82 000 DWT散貨船海上航行時壓載水交換研究

張曙光

（上海海事大學，上海 200135）

1 前言

據統計，每年全球船舶攜帶的壓載水總重量有100多億噸。雖然船舶壓載水是一種必要的現代船舶管理方式，但也會攜帶大量的海洋生物多達7 000余種，包括微生物﹑細菌﹑浮游生物﹑生物包囊等，給各國港口帶來嚴重的生態﹑經濟﹑健康等方面的問題。

按IMO制定的D一1標準（IMO Res.A.868（20）），船舶應在距最近陸地至少200 n mile的深海（水深至少為200 m）的開闊水域進行壓載水交換。若無法實現，則應在距最近陸地至少50 n mile﹑水深至少為200 m的地方進行壓載水交換，或由港口管理當局指定的海域。

2 船舶簡介

本文以某82 000 DWT散貨船為目標船型，其為典型的單殼散貨船，該船性能參數見表1。

表1 主要船型參數

3 船舶航行時壓載水交換的方法

船舶一般是在正常航行過程中進行壓載水交換，不同的交換方法所需要的交換時間及其所帶來的問題不同，需要根據船舶自身情況選擇合適的壓載水交換方法。

3.1 順序法

順序法是先將原有壓載水艙室的水排空，然后用滿足IMO要求的新壓載水將這些艙室重新注滿，保證原有艙室內95%以上的壓載水被置換為新的壓載水。這種方法能使壓載水幾乎被全部地交換，其壓載水泵負荷小﹑交換時問短，但有可能會影響船舶的穩性﹑強度﹑操作性﹑視線。

采用順序法進行壓載水交換時，通常需要進行下列安全評估：

（1）總縱強度：采用順序法時船舶壓載艙處于時滿時空的狀態，所以在做下一步的操作之前，必須校核船體最大彎矩和最大剪力是否滿足要求；假如不對稱地排空壓載水艙，更可能會導致船舶橫傾，并引起扭矩載荷；

（2）自由液面：采用順序法的壓載艙在排空和注滿的過程中，會出現壓載艙部分裝載的情況，如果此時碰上惡劣天氣，壓載艙的壓載水將產生劇烈的晃蕩，有可能導致艙內船體結構產生裂紋危及船舶安全；

（3）最小首部吃水：對首尖艙等首部壓載艙采用順序法，有可能首吃水不滿足規范對最小首吃水的要求；

（4）螺旋槳和舵全浸深：對尾尖艙等尾部壓載艙采用順序法會使尾吃水減小，可能導致螺旋槳和舵葉露出水面，從而會使船舶尾軸的溫度升高對尾軸造成損害，也會造成船體振動和降低船舶的操作性；

（5）完整穩性：壓載艙在排空和注滿過程中，要滿足KG/GM的要求；

（6）視野校核：采用順序法壓載水交換過程中，有可能使船舶尾傾加大時，導致船舶盲區過大，影響船舶安全駕駛。

3.2 溢流法

溢流法是將替換的壓載水泵入已裝載壓載水的壓載艙，同時允許水從溢流口或其他裝置流出。溢流法一般適用于艙頂為主甲板的壓載水艙，如頂邊艙﹑重壓載艙等。這種方法需要每一壓載艙連續泵入水量達到3倍艙容，可視為符合至少交換95%體積的壓載水的標準要求。3倍的交換水量使壓載泵的負荷大﹑交換時間長。但由于壓載艙總是處于滿艙狀態，所以對船舶的穩性和強度的影響可忽略，并可在惡劣的海況下操作。

采用溢流法進行壓載水交換時，通常需要進行下列安全檢查：

（1）空氣管頭：溢流法一般使用空氣管頭作為溢流裝置，如果空氣管頭不工作特別是在冬季被冰封時，將產生壓載艙室的超壓危險，甚至損壞壓載泵；

（2）甲板安全：由于壓載水直接溢流到甲板上，需要保證甲板上的安全通道暢通，同時檢查甲板落水管是否良好，以免造成甲板積水；

（3）壓載水交換完成后檢查：每一個艙壓載完畢后，需要檢查艙的完整密性，同時確保通道關閉并緊固好。

4 壓載水交換時壓載水的布置

基于目標型船82 000 DWT散貨船，將重壓載出港（HBD）和普通壓載出港（NBD）兩種工況作為基本工況進行壓載水交換。

4.1 重壓載出港工況（HBD）

此工況下全船的壓載艙全部滿艙，在滿足一定水深及距港口一定距離的情況下，以及在滿足總縱強度﹑穩性﹑浮態﹑視線的前提下，需要將這些壓載艙所有壓載水按合理的順序及方法全部進行更換。

（1）在HBD工況下船舶尾傾值較大，所以首先將尾尖艙排空原有壓載水，以調節船舶的浮態，將此過程稱為S01；

（2）S01工況完成后船舶尾傾值為Tr=-1.072 m，此時尾部艙室還有一定空間壓載水排放，考慮到視線及浮態，將No.7底邊壓載艙壓載水排放。但校核后發現此時螺旋槳的浸深只達到95%，同時在FR148處的彎矩達到了許用值的107.27%，所以必須重新考慮壓載水交換方案。為此，再次對No.7底邊壓載艙的壓載水排放，表2為不同排放量時的校核結果。

表2 No.7底邊壓載艙交換校核結果

由表2可知，當No.7底邊壓載艙壓載水排掉60%時，螺旋槳浸深達105.2% ，基于許用值的彎矩占比為95.87%，此為在強度和浮態滿足要求前提下其能排放的最大壓載水量。

4.2 普通壓載出港工況（HBD）

（1）重壓載出港工況（HBD）下進行壓載水交換，其對船舶的總縱強度影響甚小，此時的剪力﹑彎矩值小于極限值，所以接下來對No.4號風暴壓載艙壓載水進行處理，將其壓載水全部排空，將此次過程稱為S03。

（2）S03交換工況完成后，此時的船舶狀態等同于普通壓載出港工況（NBD），所以接下來的交換步驟和NBD一樣：

① 使用順序法對No.7底邊壓載艙進行壓載水交換，同時對No.1頂邊壓載艙進行壓載水交換，此次過程稱為S04_05。需要注意的時，當對No.7底邊壓載艙左舷進行壓載水交換時，則對應的對No.1頂邊壓載艙右舷進行壓載水交換，這樣在壓載水交換過程中的船舶總縱強度﹑浮態以及視線等影響最小；

② 按上述同樣的原則，可對No.6底邊壓載艙與No.1底邊壓載艙組合﹑No.5頂邊壓載艙與No.3頂邊壓載艙組合﹑No.5底邊壓載艙與No.3底邊壓載艙組合進行壓載水交換，分別為S06_07，S08_09，S11_12；

③ 在S08_09完成后，為了滿足視線要求，將No.7底邊壓載艙左右舷壓載水排放至滿艙的50%，此步驟為S10；

④ 在上述交換工況校核結果滿足要求前提下，進一步對No.4底邊壓載艙與No.4頂邊壓載艙進行順序法交換壓載水，此次過程稱為S13_14。注意此時底邊艙的右舷和頂邊艙左舷作為組合同時進行；

⑤ 使用順序法完成No.2底邊壓載艙與No.2頂邊壓載艙的壓載水交換，此為S15_16，S17_18；

⑥ 考慮到首部吃水和視線要求，對首尖艙進行溢流法壓載水交換，此方法不影響船舶總縱強度﹑不改變浮態﹑視線等，所以不需要進行校核工作。

⑦ 將No.7底邊壓載艙注入壓載水（S19），使其達到滿足狀態的60%，此時船舶狀態回到了NBD狀態，意味著從交換工況S03開始到S19工況結束，完成了NBD整個壓載水交換工作。

⑧ 將排空的No.4號風暴壓載艙重新注滿新壓載水（S20），緊接著將No.7底邊壓載艙注滿新壓載水（S21），最后將尾尖艙也注滿新壓載水，此時船舶狀態回到了HBD，完成了整個過程的壓載水交換工作。

5 壓載水交換的強度、穩性及視線校核

（1）在重壓載出港工況（HBD）下，從S01～S21共21個步驟完成了全船的壓載水交換工作。重壓載工況的第三個步驟S03和普通壓載出港工況S00相同，所以從重壓載工況的第3個步驟開始，重壓載工況和普通壓載工況的壓載水交換步驟相同。通過NAPA軟件，對壓載水交換過程中的每一個中間工況進行穩性﹑強度﹑浮態﹑視線校核，確保在整個過程中船舶的安全；

（2）整個壓載水交換過程需按CSR要求，必須對每個中間工況進行強度﹑浮態﹑穩性﹑視線的校核。對于強度校核，需滿足在航行工況下的許用彎矩和剪力；

（3）CSR規范要求重壓載工況下最小首吃水要求不小于0.03Lpp或8 m的小者，所以根據首吃水的公式，首吃水需不低于6.7 m；為了保證舵和螺旋槳全部浸沒，尾吃水需為7.355 m；從駕駛室到海平面的視線不能超過兩倍船長或500 m，兩者取小值，本船取500 m。

綜合分析上述21種裝載中間工況，對以HBD和NBD兩種裝載工況的配載結果表明：

（1）在S13_14工況下，當No.4頂/底邊艙壓載水交換時出現了最大靜水彎矩；

（2）在No.7底邊艙排水至60%時出現了最小彎矩和最大剪力；在HBD下出現了最小剪力。上述諸值均滿足了航行工況下的剪力和彎矩許用值；

（3）21個中間工況的穩性﹑橫傾角都滿足要求；螺旋槳浸深也均滿足要求；

（4）對于視線出現了S08-09中間工況不滿足要求，但相對于穩性和浮態而言視線不滿足，加之使用順序法更換壓載水時間較短。但此不滿足要求需備注說明提醒船長。

6 結束語

以HBD和NBD兩種基本初始工況為例，對其壓載水交換過程中所有21個中間工況壓載水布置進行研究表明，要合理的規劃壓載水交換順序以及選擇適當的交換方法，同時要遵循船舶首部艙室與尾部艙室同步且左右舷對稱進行的原則；進行每一步的壓載水交換操作前均應進行總縱強度﹑穩性﹑浮態和視線校核，在保證船舶在整個交換過程中這些性能均滿足要求前提下，合理優化其壓載水布置并給出了最優設計，節省了壓載水交換需要的時間。