大型邮轮压载水系统设计技术研究

隆奇芮，郭智威，白秀琴，袁成清

(1. 武汉理工大学 国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所，湖北 武汉 430063；2. 武汉理工大学 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430063)

0 引 言

自20世纪末以来，世界邮轮经济发展迅猛，从2012年至今世界邮轮游客数增长率居高不下，2018年全球邮轮游客数2500万人次。随着社会经济的发展，人民经济收入水平的不断提高和人民精神文化生活需求的日益多样化，乘坐邮轮进行度假逐渐成为现代颇具吸引力的度假方式。国际邮船市场重心开始向亚太区域特别是中国地区转移，中国占国际邮轮市场份额从2006年的0.5%增长到2018年的9.6%[1]。大型邮轮被称为造船行业的“明珠”，是高技术、高附加值船型的代表。《中国制造2025》明确提出“突破大型邮轮设计建造技术”是造船强国的重要标志之一。邮轮旅游作为一种新兴的旅行休闲方式，安全性和乘客的体验舒适性尤为重要，但航行时不可避免地会受到海风海浪和其他因素影响，破坏其航行稳定性。压载水系统作为维护邮轮安全平稳航行的保船系统，比普通船舶的压载水系统要求更高。

目前针对船舶的压载水系统，国内外学者在压载水系统整体设计、处理设备以及调拨控制等方面都进行了相应的研究。在压载水系统整体设计方面，李盟[2]提出了包括邮轮压载水系统在内的多项目进度计划体系原则，建立了作业施工与资源均衡优化的数学模型，基于强化学习和免疫遗传算法对三级和四级计划管理进行优化，通过对照实验验证了其可行性，降低了建造成本，提高了资源配置效率，为项目管理提供了数据积累。戴宪邦[3]依据材料追溯管理原则，设计了编码方案，基于条码识别技术和批次管理思想，对邮轮建造过程中压载水等系统所用材料的追溯模型进行了研究，提出了批次清单质量追溯模型和材料追溯算法。Asmara[4]采用单元分解法和数学规划法将船舶管路空间分解为单元格，通过粒子群算法连接管路铺设的起始点，结合确定性和非确定性2种优化技术，利用确定性的速度和非确定性的灵活性，提出了一种管道无碰撞优化路径自动生成系统。在压载处理设备方面，王玉玲[5]研究了船舶压载水管理系统中压载泵进出口管路的直径选择问题，针对不同类别管道推荐了流速范围，提供了直径计算公式，并指出影响管路直径的主要因素。对不同类别管道的最大压力降做出了规范，分析了其压力降的构成部分，并对压力降计算公式的适用范围进行了说明，为管路直径的设计与选择提供了依据。Petersen[6]根据国际海事组织颁布的《国际船舶压载水及沉积物控制和管理公约》和美国海岸警卫队颁布的final rule，在250 m3的水池中进行10天陆基试验，研究了紫外线处理和氯化处理对压载水中浮游生物活性及丰度的影响，揭示了氯化在降低浮游生物丰度、活性方面的优势，指出在检验处理效果应优先考虑活性，丰度次之。在压载水调拨控制方面。Wilson[7]采用实验和计算流体力学（CFD）方法，对压载水调拨过程中压载舱内部的流动特性以及调拨效果进行了研究，模拟了3种计算网格，对散货船非典型压载舱1/3尺度模型与35 000dwt轻便散货船的数值模拟数据与实际测量数据进行验证，比较了不同计算网络下的调拨效率。Gomes[8]对压载水系统流量范围、适用吨位、舱内腐蚀速率、处理结果等26个属性进行方案排序，并赋予权重，基于多准则决策辅助方法对3种不同调拨方案进行评估，使压载水系统中相互联系和相互制约的属性得到最佳的协调。肖民等[9]基于有限元方法建立了压载水系统的结构模型，对节点流量、压力的计算方法进行了研究，运用流体力学原理建立了流量与水头的矩阵方程，对比了不同阀门开度对压载水舱输出流量的影响，探讨了舱室流量和节点流量与阀门开度之间的关系。

以上大多都是对于一般船舶压载水系统的研究，国外对于邮轮的压载水系统研究不多，主要聚焦于压载处理相关的环境保护问题，我国虽然在传统商船领

域是世界强国，但作为邮轮产业的后起之秀，对邮轮的技术储备还存在不足，对于邮轮的压载水系统研究还是一片空白。因此，探究大型邮轮压载水系统、分析其系统组成、实现原理和设计原则，为大型邮轮的详细设计和建造提供理论依据，提高我国造船水平及在国际船舶市场的竞争力具有重要意义。

1 邮轮压载水系统工作原理及压载管网特点

1.1 邮轮特点以及压载水系统的主要功能

大型邮轮与散货船、集装箱船和油船等一般民用船舶相比，在建造特点和设计理念上差别较大。

1）布局社区化，娱乐多样化

邮轮作为提供海上休闲观光娱乐的场所，船上乘客众多，全船基于“陆地社区”的设计理念分区布局。不同“社区”有着不同的设计装饰风格，图书馆、购物中心等按区域功能分布。破除了人们对于航海旅游的旧有观念，从玩具城、游戏厅到美容院、大剧场，有着众多满足不同乘客需求的游乐设施，为乘客枯燥的海上航行提供无以伦比的体验。

2）柴电联合推进

与传统船舶相比，邮轮的生活公共区域众多，航行中生活用电所占比例较大。邮轮的动力装置不仅要用于推进船舶前进，还需为船舶提供可观的电力，故邮轮往往采用柴电联合推进装置，并布置有较大的发电机舱。

3）水线以上迎风面积较大

随着邮轮经济的持续火热，邮轮吨位记录不断被打破。目前世界上最大的邮轮“海洋交响乐”号吨位达到23万吨，水线以上部分高达72 m。2019年4月，德国爱达邮轮公司宣布建造AIDAflex，排水量达到了惊人的26.09万吨，比“海洋交响乐”号高出14 m，再一次刷新了行业记录。邮轮上层建筑增高，导致船舶重心提高，受风面积增大。

4）安全性要求高

邮轮乘客众多，安全要求不容忽视。IMO在2009年颁布的SOLAS基于3 000多起海事事故数据，对客船和一般货船的稳性规则提出了严格的要求，对破仓评估的确定性算法和建议性概率算法由概率方法取代[10]。对于邮轮这一特殊船型，其内部的A级界限（2.1提到）、乘客安全撤离通道等都会对稳性造成较大影响。欧盟于2009-2012年开展了GOALS项目，研究增加水密舱壁和型深等对客船特别是大型邮轮的稳性影响。比如“海洋绿洲”号设置了多达18道水密舱壁，采用概率方法对9 000多种破损状态进行了分析，最终使“海洋绿洲”号邮轮超过破舱衡准数3个百分点[11]。

5）体验舒适性好

船体振动产生的噪声对乘客体验舒适性有很大的影响，2012年IMO海水安全委员会第90次会议通过的SOLAS II-1/3-12条噪声防护的要求中，船舶的居住舱室噪声上限为55 dB，生活娱乐公共区域噪声上限为60 dB，其他工作区的上限值为85 dB。噪声指标是影响邮轮总体性能的关键性指标，上限值要求比一般船舶低很多。邮轮乘客居住舱室的噪声不得超过49 dB，振动级要求不超过1.55 mm/s，不同舱室间的声音绝缘需为40～45 dB[11]。

6）绿色环保

2014年IMO海上环境保护委员会第66次会议上首次对电力推进的大型邮轮EEDI（能效设计指数）进行了定义，并于2015年的第68次会议对柴电联合推进的大型邮轮EEDI做出了进一步的说明[10]。大型邮轮是一个国家造船水平的最高体现，对污水处理、废气排放等都有严苛的要求，随船配有经过专业培训的专职环境官员，旨在使邮轮在北美、加勒比海等排放控制航区的的排放达到IMO Tier Ⅲ标准。

结合邮轮特点，邮轮压载水系统的主要功能如下：

1）减小邮轮横摇角度

邮轮上层建筑受风面积较大，加之可能乘客聚集在一侧船舷的情况，使邮轮在横向上更容易产生摇摆，近几年国内外发生的重大客船翻沉事故皆与横倾过大有关。对于横倾角IMO MSC.267（85）决议之《2008年国际完整稳性规则》及其修正案MSC.398（95）的有关要求如下：

① 最大复原力臂GZ对应的横倾角θmax应 不小于15°；

② 复原力臂曲线（GZ曲线）下的面积，当最大复原力臂GZ在15°角发生时，在15°内应不小于0.07 m·rad，当最大复原力臂GZ在30°角或以上发生时，在30°内应不小于0.055 m·rad。当最大复原力臂GZ在15°和30°之间发生时，复原力臂曲线下的相应面积应为：

2）首尾方向保持吃水差，减小阻力和保证可视范围

研究表明，邮船处于远洋航行中时，沿纵向方向上并不是越水平越能提高推进效率，相反基于邮轮实际载荷与重心等参数在高精度配载仪的计算下通过压载水管理系统使其保持一定角度的尾倾能帮助邮轮减小阻力，从而节约燃料能源达到绿色邮轮的目标[12]。SOLAS公约第V章航行安全第22条规定航行时驾驶室要有一定的可视范围，在海上需保持良好的可视范围。在进出港时，为尽可能减少邮轮上层受风面积，要使尾吃水不小于首吃水，以达到操纵需要其中首吃水不小于0.02L，尾吃水不小于0.03L，L为船长。

3）减轻船体和轴系的振动

邮轮的振动来自周期激振力和非周期激振力，其中螺旋桨激振力是主要振源。当邮轮的螺旋桨未达到浸没要求时，螺旋桨在不均匀流场中产生高阶激振力，使螺旋桨的静力平衡受到破坏，引起船体和轴系剧烈的振动。邮轮作为“技术与工艺”的最佳融合，其远超规范的平稳性、减振性，乘客的体验舒适性、低噪声、弱振动显得尤为重要。为减轻振动，需对邮轮首尾尖舱进行压载，使螺旋桨满足一定的浸没要求。

4）保持一定初稳性高度和吃水深度，提高耐波性

耐波性指在风浪作用下产生的摇荡以及失速等现象下，船舶稳性和结构强度等性能总体反应。其他参数不变的情况下，吃水深度增加，稳心半径和初稳性高度减小，吃水深度减小，船舶易受风浪砰击，耐波性较差。在邮轮航行途中，通过安装于不同位置的液位传感器，监测邮轮实时吃水值，在配载仪的计算下，往指定压载舱打入压载水以达到IMO的相关吃水深度要求，IMO规定在核算装载状况下经自由液面修正后初稳性高度GM不低于0.15 m，且需满足：

式中：Tmin为船舶最小平均吃水，m；Lbp船舶垂线间长即柱间距，m。

5）减小船体变形，维护结构合理受力

全船重力与浮力的合力使邮轮处于静力平衡的状态，但是在沿船长方向上的任一区域内，重力和浮力并不是互相平衡的，差异过大的剪应力和弯曲应力导致船舶出现中拱和中垂，长此以往将会造成船体的金属疲劳甚至变形，若使首尖舱、尾尖舱和中部压载舱内的压载水合理分布可以减少这种现象的发生。

1.2 压载水系统组成

邮轮压载水系统如图1所示。由海底门，压载水泵，处理系统，管路及压载舱、扫舱系统及相关阀件、监测仪表和控制系统组成。

图 1 系统组成简图Fig. 1 System composition diagram

1）海底门

海底门是为邮轮压载水系统提供工作介质的源头，需 在吸口处设置格栅做滤网，挪威DNV船级社part4 chapter5section5中规定格栅流通面积不小于海水吸入口阀门流体面积的2倍，相应美国ABS船级社规定为1.5倍，若是在冰区航行的极地邮轮，则应为4倍。

2）压载水泵

压载水泵是邮轮压载和卸载工作的动力源，要求流量较大且性能稳定，根据泵的型谱图通常选用离心泵。挪威DNV船级社在part4charpt6section4中规定所有的压载舱应连接至少2台压载泵，并且布置在不同的事故界限内[13]。

3）压载水处理系统BWMS

通过物理化学等多种处理技术组合的处理方式对进入压载舱的海水进行预处理，并达到IMO的D-2标准和USCG-阶段1（若邮轮航线涉及美国）的规范要求，减少和消除有害水生物和病原体的转移而带来的风险后果[14]。

4）压载水管路及压载舱

压载管路连接着压载泵和各个压载舱，按照规定，客船和载重量大于500 t的货船需要设置双层底，并在双层底内设置压载舱水[15]。

5）扫舱系统与相关阀件

扫舱系统的作用是当压载泵无法正常排出压载水时，用喷射泵做动力源，将剩余需排出的压载水通过扫舱管路排至舷外，并且至少低于2%（NAPA要求少于2%以防止自由表面计算），且管路中不得设止回阀。

1.3 邮轮压载水系统工作原理

本文以VISTA号邮轮的压载水系统为例，描述压载水系统工作的大致过程，图2和图3中深色圆点表示压载管路之间有连接，浅色圆点表示扫舱管路之间有连接，假设1号压载泵作为邮轮常用泵，2号作为备用压载泵，当邮轮遇紧急情况需要大量压载水时，两台压载泵同时启用，根据营运情况控制压载和卸载。

1.3.1 压载过程

压载过程如图2所示。

以4号压载舱为例，当进行压载时，打开海底门，并打开1，2，5号阀门，启动1号压载水泵，海水经AZ（压载水处理装置）后，经6，7，8号阀件并入压载总管，在4号压载舱隔离阀件的控制下注入压载舱，完成压载工作。当需紧急压载时，海水可不经处理装置，开启7号阀门，直通过旁通管路将海水注入压载舱。

图 2 压载过程Fig. 2 Ballast process

图 3 卸载过程Fig. 3 Uninstall process

邮轮横倾系统是邮轮压载水系统的一种，如图2中路径所示。横倾系统由左/右横倾舱、横倾泵、遥控阀件、控制单元以及与之连通的管路组成，当横倾角度超过设定值时，控制单元发出命令，启动横倾泵，根据需求调拨左右舱内的压载水量。

1.3.2 卸载过程

卸载过程如图3所示。

以4号压载舱为例，当进行卸载时，如图3中路径所示，启动1号压载水泵，开启4号压载舱隔离阀件，舱内压载水经压载泵吸出，经10，1，2，5号阀件进入AZ（压载水处理装置），在达到IMO《压载水公约》的排放标准后经6，12号阀件排出舷外。

在卸载过程中，舱内水量下降到一定高度时，关闭1号压载水泵，开启扫舱泵，如图3中路径所示将舱内剩余压载水排出舷外。横倾舱因功能特殊，需保留一定压载水量实现左右调拨，故不需要设置扫舱系统。

1.3.3 压载水处理工作原理

2017年9月8日，在各航运国的努力下，《压载水公约》正式生效，所有跨海域航行的船舶必须安装压载水管理系统，且要达到IMO的D-2标准，若航行至美国海域则还需要满足USCG-阶段1（阶段2以现在技术暂时无法达到）标准（见表1）。

邮轮压载水处理装置的处理容量应不小于压载水泵的最大排量，以VISTA邮轮压载水处理系统为例，如图4所示。该装置主要由自清洗过滤器、EUT和冷却单元、控制单元、监测和中和单元组成，圆点表示管路之间有连接。

表 1 D-2与USCG标准对比Tab. 1 Comparison between D-2 and USCG standards

压载时，如图4中路径1所示，海水经自清洗过滤器，EUT处理后进入各压载舱，在处理过程中冷却单元构成循环回路对电解装置降温，反冲洗不定时进行自清洗，并沿路径3将残渣排出舷挖。

图 4 压载水处理系统原理Fig. 4 The principle of ballast water treatment system

卸载时，如图4中路径2所示，压载舱内的压载水无需经过自清洗过滤器，直接进入EUT单元，并流经监测单元，检测TRO值以确定排出舷外前是否加入中和剂，若达标则直接排出舷外。若未达标，在加入中和剂后经检测TRO值小于规定值以下再排出舷外。

自清洗过滤器主要通过一定精度的滤网处理海水中的杂质颗粒，EUT单元经电催化产成大量的羟基自由基灭菌完成消毒过程，超声波单元负责定期清洁电催化单元的表面，控制单元负责整个处理系统的启动和关闭，监测单元负责检测水中的盐度以调节EUT中的电流，在达到IMO标准后实施排放。

2 基于安全返港的邮轮压载水系统设计原则

与散货船、集装箱船等民用商船不同，安全返港（Safe Return to Port）是针对大中型客船的特殊规定，适应范围为长度为120 m或以上且有3个或3个以上主竖区的客船以及载客总数超过240人的特别用途船舶。在2000年IMO海上安全委员会第73次会议上正式提出，并于2006年年末通过，2010年7月正式生效成为强制性规则[10]。

安全返港是对压载水系统、舱底系统等成体系的冗余设计理念，目的是确定设计标准，在邮轮一定界限内发生事故时，压载水系统、推进系统等能够正常运行，提升邮轮在发生未超出规范所规定界限的事故后能够依靠自身条件安全返回最近港口，且能维持船上人员基本生活的能力，减少弃船撤离的可能性。

2.1 事故分类与边界

SOLAS公约第21条所规定的事故分为进水和火灾两类，对于进水，SOLAS公约第8-1条所规定为的单个水密舱室进水[16]。对于火灾，若失火处安装有灭火装置，则事故范围为失火处至最近的A级边界。若没有设置灭火系统，范围将扩大至事故相邻处的A级边界。

进水事故边界为水密舱壁，火灾边界根据耐火性分为A/B/C三类，A类耐火性能最好。

2.2 压载设计系统要点

安全返港的实质是压载水系统在事故边界内的部分允许失去，事故边界外的部分应保持正常运行。为满足其要求，压载水系统设计要考虑：

1）压载泵的配置与布置

压载泵的布置需考虑冗余配置，通常要求配置两台压载泵，1台作为主用泵，1台作为备用泵，并布置在不同事故界限内，当主设备失灵后，备用设备能够保持运转。压载泵可在紧急情况下作为消防泵使用，但不得用于输送油类。

若2台压载泵没有布置在同一舱室时，其相邻舱壁应该为A级界限的水密舱壁。若相邻布置在同一舱室时，该舱室应设置有灭火保护系统。

2）压载管路布置

在SOLAS公约第12条5.1中规定若将首尖舱作为压载舱，低于干舷甲板的防撞舱壁只允许通过一根管路，且通过防撞舱壁的压载管路上必须设置能在舱壁甲板以上能操纵的截止阀。

压载水总管应布置在A-60防火边界隔离的管隧内部，应保证失火处的压载管路在管隧保护下仍正常工作不受影响。

压载水总管不得穿过冷热饮用水舱和润滑油舱等舱室，若无法避免，在相应舱室内的压载管路应依据舱内介质环境按照船级社的规定设置壁厚。

压载水管路布置应保证在邮轮正常营运条件下都能对各压载舱进行压载和卸载，并避免压载舱内的水进入其他舱室。

压载舱长度超过35 m时应在前后端都设有吸口，且在邮轮正常航行的各角度下均能完成压载水的压载与卸载。

压载管路应使用膨胀接头或补偿器弯头，用来补偿因邮轮船体挠曲导致的管路伸缩量。

3）压载管路阀件布置

压载水总管在穿过A级边界（水密舱壁）时，需根据边界两侧是否为火源区域设置隔离阀。压载水因需两相流动，故在管路中不可设置止回阀。

各压载舱支管通过隔离阀并入压载总管，隔离阀件应易于操纵且在区域内不因事故发生受到影响，当任一压载舱的支管因事故失效后，可通过控制隔离阀使事故界限以外的压载管路正常工作。

3 压载水系统的主要参数及计算

3.1 压载/扫舱泵的确定原则

1）台数

挪威DNV船级社规定所有的压载舱应连接至少2台压载泵，故邮轮上一般设置2台压载泵。扫舱泵由喷射泵充当，由邮轮通用泵中任意一个提供动力水。通常配备2台，分别负责邮轮前半部分和后半部分的压载舱，并具有适当的交叉连接，以便任何1台扫舱泵都可以连接至所有压载舱。

2）排量

压载泵的排量主要取决于压载/卸载所需的时间，一般要求压载泵在2～2.5 h内将最大的压载舱注满或排空，6～8 h内将所有压载舱注满或排空。VISTA号邮轮扫舱泵的排量为19.7 m3/h，2台。根据总体结构相关计算得到总压载水量Q为4330.9 m3，压载泵排量q可按下式计算：

式中：Q为邮轮总压载量，m3/h；T为工作时间，h。即压载泵的最小排量为541 m3/h，在考虑压载泵的损失和安全余量下，压载水泵的选型排量为550 m3/h，2台。

3.2 压载水系统管路管径设计

压载管路管径分为2个部分，一是海底门与压载水泵之间的管路，二是压载水泵到压载舱之间的管路，由设计流量和流速决定。

1）海底门与压载水泵之间的管路

压载时，为保证压载效率使压载泵达到额定排量，泵的需要吸入压头不得大于泵的吸口处有效吸入压力，这段管路因为距离不长，可选取压载泵的吸入口直径作为这段管路的直径，基本可满足功能需求。

2）压载泵与压载舱之间的管路

通常压载管路（总管、支管）流速按照2～3 m/s的速度进行设计，排出管路以不大于3 m/s流速进行设计，对采用GRP的压载管路流速可取2～4 m/s进行设计。

式中：d为管路的内径，m；q为3计算下的压载泵排量，m3/h；V为管内流体流速，m/h。

以VISTA邮轮为例，按照流速范围计算得在总管管径范围为0.255～0.311 m，在考虑流量损失和安全余量下，压载总管管径选取DN300。

压载水经总管进入支管时，实际流量并非初始设定值，压载泵在Q-H曲线和压载管路阻力的特性曲线交点处运行，压载支管的管径需考虑实际布置中最不利路径的压力降，需要在进行阻力计算后确定在支管处的实际流量，对管径进行修正。

3.3 压载水系统管路阻力计算

邮轮压载水系统设计还应考虑工作过程中需克服的最大管路阻力损失，即在实际压载管路布置图上最苛刻的阻力情况下的压载/卸载路径。

管路阻力分为沿程阻力损失和局部附件（弯头、阀件等）阻力损失，沿程阻力损失可按Darcy-Weisbach下式计算：

式中：L为管路长度，m；ρ为流体密度，kg/m3；g为重力加速度，9.8 m/s2；λ为管路摩擦阻力系数，具体值多由经验公式和实际管路实验表获得；Σσ为管路中弯头和阀门等阻力系数的累加，V管路内平均流速，m/s。

豪华邮船的管网阻力计算具有很高的综合性和复杂度，要经历初始的估算，实际布置方式的具体计算和最后结合经验公式与仿真模拟3个阶段，确保其压载水系统中最不利位置的压载舱周边管路正常工作。

3.4 压载水系统管路壁厚设计

关于船舶压载管路的壁厚DNVGL-RU-SHIP Pt.4 Ch.1.part4chapter6section9中所规定的公式如下：

受内压的压载管路最小壁厚不小于式（7）计算的值。

式中：t弯为弯管最小壁厚，t直为直管最小壁厚，t0为基本计算壁厚，b为弯曲附加余量（计算管路弯头壁厚时使用），D为管路外径，c为腐蚀余量（按流体类型参照船级社规定选取），R为管路弯头处的曲率半径，mm；P设计压力（大于工作压力），MPa；δ许用应力，N/mm2；e有效系数，DNV船级社规定无缝钢管、以及经认可制造商交付的被认为等同于无缝钢管的焊钢管为1，其他认可管路制造商的焊接管路为0.9，其中管路的许用应力δ应取下列公式计算的最小值。

4 结 语

进军大型邮轮领域是迈向海洋强国的重要标志，压载水系统作为邮轮最重要的辅助系统之一，其设计应跳出传统船舶压载水系统的固有模式，在实际设计中需按照邮轮与传统船舶的异同点，分析其差异对邮轮压载水系统的影响因素。由于大型邮轮超高的复杂性和综合性，在实际建造中应该从根本上转变设计理念。基于邮轮的工况特点，运用特殊的设计理念，不断地探索和完善，设计符合邮轮需求的压载水系统，助力我国顺利实现大型邮轮压载水系统的自主设计以及国产化工程应用。