内河滚装船舶滚装处所压力水雾系统的优化设计

龚旭诚， 俞 赟

(中国船舶及海洋工程设计研究院， 上海 200011)

0 引 言

汽车滚装船作为一种用来运输车辆的船舶，具有运载量大和装载时间短等特点。目前我国大部分商品汽车滚装船都在长江流域营运，停靠的码头主要分布在重庆、武汉和上海一带。2016年长江三峡新建升船机的试通航使得船舶通过三峡的时间大大缩短，进一步提升了运输效率。由于升船机对装载的船舶的尺度和重量有一定的限制，加上近年来船舶技术的不断发展和环保意识的不断增强，我国的商品汽车滚装船面临着新一轮更新换代。自2017年起，已有多家船务公司投入运营升船机型滚装船，有效解决了车辆进出四川和重庆的难题，有力支援了长江经济带建设和中西部大开发[1]。

由于汽车滚装船装载的货物为汽车，其发生火灾的可能性比其他干散货船大，火灾扩散更迅速，可能会造成较大的人员伤亡和财产损失。2004年11月16日，一艘由烟台驶往大连的汽车滚装船因装载的车辆相互碰撞，造成油箱破裂，引起火灾，该船甲板以上部分全部被烧毁，直接经济损失达3 000万余元[2]。此外，近年来电动汽车的发展使得滚装船增加了充电桩等额外设备，这些设备在使用时同样有引发火灾的可能，丹麦一艘客滚船就曾因给电动车充电而引发电池爆炸和火灾[3]。

因此，水雾系统作为船舶滚装处所的一种消防工具，具有扑灭火灾和防止火灾进一步扩散的作用，是船舶的重要系统之一。然而，滚装船的水雾系统的规模较大，管路遍布每层车辆甲板，对船舶的装载性能有显著影响，在船舶设计建造过程中应格外关注。在保证消防系统的功能性的前提下，应降低其对船舶性能的影响。如何平衡安全性与经济性之间的矛盾，是现今经济性考核指标日趋增加和船舶安全性能要求日益提高的大环境下，摆在船型开发人员面前的课题。本文以某型内河商品汽车滚装船为例，讨论内河滚装船水雾系统设计的注意事项和优化手段。

1 设计依据

1.1 现状分析

根据中国船级社《内河船舶法定检验技术规则》第5篇第3.7.2.3节的要求，滚装处所的固定式压力水雾系统必须能对滚装处所进行分区保护，当某区域发生火情时，仅要求该区域的压力水雾工作即可，不必这层甲板的压力水雾同时工作。分区的划分一般要求每个分区能覆盖滚装甲板整个宽度范围，长度不小于20 m，以保证不会因分区长度过短而导致压力水雾的作用范围未能覆盖起火区域。

压力水雾的喷水强度：对于甲板层高不足2.5 m的区域，应至少提供3.5 L/(min·m2)水量；对于甲板层高大于等于2.5 m的区域，应至少提供5 L/(min·m2)水量；对于滚装处所的坡道，应至少提供5 L/(min·m2)水量，防止火焰通过坡道开口向上扩散。压力水雾的供水泵流量应满足任意甲板2个分区和向上坡道区域的持续供水，其压力应满足所有水雾喷嘴的工作压力需求。

1.2 设计思路和优化措施

1.2.1 喷嘴选型及典型布置

在设计水雾系统时，首先对水雾喷嘴的特性和设计压力进行确定。水雾喷嘴的特性分为雾化角度α和流量系数k。

1) 流量系数k是考核水雾喷头的工作性能和水雾灭火系统设计的重要参数，代表喷嘴流量与供水压力平方根的比值为常数[4]，用于计算水雾喷嘴在设计压力下的流量。

2) 雾化角度a与覆盖范围相关，一般根据水雾喷嘴的出厂试验确定。对于同样型号的喷嘴，通常其流量系数恒定，雾化角度随压力的增大而增加，但总体变化幅度不大，仍与喷嘴出口处的设计有关[5]。

3) 当确定了k和α之后，通过调整外部参数供水压力p和距被保护区域的距离h，在流量-压力特性曲线(见图1)和高度-覆盖半径曲线(见图2)上选取相应的工作点，可获得不同的喷嘴流量和覆盖范围。

在确定了喷嘴的流量Q和覆盖半径r之后，可计算相邻喷嘴的最大间距。当喷嘴呈矩形布置时，为了使喷嘴的保护范围能完整地覆盖被保护区域，矩形对角长度不能大于2倍的保护半径，即边长不大于0.7r，见图3。图3是较为理想的覆盖范围，当间距为0.7r时，各喷嘴的覆盖范围重合部分最小，使水雾能尽量均匀覆盖。

图3 喷嘴组合覆盖区域示意

1.2.2 分区划分

为达到规范要求的消防效果，首先应对每层甲板的滚装区域进行分区处理。分区的意义在于，在保证消防效果的前提下，减小水雾系统的负担。因此，在进行分区划分时，应尽量将每个分区的长度调整至接近但不小于20 m。在初步划分时，可将滚装区域长度除以20 m，将所得数值的整数部分作为分区的数量。例如，某滚装处所的长度为70 m，最佳分区为3×23 m，系统的最小容量应满足最大2个分区，即2×23 m；若滚装处所的长度为84 m，则分区相应调整为4×21 m，最大2分区为2×21 m。通过比较可发现，滚装处所的水雾系统容量与滚装区域的长度并无直接关系，而是与分区划分之后最大2个分区的长度有关。

对于分区划分过程中的优化措施，除了尽量均分整个滚装区域的长度以外，还应根据选型喷嘴的覆盖范围进行调整，避免相邻分区的喷嘴的覆盖范围过多地重叠。例如，对于长度为70 m的滚装处所，选用的喷嘴最大间距为2.8 m，若按长度方向23 m、23 m、23 m分区，则各分区的喷嘴数量为9列、9列、9列；若调整分区长度，按22.4 m、22.4 m、25.2 m分区，则各分区的喷嘴数量调整为8列、8列、9列，相比优化前减少了2个喷嘴。

1.2.3 管网设计

车辆舱水雾喷嘴的供水管网应能持续地向每个水雾喷嘴供水。为保证水流能在喷嘴处正常雾化，管网末端喷嘴处的压力应不低于喷嘴的设计工作压力。管网可分为总管和支管，其中总管由分区控制阀区(位于滚装处所外的一个集中区域内)接至各分区，各分区的总管相互独立。因喷嘴覆盖全部滚装处所，水雾系统管网的规模庞大，干管重量约占全船管系重量的30%，占空船重量的1%～2%。因此，水雾管网的布置对船舶的装载量和稳性有显著的影响，管网的优化着重于重量控制。

对于总管的设置，共有3种布置方案，其中：1为船中单总管；2为舷侧单总管；3为舷侧双总管。

为方便比较各方案的利弊，以某型船的一层滚装甲板为例进行分析，则3种方案的配置见图4～图6。

图4 方案1管网布置

图5 方案2管网布置

图6 方案3管网布置

对于管材重量，3种方案的比较见表1和表2。

表1 管网方案对比(总管)

表2 管网方案对比(支管)

通过比较可发现：在总管的布置上，方案1和方案2比方案3减轻了约15%，这是由于方案3采用了双总管，在流通面积的利用率上不如单总管；在支管的布置上，由于受到总管布置的影响，方案1比方案2和方案3减轻了约50%。综合比较这一区域的管网，方案1的重量比方案2减少约420 kg，比方案3减少约870 kg。因此，在管网的设计上，结合特定滚装区域形状，应尽量以方案1的布置形式为原则，支管管路短，管径小，重量轻，水流分布合理，易到达末端。

1.2.4 其他优化措施

在分区划分和管网设计完成之后，可对系统做进一步的深度优化。首先可考虑从相同外径的管材中选取壁厚较小的规格，这样不仅能减小管材的单位长度重量，而且能增加其流通面积，有利于选取较小的管径。此外，在管网初步设计完成之后的阻力计算中，在保证喷嘴处的压力能满足覆盖范围需求的条件下，可通过减小管径增加管内流速，同时平衡消防水泵提供的压力与管网阻力损失，必要时增加水泵的排出压力。通过增加管内的水压达到减小管径、减轻管网重量的目的。一般以管内实际流速不超过3.5 m/s、水泵压力不超过1.0 MPa为参考。

1.3 实船优化成果

以某型标准装车数为800辆的滚装船为例，原始设计与各优化手段实施之后的重量比较见表3。

表3中序号3所述方案中的理论最小壁厚管材参照中国船级社《钢制海船入级规范》中对一般用管的最小壁厚要求选取。由于该壁厚管材在实际建造中因难以采购，因此允许选取接近的规格。根据生产设计的三维模型，该系统的最终重量约为17 t，相比原始设计减轻了约17 t。若按装载的标准车(重约1.25 t)，在装车空间足够的前提下，优化该系统之后可多装载13辆标准车，占装车数的1.6%，对船舶的装载能力有显著的提升作用。

表3 滚装船水雾系统各方案描述和重量比较

2 结 语

压力水雾系统作为滚装船的一个全船性质的系统，在设计上具有很大的优化潜力和收益。在设计时应比较各种方案下的水雾系统，保证选取的喷嘴与分区划分方案匹配，且最优，避免分区重叠造成系统冗余度过大。同时，应注意优化管网设计，平衡管径与压力损失之间的矛盾，减轻系统重量，为船舶提供更大的载重裕度。