两型敞口多用途船货舱喷淋系统及舱底系统设计方案比较

高晶,徐麟,王翊

(上海船舶研究设计院,上海 200032)

随着货物的重型化和大型化,船东的需求逐渐转向可载运超长超高尺寸货品的多用途船。敞口多用途船可采用两种模式航行:货舱无舱口盖模式航行和货舱带舱口盖模式航行。在无舱口盖模式下,载货范围在高度方向上可进一步扩展,用于装载风力发电机、重型机械、海底电缆卷车等超高货件,同时其装卸货时不需要调离舱盖,可减少码头装卸货的时间,增强载货的适应性和便利性[1]。SOLAS要求1 000总t以上货船的货舱应设有固定式气体灭火系统或者固定式泡沫灭火系统,常规货舱一般采用CO2气体灭火。当货舱处于敞口状态时,释放的气体从货舱顶部开敞口逃逸,舱内积聚的气体无法达到灭火所需的浓度,因此常规的气体灭火方式并不适用。当货舱部分或完全开敞时,由于雨水或者上浪带来的大量海水如不及时排出会在舱内形成自由液面严重影响船舶稳性。常规的舱底水系统是针对封闭货舱,无法满足敞口货舱的排水需求。目前业界对敞口多用途船消防和舱底系统的设计方案还在探索中。IACS提出的《敞口集装箱船临时导则》中只给出了针对敞口集装箱船的要求,未给出针对敞口多用途船的要求。各大船级社对于敞口多用途船的消防和舱底系统的要求有差异,敞口多用途船消防和舱底系统的设计尚未形成成熟的设计方案。以13 000 DWT重吊多用途船和13 500 DWT重吊多用途船两型船的消防和舱底水系统为例,提出两种设计方案,进行对比分析。

1 敞口货舱喷淋的设计

1.1 敞口货舱喷淋的规范要求

SOLARS II-2/第10条7.1.3要求,除滚装处所和车辆处所外,1 000总吨及以上货船上的货物处所应由符合《消防安全系统规则》规定的固定式CO2灭火系统或固定式惰性气体灭火系统加以保护,或由能提供等效保护的灭火系统给予保护[2]。

IMO在Circular.608《敞口集装箱船的临时指南》中指出:如敞口货舱装载可燃货品时,应设置喷淋系统作为气体灭火系统的等效替代[3]。GL船级社要求多用途船的敞口货舱喷淋系统应能从甲板平面下将水雾喷入货舱,该水雾应视为消防措施的一种,至少应有1台专用水泵用于货舱喷淋系统,喷淋范围应覆盖整个货舱水平面,喷淋密度应不小于5 L/(min·m2)。当专用水泵不能工作时,为在该敞口货舱内保持适当的喷雾型式,可连通另一替换水源来完成,替代水源的供水量应至少达到所需喷淋总量的50%。DNV船级社要求,敞口货舱应设置固定式水炮进行喷淋灭火。至少设有2台水炮,1台布置在货舱前,1台布置在货舱后。每台水炮的水量应按表1选取。敞口货舱的每一区域应至少能被1台水炮的水柱覆盖。水炮的保护范围不应超过水炮最大射程的75%。

表1 水炮喷淋水量要求

1.2 13 000 DWT重吊多用途船敞口货舱喷淋系统的设计

上海船舶研究设计院为INTERMARINE&PD设计的13 000 DWT重吊多用途船是国内设计建造的首型敞口多用途船,其申请了GL的Hatchcoverless敞口附加符号。该船设有两个货舱,1号货舱长7.5 m、宽20 m,容积为约1 539 m3;2号货舱长105.45 m、宽20 m,容积为约25 128 m3,2号货舱可在船舶航行中采用敞口模式。

1.2.1 喷淋水量计算和喷淋水泵配置

按照IMO Resolution A. 123(V)《对于特殊货物处所的固定式水消防系统的建议》,喷淋覆盖区可划分为多个与货舱等宽的保护区域,每个区域不少于20 m,喷淋系统满足两个相邻保护区同时释放的需求[3].将2号货舱划分为5个与货舱等宽、长度不小于20 m的区域。每个喷淋保护区的供水由独立的截止阀控制,控制阀布置在货舱旁的空舱内。喷淋泵的排量满足两个最大且相邻保护区域同时喷淋的水量要求。分区长度分别为:①20.3 m;②21.7 m;③20.8 m;④22.1 m;⑤20.6 m,宽度均为20 m。可见②和③区合并面积最大,喷淋水量计算见表2。

表2 2号货舱敞口喷淋水量计算

计算值为覆盖保护区域所需最小理论水量,考虑到喷头的覆盖区域会存在一定的重叠,喷淋泵选型时应在计算值的基础上增加10%～15%的余量。喷淋泵的最终排量需按照实际安装的喷头总数和单个喷头的水量核算。船上设有3台水泵可提供喷淋水,船艏设有1台满足100%喷淋水量的喷淋水泵。机舱内2台消防舱底总用泵也接入喷淋管路,当独立的喷淋泵失效时,2台消防泵的可提供50%的喷淋水量。

1.2.2 喷淋系统喷头的选型和布置

喷淋系统的喷头安装在舱口围处,由左右两侧向船中喷射,一侧喷头的最大射程可覆盖船中。喷淋水柱受出口压力和重力的影响,呈抛物线轨迹落在甲板面上。只采用一种类型的喷头是无法满足射程到达船中且同时覆盖货舱纵舱壁近处区域.因此喷淋系统的喷头采用了两种形式:型号22EAX1FF-35为长程喷头,覆盖沿货舱纵舱壁向外2.4～8.6 m的范围;型号22EAX1/2HH-40W为短程喷头,覆盖沿货舱纵舱壁至4.3 m的范围,见图1。两种喷头需为FULL CONE形式,确保喷淋水柱抵达的区域无盲区。

图1 喷头覆盖范围

喷头在沿舱口围在船长方向上均布,确保水柱覆盖整个货舱水平面。确定喷头安装高度时需避开舱口围结构的顶部和根部等应力加强区,同时考虑喷头出口角度为向上30°和向下30°情况下的喷射轨迹。为避免被货物损伤,喷头最顶部不能凸出舱口围。舱口围局部弯曲形成凹槽以布置喷头见图2,注意凹槽的范围应适当大于喷头的安装空间,防止构件阻挡喷淋水柱。

图2 舱口围凹槽内喷头布置示意

1.2.3 喷淋管路的布置

沿船长方向设置2根喷淋总管,分别布置在左舷上甲板面和右舷的空舱内。喷淋总管通过截止阀分别与布置在舱口围顶部区域的5段喷淋支管连接。每段喷淋支管上设置Y形出口,两端设有长程喷头和短程喷头,以完全覆盖货舱的左半部分水平面,右舷喷淋水管布置和左舷类似。

1.3 13 500 DWT重吊多用途船喷淋系统的设计

13 500 DWT重吊多用途船申请了DNV的敞口附加符号Hatchcoverless。该船设有2个货舱,2号货舱可在船舶航行中采用敞口模式.按照DNV规范要求,2号货舱设有固定式水炮喷淋系统。2号货舱长105.45 m, 对照规范表格,每台水炮喷淋量为360 m3/h。考虑到水炮如放置在主甲板上,货物和船体结构容易遮挡水柱,在水炮喷射范围中形成盲区。将1台水炮布置在驾驶甲板后端,1台布置在机舱烟囱顶甲板后侧,见图3。

图3 水炮布置位置

每台水炮可在水平面进行0°～360°旋转,在垂直面进行-30°～70°转动,以形成不同的抛物线触及货舱的所有水平面。在驾驶室和消防控制站对水炮的起动和摆动进行遥控,同时也可就地进行操作。基于SOLRAS对消防系统的要求都是基于全船同时只存在1个失火点,因此货舱的着火点只需1台水炮水柱覆盖,该船只设1台水炮泵,排量满足单台水炮喷淋量。水炮泵从海水箱吸水通过喷淋水管供给2台喷淋水炮。

1.4 两种敞口货舱喷淋系统设计方案比较

目前BV、LR、CCS、ABS等各大船级社对敞口多用途船的货舱喷淋系统大多和GL类似,即沿用了Circular.608《敞口集装箱船的临时指南》中对敞口集装箱船的要求,在舱口围左右两侧设置侧向喷淋系统。

1)侧向喷淋系统虽可通过调节喷头的向上仰角覆盖货物的顶部区域,但喷头安装位置上沿受限于舱口围高度,对于超高货件顶端的起火点的覆盖存在盲区。喷淋水炮的布置位置可远远高于舱口围,更容易覆盖超高货件的顶端区域。

2)假定宽度为20 m的货舱,取不同的长度货舱进行喷淋水量测算,见表3。

表3 喷淋水量测算

注1:当单个货舱长度超过40 m时,可将其划分为多个喷淋保护区,最大喷淋水量只需覆盖不超过40 m长的保护区,因此喷淋水需求量不随货舱长度增加。

由表3可见,对于长度小于120 m的货舱水炮喷淋形式所需喷淋水量更小。由于采用水炮的喷淋系统所需喷淋量只和货舱长度有关和货舱宽度无关,当货舱宽度取更大值后,水炮喷淋水量需求更小的优势会更明显。货舱宽度取为15 m进行测算,水炮形式的喷淋水量仍更小。因此对于货舱长度小于120 m的敞口多用途船,采用水炮的喷淋系统对喷淋水量的需求更小。

3)侧向喷淋系统将货舱划分为多个保护区域,每个分区阀需就地操作,在火势蔓延时具有一定的危险。喷淋水炮的摆动和启停可通过远程遥控操作,更为便利和安全。

水炮喷淋系统和侧向喷淋系统比较,具有覆盖范围更高、喷淋水需求量较小、操作安全便利的特点。

2 敞口多用途船舱底水系统的设计

敞口船货舱不设舱口盖,需要考虑3种货舱进水情况:上浪进水,雨水进水,水雾和甲板消防水进水。敞口船货舱的进水量明显要比常规船大,因此需要配置相应的货舱舱底排水系统保证船舶的航运安全[4]。

2.1 13 000 DWT重吊多用途船

GL对敞口多用途船的舱底水系统设计要求沿用了Circular.608《敞口集装箱船的临时指南》,敞口状态下舱底排水系统应具有足够的排水能力,使之能排放下述1)～5)中较大者。

1)由综合模型试验确定的海上航行状态下最大的每小时货舱上浪量。

2)每小时100 mm的降雨量(不考虑所设置的防雨棚)。

3)模型在横浪无动力状态下耐波性试验所测得的货舱每小时上浪量乘以安全系数2。

4)最大敞口货舱内消防所需水量的4/3。

5)相当于封闭货舱所需要的排量。

应至少有3台舱底泵可用于排放货舱舱底水[5]。因此舱底泵的排量需分别计算以上5种情况,取最大值。其中:1)、3)需根据水池试验结果,分别为77 m3/h和141.4 m3/h。2)、5)可通过计算得210.9 m3/h和129.7 m3/h。4)中的消防所需水量需考虑货舱的最大喷淋水量和4只消防栓喷射水量,可得445 m3/h(还需考虑IMDG CLASS1类爆炸品的喷淋,实取舱底泵大于此值)。

设1台独立电动泵作为敞口舱底泵,由主电源和应急电源供电,布置在首部设备间内,当主电源失电或者机舱失火时此泵可正常使用。另采用1台压载/舱底泵的和1台舱底总用泵作为敞口状态下的备用舱底水泵,作为敞口舱底泵失效时的备用。

为了避免开口货舱进水过多,一般设置单向的排水舷口。其临界高度应从满足货舱进水后的稳性残余衡准的要求来确定。根据排水舷口有效性实验,确定直径600 mm的排水舷口可有效排出上浪进水[6]。考虑到船舶纵倾斜横倾时的货舱排水需求和实际安装空间,在2号货舱首尾四角区域各分别设置排水舷口,每处采用2根DN450的钢管联通货舱和外板,管路设置蝶阀和止回阀用于控制管路开闭和防止舷外海水进入货舱,见图4。

图4 排水舷口的设置

2.2 13 500 DWT重吊多用途船

DNV对敞口多用途船的敞口状态下舱底泵排量和配置的要求与GL一致,不再赘述。不同之处在于,其要求舱底水管路应设计为环形总管,并连接3台舱底泵。同时假定货舱进水高度为双层底以上2 m,除非是极浅吃水船,否则满载水线以上设置排水舷口意义不大[7]。

该船的舱底系统设计分为敞口和非敞口两种状态进行考虑。货舱封闭状态下,管弄中设有1根舱底水总管,设支管引至货舱污水井,由机舱内的舱底总用泵排出货舱舱底水。货舱开敞状态下,管弄内的左、右舷压载总管兼做舱底水总管。管路在管弄首部和机舱前端壁处联通,形成环形总管。总管上分别设置舱底水支管引至货舱污水井。机舱区域外设有1台应急舱底泵满足100%舱底水排量,机舱内的两台压载泵兼做备用舱底泵,见图5。

图5 敞口货舱舱底水系统

2.3 货舱舱底水总管的设置

两型船的舱底水系统在排水泵的配置上类似,区别主要在舱底水总管的设置。《敞口集装箱船的临时指南》要求包括管系在内的舱底排水系统应有足够的裕量,使系统在任一系统部件出现故障时仍能完全操作。GL认为每个敞口货舱内设有多个污水井,每个污水井都设有独立的舱底水支管至舱底水总管,单根舱底水支管无法工作时,舱底水可通过其他的舱底水支管排出,系统仍有足够的裕量。DNV规范中明确规定,从系统的冗余性考虑,敞口多用途船的货舱舱底水总管应为环形管路。

13 000 DWT重吊多用途的舱底水总管与常规货船类似,在管弄区域设有一根总管,通过舱底水支管引至每个货舱污水井,管径按舱底泵组最大排出能力核算。13 500 DWT重吊多用途船的舱底水总管采用了环形总管设计。如设置2根舱底水总管在管弄首尾联通形成环形管路,会占用更大的管弄空间,也增加管路重量。该项目采用压载环形总管兼做敞口状态下的舱底水总管的设计方案,避免了增设管路。根据《压载水公约》要求,船舶携带的压载水需经过处理后才允许排放。压载总管兼做舱底总管后,需对压载系统排放水的性质进行甄别。通过监测连接至压载总管上的舱底水支管和压载舱支管上遥控阀的开闭信号,判断管路中输送的是否为舱底水。当压载总管输送舱底水时,可通过压载水处理装置旁通的管路排舷外。反之,则需进入压载水处理装置处理后排出。

3 结论

1)敞口多用途船喷淋的喷淋系统可视为货舱固定式CO2灭火系统的有效替代,喷淋水要覆盖敞口货舱水平表面,可采用舱口围侧向喷淋和固定式水炮喷淋两种形式。

2)当敞口货舱长度小于120 m时,采用水炮的喷淋系统对喷淋水量的需求更小。

3)水炮喷淋系统可覆盖货舱顶部更高范围,水炮可遥控操作,管路的布置更为简单,较侧向喷淋系统而言更具优势

4)货舱排水舷口设置与否要根据残余稳性计算的考量而定。

5)可采用压载总管兼做的方式满足环形舱底水总管的要求。为避免违反压载水公约要求,需对舱底水和压载水管路遥控阀的开闭信息进行记录和比对。

6)IMO尚未通过任何关于敞口多用途船设计的指导规则,喷淋系统和舱底系统的设计方案在满足船级社要求的前提下,还需要得到挂旗国的认可。