般采用配有2 台压载泵的环形总管式压载系统。由于港口集装箱桥吊只能垂直吊装，再加上货舱内诸多的吊装导轨的限制，集装箱船在装卸货时要尽可能地保持平浮状态，因此集装箱船要比其他普通商船要多一套横倾调节系统，这也就是集装箱船的压载水系统区别于其他主力商船的重要特征。

2 压载舱的溢流保护的作用

液舱的结构强度必须满足舱柜发生溢流时所承受的压力，对于设有溢流管的舱柜，其结构设计静压力为溢流口距离舱底的高度再加上溢流时水流经过管路形成的背压，对于没有设置溢流管的舱柜则将其空气管视为溢流管来考虑舱柜设计压力。常规船舶的压载舱不专门设置溢流管，其溢流通过空气管来实现，所以压载水舱结构设计静压力需要按照空气管的高度来计算。如图1 所示，大型集装箱船，压载舱的舱顶距离主甲板还有很大距离，如果按照传统的方式将空气管头布置到主甲板上，则压载水舱需要承受更大的压力，如果设置了溢流管，则压载水舱的设计压力就能回归合理。

图1 带溢流保护的集装箱船压载系统可降低压载舱结构设计静压

A.最简单的处理方法就是在每舱的空气管上都开出一个旁通溢流管，以保护每个舱不要超压，如图2 所示。这样需要增加相当数量的管路与阀门，同时也要增加更多的船体开口，不利于船体结构安全。

图2 空气管根部加装溢流管

B.采用空气、溢流总管的形式。如图3 所示，这种形式的原理比较简单，但是需要特别考虑总管破损而带来的破舱稳性的问题。在布置方面，空气、溢流总管通常会贯穿全船，对空间要求很高，如果布置不开，这个形式也就不能采纳。

图3 空气、溢流总管形式

3 压载舱舱外溢流保护系统

常规舱柜的溢流保护管都设置在舱柜的本体上，或者由其空气管来替代。舱外的溢流保护系统的基本原理就是在其注入管路上设置溢流管，当舱内的液面达到溢流高度时，流体开始从溢流管排走，从而实现保护功能。如图4 所示，在压载水舱的注入管路上设置一根溢流保护弯管，弯管的高度超过所有压载舱的舱顶，压载舱打满后压载水就从溢流管流走，不再继续向压载舱打水，确保压载舱的安全。在弯管的顶端设置一根空气管用于破坏弯管顶端的真空，以免压载舱和海水连通而发生虹吸。

图4 集装箱船压载舱舱外溢流保护管

4 带溢流保护的大型集装箱船压载系统详细分析

首先要弄清楚溢流保护的过程。如图5 所示，压载总管的内径为d，根据规范的要求，我们选取溢流保护管的内径为1.25 d，当压载舱内液位很低的时候，溢流保护管没有溢流，此时溢流保护管可以视同一个巨大的压力表，测量着连接管路根部的压力，这时的压力等于压载舱内的水位高度与对应的管路阻力之和；随着舱内的水位升高，溢流保护管内的水位也随之升高；当溢流保护管内的水位超过弯头最高点时，溢流开始，同时进舱的水量就会受到溢流管的分流作用而减小；当舱内水位继续升高时，溢流管的分流作用显著加剧，直至舱内水位达到极值时，所有的水全部通过溢流管流走。在压载水全部通过溢流保护管溢流时，压载舱也可看做一个巨大的压力表，同样测量着接管路根部的压力，其压力大小等同于溢流管的高度与其管路损失之和。压载水进入水舱的流量和溢流保护管溢流水量之间动态运行状态如图6所示。

图5 溢流保护管作用分析

图6 溢流保护管的运行图

经过上述分析可以得出各因素之间的关系式：

Ho-溢流保护管弯管最高处的低点高度(m)；

Hf-管路损失(m)；

Ht-压载舱内水位(m)；

在压载管路中，沿程损失占据了主要部分，为了简化问题，我们可以近似的将管路损失Hf简化为与管路长度程线性关系的函数，于是将上述公式转化为：

K-管路损失长度系数(m/m)，可拿管路损失除以管路长度计算得出。

依据上面的公式可以在图上画出溢流开始线，直观反映船舶在平浮时各个压载舱开始发生溢流的液位，如图5 所示。依据同样的原理，压载舱的最高水位Htmax=Ho+Hof，式中Hof为压载水全部溢流时溢流保护管所造成的背压。同样，对于全溢流时的情况我们也能够画出各舱最高液位线，这根线同时也是压载舱结构的设计静压。

通过图我们可以直观地看出，溢流保护管放在受其保护的压载舱中段时效果最佳，这时溢流开始发生时的舱内液位最高，水泵得到了最好的利用；在同样的保护效果下，溢流保护管的高度最低，也就能够进一步优化压载舱的结构设计压力。但是溢流保护管必须安放在压载泵和压载舱之间，所以如果要将溢流保护管安放在压载舱区域的中部，则需要连同压载泵一起移位，同时划分专门的泵舱空间。

1.对压载舱透气的影响

有船级社规定，在舱柜设有溢流管时，且溢流管的横截面积大于注入管横截面积的1.25 倍，此时空气管的内径可以按照空气管的最小要求来执行（水舱50 mm，油舱65 mm）。虽然有规定在此，但是如果采用了压载舱外溢流保护系统，压载舱的空气管的直径是不能够减小的。

首先，压载舱外溢流保护系统并不与压载舱直接相连，而且这个溢流保护管不能起到透气的作用，所以规范不适用于此情形。其次，如果透气管内径只有50 mm，其内的空气流速会高得难以接受，最终会影响压载舱的受力和压载水泵的安全运行；再者，当压载舱被打满的瞬间，溢流管的溢流作用还没有完全形成，此时仍有大量的水流进压载舱，这样会形成水击，可能会对系统的相关环节造成损坏。因此，压载舱外的溢流保护系统不能减免压载舱空气管的相关要求。

2.在纵横倾条件下的分析

纵横倾条件下这个系统的保护机制与平浮条件下相同，只是保护的边界会随着纵横倾的调整而调整，如图7 所示，在原先图5 的各个边界上附加纵倾的倾角就是纵倾条件下的保护边界。横倾条件下的变化和纵倾条件下的类同，将溢流保护管处因横倾而产生的水位差叠加到对应的压载舱就行了。

图7 纵倾条件下溢流保护管作用分析

为了减小横倾对溢流保护管功能的影响，此处建议针对左右压载舱设置各自的溢流保护管，且溢流保护管贴近压载舱布置，这样横倾的影响可以基本消除。

溢流保护管的高度和位置是相当重要的，它直接决定了压载舱的设计压力，还决定了压载舱溢流的时机。现行的规范都是要求以平浮条件来计算液舱的设计静压力，所以最大纵倾并不改变压载水舱的设计静压。另一方面，由于在使用压载水的过程中船舶的纵倾会随着压载水舱内水位高度的变化而变化，所以溢流保护管的保护边界也随着纵倾的变化而变化，这就使得最大纵倾状态下的保护边界失去实际意义。

3.压载水处理系统影响分析

压载水处理系统的种类繁多，原理也各不相同，为了把压载水处理系统对溢流保护系统的影响分析清楚，可以将压载水处理系统分为两类，第一类不影响现有的压载水管路阻力，例如向压载管内注入臭氧的处理系统、惰化压载舱的处理系统；另一类则增加了压载水管路的阻力，例如滤器+紫外线、滤器+电催化，等等。

对于第一类压载水处理系统，其分析过程和不装压载水处理装置的分析过程一致，只是要注意注入口以及流量传感器最好在溢流保护管的下游，这样不会使得经过处理的压载水溢流时破坏当地的环境，也能一定程度上降低能耗。

对于第二类的压载水处理装置需要专门进行方案对比分析。如图8 所示，压载管系中添加了压载水处理装置会导致压载舱注入管的管路总损失增加，反过来会迫使溢流管高度增加，这样会提高结构设计静压。如果此时设置溢流保护管达不到降低结构设计静压的目的，那就不必再设置溢流保护管了。如果处理完的压载水排回至当地不会导致当地环境破坏，例如紫外线形式的，我们可以将压载水处理装置安放在溢流保护管的上游，这样溢流保护管仍旧可以按照图5 的状态来分析，所以在方案选择的时候需要同时考虑压载水处理装置的性质、溢流保护管的高度以及压载舱结构设计静压同时考虑在内，找出最优方案。

图8 压载水处理装置的影响分析

5 总结

通过本文的分析可以发现，压载舱舱外溢流保护系统对原集装箱船压载系统的改动很小，增加成本微乎其微，而且不需要透气总管，降低了空间布置要求。溢流效果稳定可靠，降低压载舱设计静压的效果立竿见影。因此值得推广。

压载水处理系统对压载舱舱外溢流保护系统的影响还是很大的，甚至会决定该系统运用的成败。在实际项目中应考虑处理装置对管路阻力的不良影响，以及处理装置和溢流系统的上下游关系，选择最适合的组合方案。