油艙容積測(cè)量精度主要影響因素分析

王思銘，胡 禛

(1.招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116；2.上海交通大學(xué)，上海 200240；3.南通中燃船舶燃料有限公司，江蘇 南通 226000)

0 引言

油艙容積測(cè)量是油船貨油裝載量的主要依據(jù)，當(dāng)船舶進(jìn)行貨油轉(zhuǎn)駁時(shí)，液貨的交接量準(zhǔn)確性依賴于油艙容積測(cè)量精度。對(duì)于一條10萬(wàn)噸級(jí)的油輪，當(dāng)艙容測(cè)量偏差0.1%都會(huì)給業(yè)主帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)損失，所以精準(zhǔn)的油艙容積測(cè)量對(duì)于油船的運(yùn)營(yíng)方十分關(guān)鍵。油艙容積測(cè)量主要依賴于根據(jù)測(cè)深數(shù)據(jù)查詢測(cè)深表，現(xiàn)場(chǎng)人員根據(jù)測(cè)深數(shù)據(jù)查詢測(cè)深表得到當(dāng)前的艙室裝載量。影響容積測(cè)量精度的因素有很多，主要可以從制作測(cè)深表本身的精度和現(xiàn)場(chǎng)操作的誤差角度分析，即為設(shè)計(jì)及建造中的誤差影響和現(xiàn)場(chǎng)操作的誤差影響。本文從這兩個(gè)角度出發(fā)，以某阿芙拉型油輪的貨油艙做計(jì)算參考，分析各因素對(duì)油艙容積測(cè)量精度的影響，為現(xiàn)場(chǎng)貨油轉(zhuǎn)駁測(cè)量提供參考。

1 設(shè)計(jì)及建造對(duì)測(cè)量精度的影響

1.1 結(jié)構(gòu)系數(shù)

在船舶設(shè)計(jì)階段，船舶總體工程師會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立三維艙室模型，在船舶穩(wěn)性計(jì)算軟件中直接輸出艙容表。其中，艙室的三維模型為艙室理論線包圍出來(lái)的型模型(見(jiàn)圖1)，即為不考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)(如加強(qiáng)筋和舾裝件)影響的型容積。然后在計(jì)算時(shí)，用結(jié)構(gòu)系數(shù)將該部件所占的體積考慮到艙容中，計(jì)算凈容積。表1為《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：總體分冊(cè)》[1]推薦的各類艙室結(jié)構(gòu)系數(shù)的選取，油艙的結(jié)構(gòu)系數(shù)選取也主要參考其所在的具體位置和布置。從船舶設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，除了海洋工程類的平臺(tái)，航行類的船舶油艙通常布置在內(nèi)艙，以滿足國(guó)際防止船舶造成污染公約(MARPOL)的要求。

圖1 油艙艙室模型

表1 艙室的結(jié)構(gòu)系數(shù)

以某阿芙拉型油輪的貨油艙為例，其典型結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示，可以看出其貨油艙容積很大，使得加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)并不會(huì)占據(jù)艙容很多容積。根據(jù)這條船的貨艙布置及靜水力模型計(jì)算其所有貨油艙的結(jié)構(gòu)系數(shù)(見(jiàn)表2)。可以看出所有貨油艙其結(jié)構(gòu)系數(shù)為0.993～0.995。這個(gè)系數(shù)與表1中推薦的中部貨艙結(jié)構(gòu)系數(shù)數(shù)值相符。需要注意的是在船舶設(shè)計(jì)的時(shí)候計(jì)算艙容常常默認(rèn)取結(jié)構(gòu)系數(shù)為0.985，從船舶設(shè)計(jì)角度出發(fā)，這個(gè)系數(shù)并不會(huì)對(duì)船舶浮態(tài)和工況有性能上的影響。但如果用0.985這個(gè)系數(shù)輸出艙容表，則在實(shí)際操作中，對(duì)于大的貨油艙其總貨油容積的偏差就會(huì)過(guò)大甚至達(dá)到1%，造成容積測(cè)量精度偏低。

圖2 貨油艙框架結(jié)構(gòu)俯視

1.2 測(cè)深基準(zhǔn)不一致

在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)公司根據(jù)圖紙建立三維艙室模型輸出測(cè)深表，需要設(shè)置每個(gè)艙室測(cè)深的基準(zhǔn)點(diǎn)，此時(shí)就需要考慮測(cè)深管的布置。因?yàn)榇蟛糠钟团摰臏y(cè)深管都是直的，一般不存在測(cè)深管系彎折的情況，所以測(cè)深基準(zhǔn)是艙容輸出變差主要的影響因素。設(shè)計(jì)中有的測(cè)深管底部為封閉的形式，底部距離艙室底部約3.33 cm；有的測(cè)深管底部為開(kāi)口的形式，然后在測(cè)深管對(duì)應(yīng)的艙底布置防撞板。前者的測(cè)深基準(zhǔn)距離艙底為測(cè)深管底部封板加上底部封板與艙底的距離；后者的測(cè)深基準(zhǔn)距離艙底為防撞板的厚度。在設(shè)計(jì)初期，艙容表在輸出的時(shí)候可能默認(rèn)選取艙底為測(cè)深基準(zhǔn)，在完工階段忽略了修正測(cè)深基準(zhǔn)與現(xiàn)場(chǎng)的一致性。這樣就使得測(cè)深后的艙容數(shù)據(jù)存在一個(gè)固定的偏差，這種偏差有的達(dá)到十幾厘米，對(duì)于油艙的容積測(cè)量造成很大的誤差，在裝載量不多的情況下，偏差可以達(dá)到10%。需要說(shuō)明的是艙容表并不是必須送審船級(jí)社的報(bào)告，計(jì)算細(xì)節(jié)一般都是由設(shè)計(jì)公司把控的[2]。對(duì)于這種偏差，可以通過(guò)對(duì)比測(cè)深表中艙室裝滿時(shí)的測(cè)深高度與現(xiàn)場(chǎng)量取的測(cè)深管長(zhǎng)的差值，進(jìn)而矯正量取測(cè)深的基準(zhǔn)。

表2 貨油艙室的結(jié)構(gòu)系數(shù)

1.3 油艙變形

此處討論的油艙變形主要為船舶裝載后在總縱彎矩和剪力的作用下，船體發(fā)生中拱或者中垂進(jìn)而帶動(dòng)油艙的結(jié)構(gòu)變形。此為鋼制材料在外力下的彈性變形，是正常裝載下不可避免的船體變形(見(jiàn)圖3)。研究這種變形對(duì)于油艙艙容的影響，可以對(duì)全船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)字建模，并根據(jù)裝載工況計(jì)算船體擾度，然后根據(jù)油艙的布置分析具體油艙的艙容變化。這種數(shù)值分析法可以從理論上算出艙容變化。根據(jù)某典型油船滿載工況下的靜壓力受力分析，其各艙室變形后的艙容相對(duì)于理論艙容的變化為0.01%～0.05%[3]。這種數(shù)值分析方法需要建立結(jié)構(gòu)模型，分析比較復(fù)雜，而且一般現(xiàn)場(chǎng)裝載情況比理論計(jì)算復(fù)雜得多，計(jì)算并不能完全反映實(shí)際情況。但中拱或者中垂是可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)吃水計(jì)算出來(lái)的，所以可以直接通過(guò)測(cè)量船舶的首尾及中部吃水，通過(guò)曲線擬合出船體變形，進(jìn)而近似地求出各艙容的變化[4]。從數(shù)量級(jí)上看，因?yàn)檠b載而發(fā)生的船體變形對(duì)于油艙的艙容影響并不大，在正常操作中可以接受。

圖3 船體變形帶動(dòng)艙室變形示意

2 現(xiàn)場(chǎng)操作對(duì)測(cè)量精度的影響

2.1 橫傾或縱傾下的艙室內(nèi)少量剩余容積

當(dāng)船舶在大的橫傾或者縱傾浮態(tài)下，艙室只有少量裝載的時(shí)候，艙室內(nèi)的液體會(huì)傾斜到一側(cè)的艙底，使得測(cè)深管無(wú)法接觸到液面，進(jìn)而無(wú)法測(cè)量艙室內(nèi)剩余的裝載量(見(jiàn)圖4)。對(duì)于油輪而言，這種情況多發(fā)生于卸貨后，船舶處于空載工況，其浮態(tài)常常處于尾傾浮態(tài)(見(jiàn)圖5)，貨油管在這種情況下不能完全將貨油抽出，使得艙室內(nèi)留有少量液貨。如果這時(shí)只是因?yàn)闇y(cè)深管測(cè)量不到艙容就判定艙容為空，將會(huì)忽略非常可觀的剩余液貨容積，一般留在艙底的貨油容積不會(huì)超過(guò)艙室總?cè)萘康?%。測(cè)量少量剩余貨油可以根據(jù)API MPMS 17.4中建議的方法，通過(guò)打開(kāi)少量剩余貨油附近的艙口蓋測(cè)深剩余貨油高度，再根據(jù)艙室的形狀和艙口蓋的位置計(jì)算相應(yīng)的容積。理論計(jì)算示意圖如圖6所示，圖中L，D為艙室的形狀參數(shù)，U為艙口蓋的位置，S為剩余貨油高度。

圖4 橫傾或縱傾下的少量裝載示意

圖5 某油輪空載工況浮態(tài)

圖6 油艙剩余液貨的測(cè)量

2.2 橫傾和縱傾修正的影響

在現(xiàn)實(shí)操作中油艙容積測(cè)量精度最主要的影響因素是人為操作不規(guī)范，即在艙容測(cè)量的過(guò)程中忽略了一些因素而導(dǎo)致使用錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)計(jì)算艙容，其中最容易讓人忽略的就是傾斜問(wèn)題。船舶在傾斜浮態(tài)下油艙的液面為水平面，而測(cè)深管隨著船體的傾斜一起傾斜，使得液面在測(cè)深管位置的測(cè)深高度與船舶在正浮時(shí)的高度不一致，顯然此時(shí)的測(cè)深高度變化與測(cè)深管在艙室中的布置和船體傾斜角度有關(guān)。只有當(dāng)測(cè)深管布置在艙室的中心時(shí)，且艙室為規(guī)則的形狀時(shí)，傾斜才不會(huì)對(duì)測(cè)深高度有影響。除了這種少見(jiàn)的特殊情況，一般都需要對(duì)測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行橫傾和縱傾修正，才能得到正確的容積。

2.3 溫度的影響

對(duì)于油艙而言，在測(cè)深的時(shí)候溫度也是很容易被忽略的問(wèn)題。燃油的密度和體積隨著溫度的變化而變化，正常情況下只要測(cè)得油溫進(jìn)行換算就可以得到相應(yīng)的密度。然而現(xiàn)場(chǎng)情況卻復(fù)雜得多，有時(shí)因?yàn)闇夭顔?wèn)題使得油艙內(nèi)的油上層和下層溫度不一致，這種情況就需要測(cè)量不同深度下的溫度以計(jì)算油艙的裝載。有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)貨油轉(zhuǎn)駁時(shí)，供油船的油到了受油方溫度發(fā)生變化，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)駁的體積發(fā)生變化，這時(shí)需要多次分不同深度測(cè)量燃油溫度以得到準(zhǔn)確值。如果忽略油溫的影響，會(huì)造成一部分燃油裝載消失了的表象。

2.4 重油的測(cè)深

測(cè)深管體設(shè)計(jì)有連通孔和透氣孔(見(jiàn)圖7)，使得艙內(nèi)的液面高度與測(cè)深管內(nèi)保持一致。如果當(dāng)測(cè)深管的連通孔偏小時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)駁重油時(shí)，因?yàn)橹赜偷拿芏却笄茵こ矶雀撸湓趧傓D(zhuǎn)駁到船上的時(shí)候，重油就需要比較長(zhǎng)的時(shí)間才能使得測(cè)深管內(nèi)的液面高度與油艙一致。如果轉(zhuǎn)駁后馬上測(cè)量重油艙的艙容，測(cè)深管內(nèi)的重油深度還沒(méi)有穩(wěn)定，就會(huì)得到比真實(shí)艙容小的測(cè)深高度。這種情況需要等待一段時(shí)間，間隔測(cè)量多次，進(jìn)行比對(duì)得到穩(wěn)定的測(cè)深高度時(shí)才是準(zhǔn)確的。

圖7 測(cè)深管典型設(shè)計(jì)

3 結(jié)語(yǔ)

油艙容積的測(cè)量精度受到設(shè)計(jì)建造環(huán)節(jié)和現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)節(jié)多種因素的影響。其中在設(shè)計(jì)建造環(huán)節(jié)主要為艙容表制作的精度，關(guān)鍵影響因素是油艙結(jié)構(gòu)系數(shù)的選取和測(cè)深基準(zhǔn)與現(xiàn)場(chǎng)的一致性。在現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)節(jié)主要為容易被忽略的人為因素，包括少量剩余容積、橫傾和縱傾修正、燃油溫度和測(cè)深管連通孔重油測(cè)深的影響。