32000DWT散货船应急消防泵吸入能力核算

王 翊

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

2010年12月举行的第88届海事安全委员会以第1388号通函批准了FSS规则第12.2.2.1.3条关于固定式应急消防泵吸口压头的统一解释。该解释源自国际船级社协会（IACS）的统一解释，为响应1388号通函，根据其建议，IACS通过了统一解释UI SC 178（rev.1），且适用于合同建造日期为2012年1月1日和以后的船舶。目前，该统一解释已得到诸多挂旗国的回复和认可，包括库克群岛、塞浦路斯、希腊、香港等。IACS之所以采用基于建造合同的方案，主要是考虑实施最新版UI会对船舶设计带来较大影响：UI明确规定应考虑应急消防泵能在比原先更浅吃水的状态下工作。在设计过程中，若后期才发现应急消防泵在某工况下不能顺利吸水，那么仅通过增加泵的排量将难以满足要求的，若改变应急消防泵处所位置，对大多数船舶来说又会导致机舱设计的重大更改，所以需要在设计初期就对应急消防泵的吸入能力进行详细核算，从而判断其排量和布置位置是否满足要求的。某型32 000 DWT散货船为单机、单桨、尾机舱型船舶，应急消防泵舱位于船尾，且吸口位置较高，预测在一定工况下可能存在吸水盲区，需要通过校核验证。本文就以该船为例，详细核算其应急消防泵在UI规定的各个工况中能否满足吸入要求，介绍整个校核过程中的计算方法、判定依据及注意事项。

1 统一解释内容介绍

FSS规则［1］第 12.2.2.1.3 条要求：泵的总吸头和净正吸头应考虑公约、泵的排量以及运行中可能遇到的各种横倾、纵倾、横摇、纵摇状态下消防栓的压力，且船舶在进出干船坞时的压载状态不必视为营运工况。根据UISC 178（rev.1）对该要求的统一解释［2］，校核应急消防泵吸口高度及吸入压力时，应考虑船舶最轻载的航行状态，即稳性手册（新造船为初稳性计算书）定义所给出的海水箱和应急消防泵所处位置最浅吃水时的压载工况。当然，在船舶实际营运过程中，还需要考虑船舶纵倾、横倾以及垂荡等状态。通常情况下，上述几种状态都不是单一地发生，应分别考虑船舶结合纵倾时的垂荡状态和结合横倾时的垂荡状态。除外，固定式应急消防泵的吸口在以下两个工况中应完全浸没于水线以下：

1）以船舶平浮状态下螺旋桨2/3浸没时堪划的静水线（对于具有吊离舱或者首侧推的船舶应特别考虑）；

2）船舶处于压载到港状态，此状态经稳性手册批准，船舶无货、备品和燃料有10%剩余量。

此处船舶纵倾、横倾和垂荡不适用于上述任何一个工况，若船舶仅在遮蔽水域营运且具有SOLAS公约证书，则仅满足上述第1条静水浸没要求即可。

在统一解释规定的以上所有工况中，应急消防泵吸口都应完全浸没在水线以下，且在任何情况下，应急消防泵的有效净正吸头，即有效汽蚀余量都应大于其自身的必需汽蚀余量。

最后，应急消防泵安装完成后应进行性能试验，以确认泵的排量达到FSS规则第12.2.2.1.1条的要求。如果应急消防泵为任何固定式灭火系统提供主水源，而该固定式灭火系统为主消防泵所在处所提供保护，则应急消防泵应具有满足该系统的排量。只要实际可行，该试验应在空载航行吃水时进行。

2 应急消防泵吸口浸没计算

2.1 应急消防泵布置概况

该型32 000 DWT散货船的应急消防泵舱紧贴机舱后端壁，应急海水箱靠近冷却水舱，如图1所示。

其主要性能及吸口位置参数如下：

排量Q 72 m3/h

总压头Ht0.75 MPa

泵的必需汽蚀余量NPSHr 1.2 m

泵吸水管内径Di0.118 m

泵吸水管距尾垂线距离Lp7.68 m

泵吸水管距基线高度Hb4.15 m

泵吸水管距中心线距离Ac0.12 m

由于应急消防泵的吸水管管口呈倾斜状，为保证计算结果满足吸水管完全浸没在水线以下的要求，上述定义的吸水管距离以管口处较高一端为准。

2.2 结合纵倾时的垂荡工况

船舶在该航行工况中，会呈一定角度的纵向倾斜并同时伴随着一定振幅的垂荡，从而导致应急消防泵吸水管原本最浅的吃水位置发生改变，有可能会出现其吸水管未完全浸没在水线以下的情况。下面通过计算该工况下应急消防泵吸口的吃水高度，校核其浸没情况是否满足统一解释的要求。影响该工况的物理量如表1所示，中间值可用线性插值法获得。

表1 结合纵倾时的垂荡工况物理量

该船载重线公约定义下的船长为171.513 m，而压载吃水下的首尾垂线间长为171 m，故船长L取较大的载重线公约定义长度。根据表1，运用线性插值计算方法可以得出，纵倾角度φ为2.356°，垂荡振幅H为0.973 m。校核过程须以应急消防泵吸口的最浅吃水水线作为基准。由于该船应急消防泵布置在尾部，根据船舶各个状态的吃水情况，选择压载到港（不载货、仅带10%燃油）时的水线，即最轻载航行状态水线，作为应急消防泵吸口的最浅吃水水线，其首吃水 Df为4.092 m，尾吃水 Da为6.423 m，详见图2：

图2 结合纵倾时的垂荡工况

从图2中可以看出，若仅考虑船舶最轻载航行工况，则应急消防泵吸口吃水为6.319 m，高于此前定义的吸口高度4.15 m。若考虑船舶纵倾及垂荡相结合的状态，则其水线呈三段式分布。这种分布方式表明，当应急消防泵吸水管分别位于船舶0～0.2L、0.2～0.7L，0.7～1L 区域时，吃水情况会有明显的差别。该船应急消防泵的吸水管位置处于0～0.2L区域，在该工况下，吸水管吃水明显下降，图中显示为4.251 m，略高于吸口本身的高度。计算结果表明：该船处于纵倾及垂荡相结合的状态时，其应急消防泵的吸口完全浸没在水线以下，满足统一解释对吸口位置的要求。

2.3 结合横倾时的垂荡工况

船舶在该航行工况中，会呈一定角度的横向倾斜并同时伴随着一定振幅的垂荡，其中横向倾斜角度θ定义为11°或者13°，选择依据是船舶底层结构是否有舭龙骨：若有舭龙骨，根据结构强度分析，其横向倾斜角度应选择较小的角度11°，反之则为13°。由于该船底层结构有舭龙骨，所以θ为11°。若定义最轻载航行工况下应急消防泵吸口吃水为Db，结合横倾时的垂荡工况下其吃水为Dc，则根据船舶横倾计算方法：

由于该船应急消防泵吸水管到船中心线的距离Ac为0.12 m，故该工况下的水线分布详见图3。

图3 结合横倾时的垂荡工况

从图3中可以看出，考虑船舶横倾及垂荡相结合的状态时，其水线分布趋势和最轻载航行工况一致。在该工况下，吸水管吃水为5.322 m，高于吸口本身的高度4.15 m。计算结果表明：该船处于横倾及垂荡相结合的状态时，其应急消防泵的吸口完全浸没在水线以下，满足统一解释对吸口位置的要求。

2.4 船舶平浮状态下螺旋桨2/3浸没时的静水线工况

该工况不必考虑船舶纵倾、横倾以及垂荡等状态，统一解释规定，应急消防泵吸口在该工况下应完全浸没在水线以下，见图4。

图4 螺旋桨2/3浸没时的静水线工况

根据该船螺旋桨相关参数，螺旋桨直径Dp为6 m，螺旋桨轴距基线高度为Hs为3.3 m，此处定义螺旋桨浸没2/3时的静水线高度为Hi，则

应急消防泵吸口高度为4.15 m，小于静水线高度Hi，所以该船平浮状态下螺旋桨浸没2/3时，泵的吸口完全浸没在静水线以下，满足统一解释对吸口位置的要求。

2.5 稳性手册定义的船舶压载到港工况，不载货，

带10%备品和燃油

稳性手册中将货船的标准装载工况分为四种，分别为：

载货出港：装满货物，带100%备品和燃油；

载货到港：装满货物，仅带10%备品和燃油；

压载出港，无货物，带100%备品和燃油；

压载到港，无货物，仅带10%备品和燃油；

根据SOLAS第3章A部分第3条 “最轻载航行状态系指船舶处于平浮，无货物，剩有10%的备品和燃料的装载状态”的定义，即压载到港工况是船舶最轻载航行时的工况。该工况同样不需要考虑船舶纵倾、横倾以及垂荡的状态，且应急消防泵的吸口应完全浸没在水线以下，见图5。

图5 压载到港（不载货，带10%备品和燃油）工况

从图5中可以看出，应急消防泵吸口吃水6.319m，高于吸口本身的高度4.15 m，故泵的吸口完全浸没，满足统一解释对吸口位置的要求。

综上所述，该船应急消防泵吸口在统一解释规定的各个工况中均完全浸没在水线以下。然而，即使吸水管完全浸没，若应急消防泵净正吸入压头的有效值低于其本身的汽蚀余量，泵也会因为发生汽蚀而不能正常运转，所以需要进一步校核该船应急消防泵的净正吸入压头是否满足要求。

3 应急消防泵吸入压头计算

3.1 NPSHr、NPSHa的定义及其关系

根据HG/T 20570—1995《工艺系统工程设计技术规定》，泵入口处（压力最低点）单位质量液体所具有的能量（静压能和动能）与输送液体在工作温度下的饱和蒸汽压头之差称为泵的净正吸入压头NPSH（Net Positive Suction Head），也称作泵的汽蚀余量。泵的汽蚀余量分为必需汽蚀余量 NPSHr（NPSH required）和有效汽蚀余量 NPSHa（NPSH available）。

NPSHr与泵的类型和结构设计有关，属于泵的固有特性，不会随使用条件的改变而改变，NPSHr越小，说明泵抗汽蚀的能力越强。NPSHr一般由泵制造厂测定提供，该船NPSHr值为1.2 m。与NPSHr不同的是，在给定了装置的设备、管道配置之后，NPSHa仅与装置参数及液体性质有关，与泵本身的特性无关。NPSHa会随流量的增加而减小。

为保证泵正常运转而不发生汽蚀，其有效汽蚀余量NPSHa应大于泵本身的必需汽蚀余量NPSHr。若计算结果不满足要求，也可以考虑一些避免汽蚀的方法，比如通过减少管路阻力损失，调整泵安装高度来提高NPSHa的值，或者减少运行流量Q来降低NPSHr的值。

3.2 应急消防泵NPSHa计算

应急消防泵NPSHa值的计算公式如下：

式中：δNPSHa——有效汽蚀余量，m；

pc——应急消防泵进口液面的绝对压力；

Hg——应急消防泵安装高度（指泵进口的中心线与进口处液面的高度差）；

Hc——应急消防泵吸水管端至泵进口处的压力损失；

pv——实际温度下的饱和蒸汽压力；

ρ——液体密度；

g——重力加速度

由式（3）可知，应急消防泵安装高度Hg会随着船舶营运工况的变化而变化，需要分别计算统一解释规定的四种工况下的Hg值；而压力损失Hc只和泵的排量、直管段长度、管子内径、阻力元件类型和数量有关，与营运工况无关。此外，在指定物理环境下，pc、pv和ρ均为定值。计算NPSHa值的过程中所涉及的物理量取值如下，其中饱和蒸汽压力Pv根据实际海水温度对应选取：

泵进口位置距尾垂线距离Lp′ 4.203 m

泵进口位置距基线高度Hb′ 8.072 m

泵进口位置距船中距离Ac′ 0.607 m

泵进口液面的绝对压力pc1.01×105MPa

海水密度ρ 1.025×103kg/m3

管段压力损失Hc3.79 m

实际海水温度T 32℃

饱和蒸汽压力pv0.048 MPa

此处定义应急消防泵进口位置的吃水为Hp，计算方法与上述吸水管吃水一致，四种营运工况下对应的值分别为4.155 m、5.275 m、4.3 m、6.366 m（过程此处不做详述）。根据应急消防泵安装高度Hg的定义，Hg应等于（Hb′-Hp）。基于上述条件计算得到四种工况下的NPSHa值，并与NPSHr值比较，如图6所示：

从图6中可以看出，该船应急消防泵在统一解释规定的任何工况下，其有效汽蚀余量NPSHa均大于必需汽蚀余量NPSHr，完全满足统一解释对应急消防泵吸入压头的要求。

对于整个校核过程来说，需要注意的事项主要有：

1）应急消防泵吸口的最浅吃水水线并不一定是最轻载航行状态（压载到港）下的水线，必须根据应急消防泵布置的位置而定。当应急消防泵位于船舶舯部、艏部的时候，需综合考虑压载出港、压载到港等航行工况，判断哪一种标准航行工况下应急消防泵处于最浅吃水状态。

2）若应急消防泵的吸水管管口做成倾斜状，为保证其完全浸没在水线以下，计算过程中吸水管的测量距离应以管口处较高一端为准。

3）每台应急消防泵的必需汽蚀余量NPSHr都有所不同，须以厂家资料中实际的数据作为参数。

图6 NPSHa与 NPSHr比较

4 结语

本文以某型32 000 DWT散货船为例，结合UI SC178（rev.1）统一解释，依次校核了其应急消防泵的吸口浸没情况和净正吸入压头的大小。校核结果表明：在统一解释规定的任何工况中，该船应急消防泵的吸口都完全浸没在水线以下，并且其有效的净正吸入压头均大于必需汽蚀余量，保证了应急消防泵在上述任何工况下的有效运行和良好的吸入能力。

［1］IMO.INTERNATIONAL CODE FOR FIRE SAFETY SYSTEMS［S］.2007.

［2］中国船级社.钢质海船入级与建造规范.（2011）通函第96 号/总第 160 号［S］.2011.