吳兆陽，潮 慶，劉 剛

（1. 上海外高橋造船有限公司設(shè)計(jì)研究院，上海 200137；2. 英國勞氏船級(jí)社，上海 200001）

0 引 言

長(zhǎng)江入海口附近分布有多個(gè)港口，該水域的泥沙含量較大[1]。船舶在這些港口卸貨時(shí)，需裝載一定量的海水作為壓載水，混雜泥沙的海水通過船舶壓載系統(tǒng)注入壓載水艙之后，水中的泥沙顆粒物會(huì)逐漸沉降下來，最終沉積在壓載艙底部[2]。傳統(tǒng)超大型油船（Very Large Crude Carrier，VLCC）的壓載水艙底部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，泥沙沉積物清理工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為幫助船東解決船舶泥沙沉積物清理問題，由中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第708研究所設(shè)計(jì)、上海外高橋造船有限公司（以下簡(jiǎn)稱外高橋造船）建造的31.8萬t VLCC特別設(shè)計(jì)了泥沙沉淀艙。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)油船的壓載艙將雙層底與舷側(cè)連通作為一個(gè)壓載艙（見圖 1）[3]。當(dāng)油船卸貨時(shí)，含較多泥沙的壓載水進(jìn)入壓載艙，泥沙顆粒物會(huì)逐漸沉積在壓載艙雙層底內(nèi)。壓載艙雙層底基本上覆蓋全船貨油艙底部區(qū)域，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，縱骨較多，且空間高度有限，人員在這里進(jìn)行泥沙清除工作十分不方便，清理面積超過1 萬 m2。

圖1 傳統(tǒng)油船壓載艙

圖2 防泥沙型壓載艙

2 防泥沙設(shè)計(jì)

在VLCC壓載艙的舷側(cè)專門設(shè)置一個(gè)泥沙沉淀艙（見圖2），艙室形狀規(guī)則，艙底平臺(tái)基本上沒有縱向結(jié)構(gòu)構(gòu)件，總清理面積約 1200m2，配備有獨(dú)立的壓載管路、進(jìn)水口、出水口和透氣孔。在多泥沙海域，壓載水首先通過壓載管路進(jìn)入泥沙沉淀艙，然后依次經(jīng)過各層平臺(tái)的開口注滿整個(gè)艙室，最后通過頂部的溢流口流入下部的壓載艙。在這個(gè)過程中，部分泥沙顆粒物依靠重力沉淀在泥沙沉淀艙中。為方便清理淤泥，在泥沙沉淀艙前后設(shè)置沖洗管。

3 工作原理

泥沙中密度較大的顆粒物沉淀速度較快，讓這些大的顆粒物在進(jìn)入壓載水艙之前沉淀在泥沙沉淀艙中，便于日后沖洗清理。剩余的細(xì)小顆粒物沉淀速度較慢，理論沉淀時(shí)間很長(zhǎng)，未在泥沙艙中沉淀的這些小顆粒物隨壓載水進(jìn)入壓載艙，其中一部分顆粒物可在下一次排放壓載水時(shí)隨壓載水一起排到船外。

4 仿真計(jì)算

外高橋造船委托英國勞氏船級(jí)社（Lloyd’s Register of Shipping，LR）對(duì)泥沙沉淀艙的泥沙沉積效果進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真計(jì)算。通過對(duì)多泥沙港口的水質(zhì)進(jìn)行調(diào)研，設(shè)定每升海水中含有1.9g的泥沙沉積物，沉積物的成分為細(xì)沙、泥土及礦粒等3種具有代表性的物質(zhì)，3種物質(zhì)的尺寸及含量分別為：細(xì)沙直徑為9.35μm，含量為58.4%；泥土直徑為2μm，含量為36.7%；礦粒直徑為384μm，含量為4.9%。LR根據(jù)STAR-CCM+軟件建立計(jì)算模型并進(jìn)行仿真。

根據(jù) LR的計(jì)算報(bào)告[4]：夾雜有上述泥沙成分的壓載水通過艙底部的進(jìn)水口注入泥沙沉淀艙，隨著水位的上升，壓載水通過流水孔流過各個(gè)肋板；同時(shí)，壓載水中的泥沙顆粒物開始進(jìn)行沉降運(yùn)動(dòng)（見圖3）。仿真計(jì)算顯示：

圖3 泥沙顆粒物各階段分布及運(yùn)動(dòng)

1) 從注入壓載水的時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，17min之后壓載水的水位到達(dá)泥沙沉淀艙的第一平臺(tái)（如圖3a）所示），3種泥沙顆粒物的分布還沒有出現(xiàn)較為顯著的變化。

2) 35min之后，攜帶泥沙顆粒物的壓載水到達(dá)第二平臺(tái)。從圖3b）中可看到3種顆粒物成分的分布及運(yùn)動(dòng)，此時(shí)大直徑礦粒物的含量已經(jīng)大幅下降，礦物顆粒物已經(jīng)基本完成沉降。除了重力沉降以外，泥沙顆粒物還會(huì)受到周圍水流運(yùn)動(dòng)的影響，部分顆粒物會(huì)被水流攜帶繼續(xù)前行。

3) 約50min之后，水位基本接近上艙頂部的溢流口（如圖3c）所示），此時(shí)壓載水中的部分顆粒物已經(jīng)被留在泥沙沉淀艙內(nèi)。

以上3個(gè)階段壓載水中的泥沙顆粒物含量變化情況見圖4。從圖4中可看出不同直徑的泥沙顆粒物在各階段的沉淀情況。當(dāng)水位到達(dá)第二平臺(tái)時(shí)，礦粒沉淀 93%，細(xì)沙沉淀 22%，泥土沉淀17%。當(dāng)水位到達(dá)溢流口時(shí)，礦粒沉淀99%，細(xì)沙沉淀35%，泥土沉淀 35%。按照泥沙顆粒物的密度和含量計(jì)算，當(dāng)壓載水到達(dá)泥沙沉淀艙溢流口時(shí)，38.1%的顆粒物已沉淀在泥沙沉淀艙中。

圖4 3個(gè)階段壓載水中泥沙顆粒物含量變化情況

5 結(jié) 語

利用仿真軟件STAR-CCM+計(jì)算，含有泥沙的壓載水通過泥沙沉淀艙之后，水中泥沙顆粒物含量有明顯的下降，泥沙沉淀艙截留了99%的礦粒、 35%的細(xì)沙、 35%的泥土，綜合沉淀率達(dá)到38.1%，占可沉積泥沙的50%。部分顆粒物沒有沉淀在泥沙沉淀艙中，包括65%的泥土顆粒物，重量占總泥沙顆粒物的24%，沉淀速度很慢，絕大部分將隨壓載水排出船外。與沒有設(shè)置泥沙沉淀艙的船舶相比，采用防泥沙設(shè)計(jì)之后，船舶在多泥沙水域卸貨，日后的泥沙清理工作將主要集中在泥沙沉淀艙內(nèi)，主要清理區(qū)域的面積約為1200m2，總面積相比以往減少80%，壓載艙底部淤泥的理論清理周期延長(zhǎng)為原來的近3倍，清理工作量明顯減少，工作環(huán)境得到改善，達(dá)到了防泥沙設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

[1] 張朝陽，楊世倫，羅向欣，等. 舟山群島朱家尖島以東近岸海域沉積物粒度特征[J]. 上海國土資源，2012, 33 (4)： 39-43.

[2] 楊光付，趙曉冬，羅勇，等. 壓載水艙泥沙淤積原因和沖淤新方法[J]. 船舶工程，2012, 34 (3)： 50-52.

[3] 黃宏波. 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)（總體分冊(cè)）[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1997.

[4] Stewart Whitworth. Shanghai Waigaoqiao ballast water sedimentation TID report[R]. TID7535A, Lloyd’s Register Marine,2014.