內(nèi)河滾裝船舶滾裝處所壓力水霧系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

龔旭誠， 俞 赟

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院， 上海 200011)

0 引 言

汽車滾裝船作為一種用來運(yùn)輸車輛的船舶，具有運(yùn)載量大和裝載時間短等特點(diǎn)。目前我國大部分商品汽車滾裝船都在長江流域營運(yùn)，?？康拇a頭主要分布在重慶、武漢和上海一帶。2016年長江三峽新建升船機(jī)的試通航使得船舶通過三峽的時間大大縮短，進(jìn)一步提升了運(yùn)輸效率。由于升船機(jī)對裝載的船舶的尺度和重量有一定的限制，加上近年來船舶技術(shù)的不斷發(fā)展和環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，我國的商品汽車滾裝船面臨著新一輪更新?lián)Q代。自2017年起，已有多家船務(wù)公司投入運(yùn)營升船機(jī)型滾裝船，有效解決了車輛進(jìn)出四川和重慶的難題，有力支援了長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)和中西部大開發(fā)[1]。

由于汽車滾裝船裝載的貨物為汽車，其發(fā)生火災(zāi)的可能性比其他干散貨船大，火災(zāi)擴(kuò)散更迅速，可能會造成較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。2004年11月16日，一艘由煙臺駛往大連的汽車滾裝船因裝載的車輛相互碰撞，造成油箱破裂，引起火災(zāi)，該船甲板以上部分全部被燒毀，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3 000萬余元[2]。此外，近年來電動汽車的發(fā)展使得滾裝船增加了充電樁等額外設(shè)備，這些設(shè)備在使用時同樣有引發(fā)火災(zāi)的可能，丹麥一艘客滾船就曾因給電動車充電而引發(fā)電池爆炸和火災(zāi)[3]。

因此，水霧系統(tǒng)作為船舶滾裝處所的一種消防工具，具有撲滅火災(zāi)和防止火災(zāi)進(jìn)一步擴(kuò)散的作用，是船舶的重要系統(tǒng)之一。然而，滾裝船的水霧系統(tǒng)的規(guī)模較大，管路遍布每層車輛甲板，對船舶的裝載性能有顯著影響，在船舶設(shè)計建造過程中應(yīng)格外關(guān)注。在保證消防系統(tǒng)的功能性的前提下，應(yīng)降低其對船舶性能的影響。如何平衡安全性與經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾，是現(xiàn)今經(jīng)濟(jì)性考核指標(biāo)日趨增加和船舶安全性能要求日益提高的大環(huán)境下，擺在船型開發(fā)人員面前的課題。本文以某型內(nèi)河商品汽車滾裝船為例，討論內(nèi)河滾裝船水霧系統(tǒng)設(shè)計的注意事項(xiàng)和優(yōu)化手段。

1 設(shè)計依據(jù)

1.1 現(xiàn)狀分析

根據(jù)中國船級社《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》第5篇第3.7.2.3節(jié)的要求，滾裝處所的固定式壓力水霧系統(tǒng)必須能對滾裝處所進(jìn)行分區(qū)保護(hù)，當(dāng)某區(qū)域發(fā)生火情時，僅要求該區(qū)域的壓力水霧工作即可，不必這層甲板的壓力水霧同時工作。分區(qū)的劃分一般要求每個分區(qū)能覆蓋滾裝甲板整個寬度范圍，長度不小于20 m，以保證不會因分區(qū)長度過短而導(dǎo)致壓力水霧的作用范圍未能覆蓋起火區(qū)域。

壓力水霧的噴水強(qiáng)度：對于甲板層高不足2.5 m的區(qū)域，應(yīng)至少提供3.5 L/(min·m2)水量；對于甲板層高大于等于2.5 m的區(qū)域，應(yīng)至少提供5 L/(min·m2)水量；對于滾裝處所的坡道，應(yīng)至少提供5 L/(min·m2)水量，防止火焰通過坡道開口向上擴(kuò)散。壓力水霧的供水泵流量應(yīng)滿足任意甲板2個分區(qū)和向上坡道區(qū)域的持續(xù)供水，其壓力應(yīng)滿足所有水霧噴嘴的工作壓力需求。

1.2 設(shè)計思路和優(yōu)化措施

1.2.1 噴嘴選型及典型布置

在設(shè)計水霧系統(tǒng)時，首先對水霧噴嘴的特性和設(shè)計壓力進(jìn)行確定。水霧噴嘴的特性分為霧化角度α和流量系數(shù)k。

1) 流量系數(shù)k是考核水霧噴頭的工作性能和水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計的重要參數(shù)，代表噴嘴流量與供水壓力平方根的比值為常數(shù)[4]，用于計算水霧噴嘴在設(shè)計壓力下的流量。

2) 霧化角度a與覆蓋范圍相關(guān)，一般根據(jù)水霧噴嘴的出廠試驗(yàn)確定。對于同樣型號的噴嘴，通常其流量系數(shù)恒定，霧化角度隨壓力的增大而增加，但總體變化幅度不大，仍與噴嘴出口處的設(shè)計有關(guān)[5]。

3) 當(dāng)確定了k和α之后，通過調(diào)整外部參數(shù)供水壓力p和距被保護(hù)區(qū)域的距離h，在流量-壓力特性曲線(見圖1)和高度-覆蓋半徑曲線(見圖2)上選取相應(yīng)的工作點(diǎn)，可獲得不同的噴嘴流量和覆蓋范圍。

在確定了噴嘴的流量Q和覆蓋半徑r之后，可計算相鄰噴嘴的最大間距。當(dāng)噴嘴呈矩形布置時，為了使噴嘴的保護(hù)范圍能完整地覆蓋被保護(hù)區(qū)域，矩形對角長度不能大于2倍的保護(hù)半徑，即邊長不大于0.7r，見圖3。圖3是較為理想的覆蓋范圍，當(dāng)間距為0.7r時，各噴嘴的覆蓋范圍重合部分最小，使水霧能盡量均勻覆蓋。

圖3 噴嘴組合覆蓋區(qū)域示意

1.2.2 分區(qū)劃分

為達(dá)到規(guī)范要求的消防效果，首先應(yīng)對每層甲板的滾裝區(qū)域進(jìn)行分區(qū)處理。分區(qū)的意義在于，在保證消防效果的前提下，減小水霧系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。因此，在進(jìn)行分區(qū)劃分時，應(yīng)盡量將每個分區(qū)的長度調(diào)整至接近但不小于20 m。在初步劃分時，可將滾裝區(qū)域長度除以20 m，將所得數(shù)值的整數(shù)部分作為分區(qū)的數(shù)量。例如，某滾裝處所的長度為70 m，最佳分區(qū)為3×23 m，系統(tǒng)的最小容量應(yīng)滿足最大2個分區(qū)，即2×23 m；若滾裝處所的長度為84 m，則分區(qū)相應(yīng)調(diào)整為4×21 m，最大2分區(qū)為2×21 m。通過比較可發(fā)現(xiàn)，滾裝處所的水霧系統(tǒng)容量與滾裝區(qū)域的長度并無直接關(guān)系，而是與分區(qū)劃分之后最大2個分區(qū)的長度有關(guān)。

對于分區(qū)劃分過程中的優(yōu)化措施，除了盡量均分整個滾裝區(qū)域的長度以外，還應(yīng)根據(jù)選型噴嘴的覆蓋范圍進(jìn)行調(diào)整，避免相鄰分區(qū)的噴嘴的覆蓋范圍過多地重疊。例如，對于長度為70 m的滾裝處所，選用的噴嘴最大間距為2.8 m，若按長度方向23 m、23 m、23 m分區(qū)，則各分區(qū)的噴嘴數(shù)量為9列、9列、9列；若調(diào)整分區(qū)長度，按22.4 m、22.4 m、25.2 m分區(qū)，則各分區(qū)的噴嘴數(shù)量調(diào)整為8列、8列、9列，相比優(yōu)化前減少了2個噴嘴。

1.2.3 管網(wǎng)設(shè)計

車輛艙水霧噴嘴的供水管網(wǎng)應(yīng)能持續(xù)地向每個水霧噴嘴供水。為保證水流能在噴嘴處正常霧化，管網(wǎng)末端噴嘴處的壓力應(yīng)不低于噴嘴的設(shè)計工作壓力。管網(wǎng)可分為總管和支管，其中總管由分區(qū)控制閥區(qū)(位于滾裝處所外的一個集中區(qū)域內(nèi))接至各分區(qū)，各分區(qū)的總管相互獨(dú)立。因噴嘴覆蓋全部滾裝處所，水霧系統(tǒng)管網(wǎng)的規(guī)模龐大，干管重量約占全船管系重量的30%，占空船重量的1%～2%。因此，水霧管網(wǎng)的布置對船舶的裝載量和穩(wěn)性有顯著的影響，管網(wǎng)的優(yōu)化著重于重量控制。

對于總管的設(shè)置，共有3種布置方案，其中：1為船中單總管；2為舷側(cè)單總管；3為舷側(cè)雙總管。

為方便比較各方案的利弊，以某型船的一層滾裝甲板為例進(jìn)行分析，則3種方案的配置見圖4～圖6。

圖4 方案1管網(wǎng)布置

圖5 方案2管網(wǎng)布置

圖6 方案3管網(wǎng)布置

對于管材重量，3種方案的比較見表1和表2。

表1 管網(wǎng)方案對比(總管)

表2 管網(wǎng)方案對比(支管)

通過比較可發(fā)現(xiàn)：在總管的布置上，方案1和方案2比方案3減輕了約15%，這是由于方案3采用了雙總管，在流通面積的利用率上不如單總管；在支管的布置上，由于受到總管布置的影響，方案1比方案2和方案3減輕了約50%。綜合比較這一區(qū)域的管網(wǎng)，方案1的重量比方案2減少約420 kg，比方案3減少約870 kg。因此，在管網(wǎng)的設(shè)計上，結(jié)合特定滾裝區(qū)域形狀，應(yīng)盡量以方案1的布置形式為原則，支管管路短，管徑小，重量輕，水流分布合理，易到達(dá)末端。

1.2.4 其他優(yōu)化措施

在分區(qū)劃分和管網(wǎng)設(shè)計完成之后，可對系統(tǒng)做進(jìn)一步的深度優(yōu)化。首先可考慮從相同外徑的管材中選取壁厚較小的規(guī)格，這樣不僅能減小管材的單位長度重量，而且能增加其流通面積，有利于選取較小的管徑。此外，在管網(wǎng)初步設(shè)計完成之后的阻力計算中，在保證噴嘴處的壓力能滿足覆蓋范圍需求的條件下，可通過減小管徑增加管內(nèi)流速，同時平衡消防水泵提供的壓力與管網(wǎng)阻力損失，必要時增加水泵的排出壓力。通過增加管內(nèi)的水壓達(dá)到減小管徑、減輕管網(wǎng)重量的目的。一般以管內(nèi)實(shí)際流速不超過3.5 m/s、水泵壓力不超過1.0 MPa為參考。

1.3 實(shí)船優(yōu)化成果

以某型標(biāo)準(zhǔn)裝車數(shù)為800輛的滾裝船為例，原始設(shè)計與各優(yōu)化手段實(shí)施之后的重量比較見表3。

表3中序號3所述方案中的理論最小壁厚管材參照中國船級社《鋼制海船入級規(guī)范》中對一般用管的最小壁厚要求選取。由于該壁厚管材在實(shí)際建造中因難以采購，因此允許選取接近的規(guī)格。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)計的三維模型，該系統(tǒng)的最終重量約為17 t，相比原始設(shè)計減輕了約17 t。若按裝載的標(biāo)準(zhǔn)車(重約1.25 t)，在裝車空間足夠的前提下，優(yōu)化該系統(tǒng)之后可多裝載13輛標(biāo)準(zhǔn)車，占裝車數(shù)的1.6%，對船舶的裝載能力有顯著的提升作用。

表3 滾裝船水霧系統(tǒng)各方案描述和重量比較

2 結(jié) 語

壓力水霧系統(tǒng)作為滾裝船的一個全船性質(zhì)的系統(tǒng)，在設(shè)計上具有很大的優(yōu)化潛力和收益。在設(shè)計時應(yīng)比較各種方案下的水霧系統(tǒng)，保證選取的噴嘴與分區(qū)劃分方案匹配，且最優(yōu)，避免分區(qū)重疊造成系統(tǒng)冗余度過大。同時，應(yīng)注意優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計，平衡管徑與壓力損失之間的矛盾，減輕系統(tǒng)重量，為船舶提供更大的載重裕度。