82 000 DWT散货船海上航行时压载水交换研究

张曙光

（上海海事大学，上海 200135）

1 前言

据统计，每年全球船舶携带的压载水总重量有100多亿吨。虽然船舶压载水是一种必要的现代船舶管理方式，但也会携带大量的海洋生物多达7 000余种，包括微生物﹑细菌﹑浮游生物﹑生物包囊等，给各国港口带来严重的生态﹑经济﹑健康等方面的问题。

按IMO制定的D一1标准（IMO Res.A.868（20）），船舶应在距最近陆地至少200 n mile的深海（水深至少为200 m）的开阔水域进行压载水交换。若无法实现，则应在距最近陆地至少50 n mile﹑水深至少为200 m的地方进行压载水交换，或由港口管理当局指定的海域。

2 船舶简介

本文以某82 000 DWT散货船为目标船型，其为典型的单壳散货船，该船性能参数见表1。

表1 主要船型参数

3 船舶航行时压载水交换的方法

船舶一般是在正常航行过程中进行压载水交换，不同的交换方法所需要的交换时间及其所带来的问题不同，需要根据船舶自身情况选择合适的压载水交换方法。

3.1 顺序法

顺序法是先将原有压载水舱室的水排空，然后用满足IMO要求的新压载水将这些舱室重新注满，保证原有舱室内95%以上的压载水被置换为新的压载水。这种方法能使压载水几乎被全部地交换，其压载水泵负荷小﹑交换时问短，但有可能会影响船舶的稳性﹑强度﹑操作性﹑视线。

采用顺序法进行压载水交换时，通常需要进行下列安全评估：

（1）总纵强度：采用顺序法时船舶压载舱处于时满时空的状态，所以在做下一步的操作之前，必须校核船体最大弯矩和最大剪力是否满足要求；假如不对称地排空压载水舱，更可能会导致船舶横倾，并引起扭矩载荷；

（2）自由液面：采用顺序法的压载舱在排空和注满的过程中，会出现压载舱部分装载的情况，如果此时碰上恶劣天气，压载舱的压载水将产生剧烈的晃荡，有可能导致舱内船体结构产生裂纹危及船舶安全；

（3）最小首部吃水：对首尖舱等首部压载舱采用顺序法，有可能首吃水不满足规范对最小首吃水的要求；

（4）螺旋桨和舵全浸深：对尾尖舱等尾部压载舱采用顺序法会使尾吃水减小，可能导致螺旋桨和舵叶露出水面，从而会使船舶尾轴的温度升高对尾轴造成损害，也会造成船体振动和降低船舶的操作性；

（5）完整稳性：压载舱在排空和注满过程中，要满足KG/GM的要求；

（6）视野校核：采用顺序法压载水交换过程中，有可能使船舶尾倾加大时，导致船舶盲区过大，影响船舶安全驾驶。

3.2 溢流法

溢流法是将替换的压载水泵入已装载压载水的压载舱，同时允许水从溢流口或其他装置流出。溢流法一般适用于舱顶为主甲板的压载水舱，如顶边舱﹑重压载舱等。这种方法需要每一压载舱连续泵入水量达到3倍舱容，可视为符合至少交换95%体积的压载水的标准要求。3倍的交换水量使压载泵的负荷大﹑交换时间长。但由于压载舱总是处于满舱状态，所以对船舶的稳性和强度的影响可忽略，并可在恶劣的海况下操作。

采用溢流法进行压载水交换时，通常需要进行下列安全检查：

（1）空气管头：溢流法一般使用空气管头作为溢流装置，如果空气管头不工作特别是在冬季被冰封时，将产生压载舱室的超压危险，甚至损坏压载泵；

（2）甲板安全：由于压载水直接溢流到甲板上，需要保证甲板上的安全通道畅通，同时检查甲板落水管是否良好，以免造成甲板积水；

（3）压载水交换完成后检查：每一个舱压载完毕后，需要检查舱的完整密性，同时确保通道关闭并紧固好。

4 压载水交换时压载水的布置

基于目标型船82 000 DWT散货船，将重压载出港（HBD）和普通压载出港（NBD）两种工况作为基本工况进行压载水交换。

4.1 重压载出港工况（HBD）

此工况下全船的压载舱全部满舱，在满足一定水深及距港口一定距离的情况下，以及在满足总纵强度﹑稳性﹑浮态﹑视线的前提下，需要将这些压载舱所有压载水按合理的顺序及方法全部进行更换。

（1）在HBD工况下船舶尾倾值较大，所以首先将尾尖舱排空原有压载水，以调节船舶的浮态，将此过程称为S01；

（2）S01工况完成后船舶尾倾值为Tr=-1.072 m，此时尾部舱室还有一定空间压载水排放，考虑到视线及浮态，将No.7底边压载舱压载水排放。但校核后发现此时螺旋桨的浸深只达到95%，同时在FR148处的弯矩达到了许用值的107.27%，所以必须重新考虑压载水交换方案。为此，再次对No.7底边压载舱的压载水排放，表2为不同排放量时的校核结果。

表2 No.7底边压载舱交换校核结果

由表2可知，当No.7底边压载舱压载水排掉60%时，螺旋桨浸深达105.2% ，基于许用值的弯矩占比为95.87%，此为在强度和浮态满足要求前提下其能排放的最大压载水量。

4.2 普通压载出港工况（HBD）

（1）重压载出港工况（HBD）下进行压载水交换，其对船舶的总纵强度影响甚小，此时的剪力﹑弯矩值小于极限值，所以接下来对No.4号风暴压载舱压载水进行处理，将其压载水全部排空，将此次过程称为S03。

（2）S03交换工况完成后，此时的船舶状态等同于普通压载出港工况（NBD），所以接下来的交换步骤和NBD一样：

① 使用顺序法对No.7底边压载舱进行压载水交换，同时对No.1顶边压载舱进行压载水交换，此次过程称为S04_05。需要注意的时，当对No.7底边压载舱左舷进行压载水交换时，则对应的对No.1顶边压载舱右舷进行压载水交换，这样在压载水交换过程中的船舶总纵强度﹑浮态以及视线等影响最小；

② 按上述同样的原则，可对No.6底边压载舱与No.1底边压载舱组合﹑No.5顶边压载舱与No.3顶边压载舱组合﹑No.5底边压载舱与No.3底边压载舱组合进行压载水交换，分别为S06_07，S08_09，S11_12；

③ 在S08_09完成后，为了满足视线要求，将No.7底边压载舱左右舷压载水排放至满舱的50%，此步骤为S10；

④ 在上述交换工况校核结果满足要求前提下，进一步对No.4底边压载舱与No.4顶边压载舱进行顺序法交换压载水，此次过程称为S13_14。注意此时底边舱的右舷和顶边舱左舷作为组合同时进行；

⑤ 使用顺序法完成No.2底边压载舱与No.2顶边压载舱的压载水交换，此为S15_16，S17_18；

⑥ 考虑到首部吃水和视线要求，对首尖舱进行溢流法压载水交换，此方法不影响船舶总纵强度﹑不改变浮态﹑视线等，所以不需要进行校核工作。

⑦ 将No.7底边压载舱注入压载水（S19），使其达到满足状态的60%，此时船舶状态回到了NBD状态，意味着从交换工况S03开始到S19工况结束，完成了NBD整个压载水交换工作。

⑧ 将排空的No.4号风暴压载舱重新注满新压载水（S20），紧接着将No.7底边压载舱注满新压载水（S21），最后将尾尖舱也注满新压载水，此时船舶状态回到了HBD，完成了整个过程的压载水交换工作。

5 压载水交换的强度、稳性及视线校核

（1）在重压载出港工况（HBD）下，从S01～S21共21个步骤完成了全船的压载水交换工作。重压载工况的第三个步骤S03和普通压载出港工况S00相同，所以从重压载工况的第3个步骤开始，重压载工况和普通压载工况的压载水交换步骤相同。通过NAPA软件，对压载水交换过程中的每一个中间工况进行稳性﹑强度﹑浮态﹑视线校核，确保在整个过程中船舶的安全；

（2）整个压载水交换过程需按CSR要求，必须对每个中间工况进行强度﹑浮态﹑稳性﹑视线的校核。对于强度校核，需满足在航行工况下的许用弯矩和剪力；

（3）CSR规范要求重压载工况下最小首吃水要求不小于0.03Lpp或8 m的小者，所以根据首吃水的公式，首吃水需不低于6.7 m；为了保证舵和螺旋桨全部浸没，尾吃水需为7.355 m；从驾驶室到海平面的视线不能超过两倍船长或500 m，两者取小值，本船取500 m。

综合分析上述21种装载中间工况，对以HBD和NBD两种装载工况的配载结果表明：

（1）在S13_14工况下，当No.4顶/底边舱压载水交换时出现了最大静水弯矩；

（2）在No.7底边舱排水至60%时出现了最小弯矩和最大剪力；在HBD下出现了最小剪力。上述诸值均满足了航行工况下的剪力和弯矩许用值；

（3）21个中间工况的稳性﹑横倾角都满足要求；螺旋桨浸深也均满足要求；

（4）对于视线出现了S08-09中间工况不满足要求，但相对于稳性和浮态而言视线不满足，加之使用顺序法更换压载水时间较短。但此不满足要求需备注说明提醒船长。

6 结束语

以HBD和NBD两种基本初始工况为例，对其压载水交换过程中所有21个中间工况压载水布置进行研究表明，要合理的规划压载水交换顺序以及选择适当的交换方法，同时要遵循船舶首部舱室与尾部舱室同步且左右舷对称进行的原则；进行每一步的压载水交换操作前均应进行总纵强度﹑稳性﹑浮态和视线校核，在保证船舶在整个交换过程中这些性能均满足要求前提下，合理优化其压载水布置并给出了最优设计，节省了压载水交换需要的时间。