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        超大型油船防泥沙設(shè)計(jì)

        2018-03-31 02:56:47吳兆陽
        船舶與海洋工程 2018年1期
        關(guān)鍵詞:顆粒物設(shè)計(jì)

        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.

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