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比30万吨巨轮的压载水还多,大型半潜船的压载水系统要如何设计?

字号+作者:admin 来源:真气泵 2021年11月20日

对于大多数船舶来说,压载水系统是保证船舶空载(轻载)时的吃水和横纵倾,确保船舶航行安全的重要系统。但是对于半潜船来说,压载水系统不光是用来保证其空载(轻载)时的吃...


对于大多数船舶来说,压载水系统是保证船舶空载(轻载)时的吃水和横纵倾,确保船舶航行安全的重要系统。但是对于半潜船来说,压载水系统不光是用来保证其空载(轻载)时的吃水和横纵倾,更是能让其甲板潜入水中装卸货物的核心。然而,想要让甲板潜入水下,意味着需要大量的压载水。一般来说半潜船的总压载水量大约是其最大载重量的两倍,例如5万载重量的半潜船,总压载水量接近10万吨,10万载重量的半潜船,总压载水量接近20万吨。传统的30万吨级超大型油船(VLCC)的压载水量在10万吨左右,这意味着5万吨级以上的半潜船,压载水量就将超过30万吨的巨轮。

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将甲板潜入水中装卸货物,称之为浮装/浮卸作业,是半潜船的最大特点。该作业是通过调整压载水舱的进、排水来实现的。在浮装作业时,通过向半潜船压载水舱压入一定量的压载水,让整个装货甲板潜入水下,只剩下艏楼建筑和艉部浮箱(有时会移除艉部浮箱)的顶部还位于半潜水线以上,接着再将待运的货物拖曳到已潜入水下的装货甲板上方,定位后再排出压载水舱的压载水,使船体连同承载货物一起浮出水面。浮卸作业则是当半潜船运输货物到达浮卸作业区域时的卸货作业,一般为浮装作业的逆过程。由于浮装/浮卸等区别于传统运输船舶的作业方式存在,所以与传统的运输船舶相比,半潜的船压载水系统更为复杂,设计也更难。

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常见的压载水压排载方式,及其优缺点
本质上压载水系统功能的实现,是靠向压载水舱注水或将压载水舱的压载水排出来实现的,因此,探讨半潜船压载水系统的设计,首先要探讨压载水系统的压排载方式。常见的压载水压排载方式有以下几种:
水泵压排载
水泵压排载就是压载水系统采用压载水泵来进行压载水的压载或排载,是现在普通船舶最常用的方式。它的原理是:压载时,压载水泵从海水总管吸水,通过压载管路把海水注入压载水舱内,实现压载水舱进水;排载时,则由压载水泵从压载水舱吸水,再通过排舷外管路把压载水排出舷外;必要时,还可以由压载水泵从一个压载水舱吸水,再通过管路排到另一个压载舱实现调拨。
采用水泵压排载系统的优点是:系统可靠性高,建造成本低,调载性能好;缺点是:管路尺寸较大,且必须设置大口径的透气管路。

采用泵压排载的压载水系统原理。图片来源:《50000DWT半潜船压载系统设计》
重力压排载
重力压排载就是压载水系统依靠水自身的重力作用来实现压载水的压载或排载。它的原理是:利用液位差,让海水在自身重力的作用下流进压载水舱内或从压载水舱自流出舷外;再或者实现压载水从一个高位压载舱自流至另一个低位压载舱内。
采用重力压排载系统的优点是:由于利用了重力作用,所以耗能少,总装机功率要求低,且结构简单;缺点是:受压载水舱和吃水线相对位置限制,当出现水位不符合要求时,无法完成压排载作业,以及进水、排水速度难以精确控制。

顶边压载舱在水线以上,所以可以采用重力排载
压缩空气压排载
压缩空气压排载就是压载水系统利用压缩空气来进行压载水的压载或排载。它的原理是:压载时,关闭压缩空气管上的充气阀(注入阀),并打开空气阀(透气阀)和通海阀,让海水在重力的作用下自流进压载水舱,或在必要时利用空压机在压载水舱内产生负压,加速水流进入加快下潜速度;排载时,打开压载舱的通海阀,启动排载空压机,并打开压缩空气管上的充气阀,将压缩空气注入压载舱内,利用压缩空气把压载水从压载水舱经通海管路压出。
采用压缩空气压排载系统的优点是:压载系统管路短,尺寸小,压排载速度快,受空气管限制小;缺点是:系统造价较高,最大排载压力受空压机设备限制,以及当压载水舱处于吃水线以上时无法实现压载水舱进水。

半潜船压缩空气压排载原理示意。图片来源:《大型半潜船压载水处理系统解决方案》
大型半潜船压载水系统的一些设计要求
半潜船压载水系统的设计首先要解读设计任务要求,不过本文并无实质性的设计目标,因此仅选用一些通用性的要求来讲解。
为了尽可能的抓住窗口期,确保半潜船能在良好的气候条件下安全完成浮装/浮卸作业,以及尽可能高效的装卸货物,对半潜船的下潜或上浮时间有一定的要求,一般要求在4~6小时内完成从航行吃水下潜至半潜吃水,或半潜吃水上浮至航行吃水(大型半潜船取上限)。而大型半潜船本身压载水量就巨大,且时间要求短(比一般大型货轮短),压载水系统的瞬时流量会非常大,这就要求大型半潜船的压载水系统有极高的压排载速度。

“新光华”号半潜船运输浮船坞
此外,半潜船的港口码头滑装、滚装,以及浮托安装等作业任务,也对压载水系统有一定的要求。滑装、滚装作业要求半潜船具备甲板和码头的滑道顶面保持水平的能力,以及应对滑装、滚装货物的重量移动对船舶浮态影响的能力。浮托安装作业时,要求半潜船能拥有调整吃水差的能力,从而将甲板上的平台组块的支撑结构与预设在海上的平台基座对接安装。总之,这一系列作业任务,都要求大型半潜船的压载水系统具备精准快速的调节控制能力。而精准快速的调节控制能力对于半潜船的上浮下潜也是至关重要的的,因为甲板没入水中后,船舶的储备浮力变得非常小,较大的浮态差异将会造成严重的后果。

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大型半潜船压载水系统的一些设计思路及实例
从原理来看,重力压排载的方式最为节能高效,理应是首选。但是受压载水舱和吃水线相对位置限制,以及进水、排水速度难以精确控制等问题,重力压排载的选用会有很大的限制,水线以上的压载水舱无法采用,参与调载的压载水舱不宜采用。水泵压排载虽然不受压载水舱和吃水线相对位置限制,且调载性能好,但是管路尺寸较大,且必须设置大口径的透气管路,这些问题在大型半潜船上尤为突出,将会给管路布置带来很大的困难,因此,水泵压排载适合应用于水线以上的压载水舱和需要参与调载的水舱。压缩空气压排载虽然也受压载水舱和吃水线相对位置限制,但是其压载系统管路短,尺寸小,压排载速度快,受空气管限制小,所以非常适合应用在主船体内的压载水舱。

半潜船的空气压载系统。图片来源:《50000DWT半潜船压载系统设计》
从上述思路来看,单一的压排载方式难以满足大型半潜船的压载水系统的设计要求。为此,现在的大型半潜船普遍采用压缩空气和压载水泵组合压排载,这样既兼顾高效压排载,又能实现精准快速的调节控制能力,还能避免管路布置上的一些问题和困难。例如我国最大最先进的半潜船“新光华”号,就采用压缩空气和压载水泵组合压排载。该船全船117个压载舱,主船体的105个压载舱采用压缩空气排载,选用4台8500m3/的排载空压机;剩余压载舱则选用2台1500m3/船艏压载泵和2台550m3/的船艉压载舱。

“新光华”号半潜船
参考文献:《半潜船工程设计》《大型半潜船压载水系统设计》《50000DWT半潜船压载系统设计》《钢制海船入级规范》《船舶设计实用手册》《大型半潜船压载水处理系统解决方案》
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作者:小船人的梦想2020年4月11号

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