超大型油船防泥沙设计

吴兆阳，潮 庆，刘 刚

（1. 上海外高桥造船有限公司设计研究院，上海 200137；2. 英国劳氏船级社，上海 200001）

0 引 言

长江入海口附近分布有多个港口，该水域的泥沙含量较大[1]。船舶在这些港口卸货时，需装载一定量的海水作为压载水，混杂泥沙的海水通过船舶压载系统注入压载水舱之后，水中的泥沙颗粒物会逐渐沉降下来，最终沉积在压载舱底部[2]。传统超大型油船（Very Large Crude Carrier，VLCC）的压载水舱底部结构较为复杂，泥沙沉积物清理工作费时费力。为帮助船东解决船舶泥沙沉积物清理问题，由中国船舶工业集团公司第708研究所设计、上海外高桥造船有限公司（以下简称外高桥造船）建造的31.8万t VLCC特别设计了泥沙沉淀舱。

1 传统设计

传统油船的压载舱将双层底与舷侧连通作为一个压载舱（见图 1）[3]。当油船卸货时，含较多泥沙的压载水进入压载舱，泥沙颗粒物会逐渐沉积在压载舱双层底内。压载舱双层底基本上覆盖全船货油舱底部区域，结构复杂，纵骨较多，且空间高度有限，人员在这里进行泥沙清除工作十分不方便，清理面积超过1 万 m2。

图1 传统油船压载舱

图2 防泥沙型压载舱

2 防泥沙设计

在VLCC压载舱的舷侧专门设置一个泥沙沉淀舱（见图2），舱室形状规则，舱底平台基本上没有纵向结构构件，总清理面积约 1200m2，配备有独立的压载管路、进水口、出水口和透气孔。在多泥沙海域，压载水首先通过压载管路进入泥沙沉淀舱，然后依次经过各层平台的开口注满整个舱室，最后通过顶部的溢流口流入下部的压载舱。在这个过程中，部分泥沙颗粒物依靠重力沉淀在泥沙沉淀舱中。为方便清理淤泥，在泥沙沉淀舱前后设置冲洗管。

3 工作原理

泥沙中密度较大的颗粒物沉淀速度较快，让这些大的颗粒物在进入压载水舱之前沉淀在泥沙沉淀舱中，便于日后冲洗清理。剩余的细小颗粒物沉淀速度较慢，理论沉淀时间很长，未在泥沙舱中沉淀的这些小颗粒物随压载水进入压载舱，其中一部分颗粒物可在下一次排放压载水时随压载水一起排到船外。

4 仿真计算

外高桥造船委托英国劳氏船级社（Lloyd’s Register of Shipping，LR）对泥沙沉淀舱的泥沙沉积效果进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真计算。通过对多泥沙港口的水质进行调研，设定每升海水中含有1.9g的泥沙沉积物，沉积物的成分为细沙、泥土及矿粒等3种具有代表性的物质，3种物质的尺寸及含量分别为：细沙直径为9.35µm，含量为58.4%；泥土直径为2µm，含量为36.7%；矿粒直径为384µm，含量为4.9%。LR根据STAR-CCM+软件建立计算模型并进行仿真。

根据 LR的计算报告[4]：夹杂有上述泥沙成分的压载水通过舱底部的进水口注入泥沙沉淀舱，随着水位的上升，压载水通过流水孔流过各个肋板；同时，压载水中的泥沙颗粒物开始进行沉降运动（见图3）。仿真计算显示：

图3 泥沙颗粒物各阶段分布及运动

1) 从注入压载水的时刻开始计时，17min之后压载水的水位到达泥沙沉淀舱的第一平台（如图3a）所示），3种泥沙颗粒物的分布还没有出现较为显著的变化。

2) 35min之后，携带泥沙颗粒物的压载水到达第二平台。从图3b）中可看到3种颗粒物成分的分布及运动，此时大直径矿粒物的含量已经大幅下降，矿物颗粒物已经基本完成沉降。除了重力沉降以外，泥沙颗粒物还会受到周围水流运动的影响，部分颗粒物会被水流携带继续前行。

3) 约50min之后，水位基本接近上舱顶部的溢流口（如图3c）所示），此时压载水中的部分颗粒物已经被留在泥沙沉淀舱内。

以上3个阶段压载水中的泥沙颗粒物含量变化情况见图4。从图4中可看出不同直径的泥沙颗粒物在各阶段的沉淀情况。当水位到达第二平台时，矿粒沉淀 93%，细沙沉淀 22%，泥土沉淀17%。当水位到达溢流口时，矿粒沉淀99%，细沙沉淀35%，泥土沉淀 35%。按照泥沙颗粒物的密度和含量计算，当压载水到达泥沙沉淀舱溢流口时，38.1%的颗粒物已沉淀在泥沙沉淀舱中。

图4 3个阶段压载水中泥沙颗粒物含量变化情况

5 结 语

利用仿真软件STAR-CCM+计算，含有泥沙的压载水通过泥沙沉淀舱之后，水中泥沙颗粒物含量有明显的下降，泥沙沉淀舱截留了99%的矿粒、 35%的细沙、 35%的泥土，综合沉淀率达到38.1%，占可沉积泥沙的50%。部分颗粒物没有沉淀在泥沙沉淀舱中，包括65%的泥土颗粒物，重量占总泥沙颗粒物的24%，沉淀速度很慢，绝大部分将随压载水排出船外。与没有设置泥沙沉淀舱的船舶相比，采用防泥沙设计之后，船舶在多泥沙水域卸货，日后的泥沙清理工作将主要集中在泥沙沉淀舱内，主要清理区域的面积约为1200m2，总面积相比以往减少80%，压载舱底部淤泥的理论清理周期延长为原来的近3倍，清理工作量明显减少，工作环境得到改善，达到了防泥沙设计的预期效果。

【 参 考 文 献 】

[1] 张朝阳，杨世伦，罗向欣，等. 舟山群岛朱家尖岛以东近岸海域沉积物粒度特征[J]. 上海国土资源，2012, 33 (4)： 39-43.

[2] 杨光付，赵晓冬，罗勇，等. 压载水舱泥沙淤积原因和冲淤新方法[J]. 船舶工程，2012, 34 (3)： 50-52.

[3] 黄宏波. 船舶设计实用手册（总体分册）[M]. 北京：国防工业出版社，1997.

[4] Stewart Whitworth. Shanghai Waigaoqiao ballast water sedimentation TID report[R]. TID7535A, Lloyd’s Register Marine,2014.