燃油及其溢流舱优化设计和结构试验

余 玮

(中国船级社 上海分社，上海 200135)

为了满足现行1974《国际海上人命安全公约》[1](International Convention for Safety of Life at Sea, SOLAS)第II-1/26.11条及第II-2/4.2.2.4条的有关要求，设计单位往往将船舶燃油日用柜、沉淀柜以及燃油溢流舱的空气管通过机舱棚延伸至机舱烟囱的油雾箱或更高位置，这种延伸布置尽管能满足公约的要求，但根据中国船级社(China Classification Society，CCS)《钢质海船入级规范》[2](以下简称“2016修改通报”)、IACS URS14[3](Unified Requirements S14 of International Association of Classification Societies，URS14)及SOLAS公约有关燃油舱结构试验的要求，燃油舱结构试验的压头可取下列较大者：

1) 至溢流管顶端。

2) 或至液舱顶部以上2.4 m。

3) 或至液舱顶部加任何压力释放阀的设定压力。

4) 或至舱壁甲板。

考虑到燃油日用柜等燃油储存舱一般均设有溢流管，无论其空气管延伸多高，一般均不影响燃油舱的结构试验，而燃油溢流舱一般不设溢流管，随着其兼作溢流的空气管的升高，不仅会增加燃油溢流舱结构试验的难度，而且会提高试验成本。

根据SOLAS公约第II-1/11.4条的要求，开展液体舱室结构试验的目的是分别满足船舶分舱或液体舱室适应性这2项要求，但CCS《钢质海船入级规范》(2015)[4](以下简称《2015钢规》)所给出的液体舱结构强度计算公式仅考虑了船舶分舱的要求，并不涉及适应性，以至于对仅需满足适应性要求的油舱及其溢流舱，因空气管升高及分舱的要求，用该结构强度计算公式计算出的油舱及其溢流舱的结构构件尺寸明显偏大。

1) 以SOLAS公约和船级社规范为依据，结合船上燃油及其溢流舱的典型布置，就改进燃油溢流舱结构的试验方法和试验压头选取进行充分论证。改变类似燃油溢流舱结构形式的液体舱室结构试验的水压高度的取值随其兼作溢流空气管的高度的增加而增加的传统观念。

2) 对现行规范中适用于燃油舱结构强度计算的公式进行分析，指出现行规范中对满足适应性要求的燃油舱结构强度计算公式中的参数进行选取的不合理之处，并提出对公式中液体密度参数分类选取、计算水压高度合理限制的概念。

通过计算分析对比发现，合理选取结构试验的压头高度和使用经优化的结构强度计算公式不仅能降低船厂对类似燃油溢流舱结构形式舱室的结构试验的时间和成本，而且能使仅需满足类似适应性要求的燃油舱结构构件的设计尺寸更小更合理。选取合理的结构试验压头高度和优化规范结构强度计算公式，不仅能控制生产成本、减轻空船重量、提高船舶能效，而且可为URS14和船级社规范的修改提供技术支持，具有潜在的经济和社会效益。

1 燃油溢流舱的试验方法

1.1 船舶燃油及其溢流舱的典型布置

为满足SOLAS公约的有关要求，采用典型的通过机舱棚延伸至机舱烟囱油雾箱或更高位置的燃油日用柜、沉淀柜以及燃油溢流舱的溢流管和空气管的布置(见图1)。图1中“Vent”将延伸至机舱烟囱油雾箱内或更高位置。

1.2 船舶燃油溢流舱的试验方法

SOLAS公约第II-1/11.3条要求“供装载液体并形成船舶分舱部分的舱柜，应以相当于其设计压力的水头试验其密性和结构强度。该水头均不得低于空气管顶或该舱舱顶以上2.4 m，取大者。”

注：溢流舱兼作溢流的空气管顶端高度将高于舱顶部以上2.4 m或舱壁甲板的高度

图1 燃油及其溢流舱空气管和溢流管的典型布置

考虑到船上所布置的燃油及其溢流舱一般均不构成船舶分舱部分的舱柜，《2015钢规》取消对燃油舱的结构试验的要求，但考虑到SOLAS公约第II-1/11.4条要求“结构强度试验的目的在于确保分舱结构布置是水密的，而不应视为对任何用于储存燃油或其他特殊用途舱室的适应性试验，而此类试验按液体进入舱内或其连接部分的高度，可能要求更为严格”，作为适应性结构强度试验，“2016修改通报”又恢复对燃油舱的结构试验，但并未涉及燃油溢流舱。由此，燃油溢流舱是否需要做结构试验，目前各船级社实际做法并不一致，有些船级社将燃油溢流舱视为燃油舱进行结构试验，有些则仅要求做渗漏试验。

尽管SOLAS公约第II-1/11.4条并未明确提及燃油溢流舱，但根据SOLAS公约第II-2/4.2.2条“燃油的布置”可知，所有船上的燃油布置均涉及燃油系统和燃油溢流系统，其中燃油舱作为燃油系统的一部分，其重要性已在公约中有具体的规定，包括结构布置、安全措施等。同理，燃油溢流舱作为燃油溢流系统的一部分，其重要性将等同于燃油舱，因为SOLAS公约是禁止燃油撒落在机舱内的，一旦燃油溢流舱破损，船上整个燃油溢流系统将无法正常工作，最终导致船舶无法满足SOLAS公约的要求。因此，各船级社规范对燃油溢流舱的设置均做出了具体的规定，如CCS规范[5]、英国LR规范[6]和挪威DNV GL规范[7]等。目前在国际船级社协会(International Association of Classification Society, IACS)内部针对燃油溢流舱的设置已达成共识，即：燃油溢流舱可作为SOLAS公约所要求的其他特殊用途舱室，并视为燃油舱进行结构试验，但如何对燃油溢流舱进行结构试验，试验压头取多高才算合理，还有待于进一步论证。

2 燃油溢流舱结构试验压头高度的选取

SOLAS公约和船级社规范对船上的燃油系统及溢流系统均提出了防止溢油的安全措施，如：SOLAS公约要求为了避免船上油泵供油时出现燃油舱柜的溢流现象，明确提出燃油舱柜应设有确定其舱柜内存油量的安全有效装置，包括舱柜内高低油位的报警装置，油泵供油的注入管在内应设有防止超压装置等的安全措施；各船级社规范对溢流舱提出具体的安全要求，包括在溢流管上设置良好照明的观察器，观察器应安装在垂直管上易于察看之处，或装设当溢流舱柜溢流或油量达到舱柜的预定液面高度时的报警装置等。

根据美国ABS规范[8]和挪威DNV GL规范等船级社规范，燃油溢流舱舱容一般应满足燃油输送泵至少10 min额定供油的流量，为了避免燃油舱在注油时发生溢流现象，船舶燃油系统一般均采用闭式溢流系统[9]。由此可见，上述强制安全措施的设置使得燃油舱在加注燃油时几乎不可能发生大量的溢流现象，即使有也不会超过10 min的缓冲流量，这些流量的燃油不足以使燃油溢流舱的燃油液面上升至烟囱油雾箱或更高位置的空气管顶部，除非上述安全措施失灵，但此时的船舶状态已不满足SOLAS公约和规范的要求。据此，按照现行船级社规范和URS14的要求，取燃油舱结构试验的水压高度对燃油溢流舱进行结构试验，即：试验压头取之溢流管顶端显然不切合实际(如图1所示)。综合参考SOLAS公约、各船级社规范和URS14对燃油舱结构试验的要求，从燃油溢流舱实际使用角度考虑，燃油溢流舱结构试验的压头取该舱舱顶以上2.4 m是最切合实际、最合理的。

3 燃油及其溢流舱结构强度计算公式中的参数选取

根据《2015钢规》的要求，对燃油舱的平面油密舱壁(包括高度>2 m的双层底油密实肋板)的厚度t应不小于按下式计算所得值。

(1)

式(1)中：s为扶强材间距，m；h为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1/2，取较大者，m；ρ为液体密度，t/m3，计算时取值应≥1.025；K为材料系数。

燃油舱平面油密舱壁扶强材的剖面模数W应不小于按下式计算所得之值

W=8sρhl2K

(2)

式(2)中：s为扶强材间距，m；l为扶强材跨距， m；h为由扶强材跨距中点量到深舱顶的垂直距离，或量至溢流管顶垂直距离的1/2，取较大者，m。ρ为液体密度，t/m3，计算时取值应不小于1.025；K为材料系数。

根据式(1)和式(2)计算燃油及其溢流舱的结构构件尺寸时，考虑到船上燃油及其溢流舱的布置一般均不形成船舶分舱部分的舱柜，也就是说，即使海水涌入引起这些舱柜的破损，也不会影响船舶的破舱稳性，为此，其液体密度ρ值不应取固定值1.025，而是应根据SOLAS公约的适用性要求，取其所储存的液体比重，即为船舶燃油的比重，除非这些舱柜作为船舶分舱部分的舱柜。

根据SOLAS公约和各船级社的规范要求，燃油及其溢流舱需强制设置防止溢流的安全措施，使得燃油溢流舱日常使用时几乎是空的，即使有也不会超过10 min缓冲流量。为此, 就燃油溢流舱结构形式，式(1)和式(2)中的h值为“量至溢流管顶垂直距离的1/2”已没有意义，应改为“至舱顶以上2.4 m的垂直距离m”更为合理。

4 合理选取燃油及其溢流舱结构强度计算公式参数后的分析对比

根据式(1)和式(2)，以扶强材间距s为0.6 m，扶强材跨距l为2M为例，计算出燃油及其溢流舱平面舱壁板厚度T及其扶强材剖面模数W与燃油溢流管高度H及其舱柜内液体密度ρ的关系(见表1和表2)。

由表1和表2的计算结果分析可知：

1) 溢流管顶的垂直高度每增加5 m，平均规范舱壁板厚t增加将近1 mm。

2) 液体密度由海水密度改为燃油密度，平均规范舱壁板厚t减薄将近0.5 mm。

3) 溢流管顶的垂直高度每增加5 m，平均舱壁扶强材剖面模数W增加近75%。

4) 液体密度由海水密度改为燃油密度，平均舱壁扶强材剖面模数W减少近16%。

5 结束语

通过上述研究，给出以下建议：

1) 燃油溢流舱或类似舱柜，选取其结构试验水压高度。

表1 燃油及其溢流舱平面舱壁板厚度T与燃油溢流管高度H和液体密度ρ的关系

表2 燃油及其溢流舱平面舱壁扶强材剖面模数W与燃油溢流管高度H和液体密度ρ的关系

(1) 对具有兼溢流的空气管延伸至烟囱油雾箱或更高位置，且设有防止进一步溢流安全措施的舱柜，应满足：如果舱柜不构成船舶分舱部分，至舱顶以上2.4 m；如果舱柜构成船舶分舱部分，至舱顶以上2.4 m或舱壁甲板，取大者。

(2) 无论舱柜构成或不构成船舶分舱部分，若没有设置防止进一步溢流安全措施，则仍需满足CCS“2016修改通报”第1篇第4章表1第21项的规定。

2) 燃油及其溢流舱,在使用规范公式对其进行结构强度计算时，选取计算参数。

如果舱柜不构成船舶分舱部分，计算密度为其适装的液体密度，水压高度取至该舱舱顶以上2.4 m；如果舱柜构成船舶分舱部分，计算密度取自规范要求的1.025，水压高度取自现行规范的要求值。

合理选取结构试验压头高度的限制和结构强度计算公式中的计算参数，不仅能降低船厂对类似燃油溢流舱结构试验的难度，方便船厂在分段制造阶段完成结构试验，而且能提高生产效率、减轻空船重量、提高船舶能效，这对已优化的船型而言显得尤为重要，同时还可为URS14和船级社规范的修改提供技术支持，具有良好的经济和社会效益。