32000DWT散貨船應(yīng)急消防泵吸入能力核算

王 翊

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

2010年12月舉行的第88屆海事安全委員會(huì)以第1388號(hào)通函批準(zhǔn)了FSS規(guī)則第12.2.2.1.3條關(guān)于固定式應(yīng)急消防泵吸口壓頭的統(tǒng)一解釋。該解釋源自國際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS）的統(tǒng)一解釋，為響應(yīng)1388號(hào)通函，根據(jù)其建議，IACS通過了統(tǒng)一解釋UI SC 178（rev.1），且適用于合同建造日期為2012年1月1日和以后的船舶。目前，該統(tǒng)一解釋已得到諸多掛旗國的回復(fù)和認(rèn)可，包括庫克群島、塞浦路斯、希臘、香港等。IACS之所以采用基于建造合同的方案，主要是考慮實(shí)施最新版UI會(huì)對(duì)船舶設(shè)計(jì)帶來較大影響：UI明確規(guī)定應(yīng)考慮應(yīng)急消防泵能在比原先更淺吃水的狀態(tài)下工作。在設(shè)計(jì)過程中，若后期才發(fā)現(xiàn)應(yīng)急消防泵在某工況下不能順利吸水，那么僅通過增加泵的排量將難以滿足要求的，若改變應(yīng)急消防泵處所位置，對(duì)大多數(shù)船舶來說又會(huì)導(dǎo)致機(jī)艙設(shè)計(jì)的重大更改，所以需要在設(shè)計(jì)初期就對(duì)應(yīng)急消防泵的吸入能力進(jìn)行詳細(xì)核算，從而判斷其排量和布置位置是否滿足要求的。某型32 000 DWT散貨船為單機(jī)、單槳、尾機(jī)艙型船舶，應(yīng)急消防泵艙位于船尾，且吸口位置較高，預(yù)測(cè)在一定工況下可能存在吸水盲區(qū)，需要通過校核驗(yàn)證。本文就以該船為例，詳細(xì)核算其應(yīng)急消防泵在UI規(guī)定的各個(gè)工況中能否滿足吸入要求，介紹整個(gè)校核過程中的計(jì)算方法、判定依據(jù)及注意事項(xiàng)。

1 統(tǒng)一解釋內(nèi)容介紹

FSS規(guī)則［1］第 12.2.2.1.3 條要求：泵的總吸頭和凈正吸頭應(yīng)考慮公約、泵的排量以及運(yùn)行中可能遇到的各種橫傾、縱傾、橫搖、縱搖狀態(tài)下消防栓的壓力，且船舶在進(jìn)出干船塢時(shí)的壓載狀態(tài)不必視為營運(yùn)工況。根據(jù)UISC 178（rev.1）對(duì)該要求的統(tǒng)一解釋［2］，校核應(yīng)急消防泵吸口高度及吸入壓力時(shí)，應(yīng)考慮船舶最輕載的航行狀態(tài)，即穩(wěn)性手冊(cè)（新造船為初穩(wěn)性計(jì)算書）定義所給出的海水箱和應(yīng)急消防泵所處位置最淺吃水時(shí)的壓載工況。當(dāng)然，在船舶實(shí)際營運(yùn)過程中，還需要考慮船舶縱傾、橫傾以及垂蕩等狀態(tài)。通常情況下，上述幾種狀態(tài)都不是單一地發(fā)生，應(yīng)分別考慮船舶結(jié)合縱傾時(shí)的垂蕩狀態(tài)和結(jié)合橫傾時(shí)的垂蕩狀態(tài)。除外，固定式應(yīng)急消防泵的吸口在以下兩個(gè)工況中應(yīng)完全浸沒于水線以下：

1）以船舶平浮狀態(tài)下螺旋槳2/3浸沒時(shí)堪劃的靜水線（對(duì)于具有吊離艙或者首側(cè)推的船舶應(yīng)特別考慮）；

2）船舶處于壓載到港狀態(tài)，此狀態(tài)經(jīng)穩(wěn)性手冊(cè)批準(zhǔn)，船舶無貨、備品和燃料有10%剩余量。

此處船舶縱傾、橫傾和垂蕩不適用于上述任何一個(gè)工況，若船舶僅在遮蔽水域營運(yùn)且具有SOLAS公約證書，則僅滿足上述第1條靜水浸沒要求即可。

在統(tǒng)一解釋規(guī)定的以上所有工況中，應(yīng)急消防泵吸口都應(yīng)完全浸沒在水線以下，且在任何情況下，應(yīng)急消防泵的有效凈正吸頭，即有效汽蝕余量都應(yīng)大于其自身的必需汽蝕余量。

最后，應(yīng)急消防泵安裝完成后應(yīng)進(jìn)行性能試驗(yàn)，以確認(rèn)泵的排量達(dá)到FSS規(guī)則第12.2.2.1.1條的要求。如果應(yīng)急消防泵為任何固定式滅火系統(tǒng)提供主水源，而該固定式滅火系統(tǒng)為主消防泵所在處所提供保護(hù)，則應(yīng)急消防泵應(yīng)具有滿足該系統(tǒng)的排量。只要實(shí)際可行，該試驗(yàn)應(yīng)在空載航行吃水時(shí)進(jìn)行。

2 應(yīng)急消防泵吸口浸沒計(jì)算

2.1 應(yīng)急消防泵布置概況

該型32 000 DWT散貨船的應(yīng)急消防泵艙緊貼機(jī)艙后端壁，應(yīng)急海水箱靠近冷卻水艙，如圖1所示。

其主要性能及吸口位置參數(shù)如下：

排量Q 72 m3/h

總壓頭Ht0.75 MPa

泵的必需汽蝕余量NPSHr 1.2 m

泵吸水管內(nèi)徑Di0.118 m

泵吸水管距尾垂線距離Lp7.68 m

泵吸水管距基線高度Hb4.15 m

泵吸水管距中心線距離Ac0.12 m

由于應(yīng)急消防泵的吸水管管口呈傾斜狀，為保證計(jì)算結(jié)果滿足吸水管完全浸沒在水線以下的要求，上述定義的吸水管距離以管口處較高一端為準(zhǔn)。

2.2 結(jié)合縱傾時(shí)的垂蕩工況

船舶在該航行工況中，會(huì)呈一定角度的縱向傾斜并同時(shí)伴隨著一定振幅的垂蕩，從而導(dǎo)致應(yīng)急消防泵吸水管原本最淺的吃水位置發(fā)生改變，有可能會(huì)出現(xiàn)其吸水管未完全浸沒在水線以下的情況。下面通過計(jì)算該工況下應(yīng)急消防泵吸口的吃水高度，校核其浸沒情況是否滿足統(tǒng)一解釋的要求。影響該工況的物理量如表1所示，中間值可用線性插值法獲得。

表1 結(jié)合縱傾時(shí)的垂蕩工況物理量

該船載重線公約定義下的船長為171.513 m，而壓載吃水下的首尾垂線間長為171 m，故船長L取較大的載重線公約定義長度。根據(jù)表1，運(yùn)用線性插值計(jì)算方法可以得出，縱傾角度φ為2.356°，垂蕩振幅H為0.973 m。校核過程須以應(yīng)急消防泵吸口的最淺吃水水線作為基準(zhǔn)。由于該船應(yīng)急消防泵布置在尾部，根據(jù)船舶各個(gè)狀態(tài)的吃水情況，選擇壓載到港（不載貨、僅帶10%燃油）時(shí)的水線，即最輕載航行狀態(tài)水線，作為應(yīng)急消防泵吸口的最淺吃水水線，其首吃水 Df為4.092 m，尾吃水 Da為6.423 m，詳見圖2：

圖2 結(jié)合縱傾時(shí)的垂蕩工況

從圖2中可以看出，若僅考慮船舶最輕載航行工況，則應(yīng)急消防泵吸口吃水為6.319 m，高于此前定義的吸口高度4.15 m。若考慮船舶縱傾及垂蕩相結(jié)合的狀態(tài)，則其水線呈三段式分布。這種分布方式表明，當(dāng)應(yīng)急消防泵吸水管分別位于船舶0～0.2L、0.2～0.7L，0.7～1L 區(qū)域時(shí)，吃水情況會(huì)有明顯的差別。該船應(yīng)急消防泵的吸水管位置處于0～0.2L區(qū)域，在該工況下，吸水管吃水明顯下降，圖中顯示為4.251 m，略高于吸口本身的高度。計(jì)算結(jié)果表明：該船處于縱傾及垂蕩相結(jié)合的狀態(tài)時(shí)，其應(yīng)急消防泵的吸口完全浸沒在水線以下，滿足統(tǒng)一解釋對(duì)吸口位置的要求。

2.3 結(jié)合橫傾時(shí)的垂蕩工況

船舶在該航行工況中，會(huì)呈一定角度的橫向傾斜并同時(shí)伴隨著一定振幅的垂蕩，其中橫向傾斜角度θ定義為11°或者13°，選擇依據(jù)是船舶底層結(jié)構(gòu)是否有舭龍骨：若有舭龍骨，根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，其橫向傾斜角度應(yīng)選擇較小的角度11°，反之則為13°。由于該船底層結(jié)構(gòu)有舭龍骨，所以θ為11°。若定義最輕載航行工況下應(yīng)急消防泵吸口吃水為Db，結(jié)合橫傾時(shí)的垂蕩工況下其吃水為Dc，則根據(jù)船舶橫傾計(jì)算方法：

由于該船應(yīng)急消防泵吸水管到船中心線的距離Ac為0.12 m，故該工況下的水線分布詳見圖3。

圖3 結(jié)合橫傾時(shí)的垂蕩工況

從圖3中可以看出，考慮船舶橫傾及垂蕩相結(jié)合的狀態(tài)時(shí)，其水線分布趨勢(shì)和最輕載航行工況一致。在該工況下，吸水管吃水為5.322 m，高于吸口本身的高度4.15 m。計(jì)算結(jié)果表明：該船處于橫傾及垂蕩相結(jié)合的狀態(tài)時(shí)，其應(yīng)急消防泵的吸口完全浸沒在水線以下，滿足統(tǒng)一解釋對(duì)吸口位置的要求。

2.4 船舶平浮狀態(tài)下螺旋槳2/3浸沒時(shí)的靜水線工況

該工況不必考慮船舶縱傾、橫傾以及垂蕩等狀態(tài)，統(tǒng)一解釋規(guī)定，應(yīng)急消防泵吸口在該工況下應(yīng)完全浸沒在水線以下，見圖4。

圖4 螺旋槳2/3浸沒時(shí)的靜水線工況

根據(jù)該船螺旋槳相關(guān)參數(shù)，螺旋槳直徑Dp為6 m，螺旋槳軸距基線高度為Hs為3.3 m，此處定義螺旋槳浸沒2/3時(shí)的靜水線高度為Hi，則

應(yīng)急消防泵吸口高度為4.15 m，小于靜水線高度Hi，所以該船平浮狀態(tài)下螺旋槳浸沒2/3時(shí)，泵的吸口完全浸沒在靜水線以下，滿足統(tǒng)一解釋對(duì)吸口位置的要求。

2.5 穩(wěn)性手冊(cè)定義的船舶壓載到港工況，不載貨，

帶10%備品和燃油

穩(wěn)性手冊(cè)中將貨船的標(biāo)準(zhǔn)裝載工況分為四種，分別為：

載貨出港：裝滿貨物，帶100%備品和燃油；

載貨到港：裝滿貨物，僅帶10%備品和燃油；

壓載出港，無貨物，帶100%備品和燃油；

壓載到港，無貨物，僅帶10%備品和燃油；

根據(jù)SOLAS第3章A部分第3條 “最輕載航行狀態(tài)系指船舶處于平浮，無貨物，剩有10%的備品和燃料的裝載狀態(tài)”的定義，即壓載到港工況是船舶最輕載航行時(shí)的工況。該工況同樣不需要考慮船舶縱傾、橫傾以及垂蕩的狀態(tài)，且應(yīng)急消防泵的吸口應(yīng)完全浸沒在水線以下，見圖5。

圖5 壓載到港（不載貨，帶10%備品和燃油）工況

從圖5中可以看出，應(yīng)急消防泵吸口吃水6.319m，高于吸口本身的高度4.15 m，故泵的吸口完全浸沒，滿足統(tǒng)一解釋對(duì)吸口位置的要求。

綜上所述，該船應(yīng)急消防泵吸口在統(tǒng)一解釋規(guī)定的各個(gè)工況中均完全浸沒在水線以下。然而，即使吸水管完全浸沒，若應(yīng)急消防泵凈正吸入壓頭的有效值低于其本身的汽蝕余量，泵也會(huì)因?yàn)榘l(fā)生汽蝕而不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，所以需要進(jìn)一步校核該船應(yīng)急消防泵的凈正吸入壓頭是否滿足要求。

3 應(yīng)急消防泵吸入壓頭計(jì)算

3.1 NPSHr、NPSHa的定義及其關(guān)系

根據(jù)HG/T 20570—1995《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，泵入口處（壓力最低點(diǎn)）單位質(zhì)量液體所具有的能量（靜壓能和動(dòng)能）與輸送液體在工作溫度下的飽和蒸汽壓頭之差稱為泵的凈正吸入壓頭NPSH（Net Positive Suction Head），也稱作泵的汽蝕余量。泵的汽蝕余量分為必需汽蝕余量 NPSHr（NPSH required）和有效汽蝕余量 NPSHa（NPSH available）。

NPSHr與泵的類型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，屬于泵的固有特性，不會(huì)隨使用條件的改變而改變，NPSHr越小，說明泵抗汽蝕的能力越強(qiáng)。NPSHr一般由泵制造廠測(cè)定提供，該船NPSHr值為1.2 m。與NPSHr不同的是，在給定了裝置的設(shè)備、管道配置之后，NPSHa僅與裝置參數(shù)及液體性質(zhì)有關(guān)，與泵本身的特性無關(guān)。NPSHa會(huì)隨流量的增加而減小。

為保證泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)而不發(fā)生汽蝕，其有效汽蝕余量NPSHa應(yīng)大于泵本身的必需汽蝕余量NPSHr。若計(jì)算結(jié)果不滿足要求，也可以考慮一些避免汽蝕的方法，比如通過減少管路阻力損失，調(diào)整泵安裝高度來提高NPSHa的值，或者減少運(yùn)行流量Q來降低NPSHr的值。

3.2 應(yīng)急消防泵NPSHa計(jì)算

應(yīng)急消防泵NPSHa值的計(jì)算公式如下：

式中：δNPSHa——有效汽蝕余量，m；

pc——應(yīng)急消防泵進(jìn)口液面的絕對(duì)壓力；

Hg——應(yīng)急消防泵安裝高度（指泵進(jìn)口的中心線與進(jìn)口處液面的高度差）；

Hc——應(yīng)急消防泵吸水管端至泵進(jìn)口處的壓力損失；

pv——實(shí)際溫度下的飽和蒸汽壓力；

ρ——液體密度；

g——重力加速度

由式（3）可知，應(yīng)急消防泵安裝高度Hg會(huì)隨著船舶營運(yùn)工況的變化而變化，需要分別計(jì)算統(tǒng)一解釋規(guī)定的四種工況下的Hg值；而壓力損失Hc只和泵的排量、直管段長度、管子內(nèi)徑、阻力元件類型和數(shù)量有關(guān)，與營運(yùn)工況無關(guān)。此外，在指定物理環(huán)境下，pc、pv和ρ均為定值。計(jì)算NPSHa值的過程中所涉及的物理量取值如下，其中飽和蒸汽壓力Pv根據(jù)實(shí)際海水溫度對(duì)應(yīng)選?。?/p>

泵進(jìn)口位置距尾垂線距離Lp′ 4.203 m

泵進(jìn)口位置距基線高度Hb′ 8.072 m

泵進(jìn)口位置距船中距離Ac′ 0.607 m

泵進(jìn)口液面的絕對(duì)壓力pc1.01×105MPa

海水密度ρ 1.025×103kg/m3

管段壓力損失Hc3.79 m

實(shí)際海水溫度T 32℃

飽和蒸汽壓力pv0.048 MPa

此處定義應(yīng)急消防泵進(jìn)口位置的吃水為Hp，計(jì)算方法與上述吸水管吃水一致，四種營運(yùn)工況下對(duì)應(yīng)的值分別為4.155 m、5.275 m、4.3 m、6.366 m（過程此處不做詳述）。根據(jù)應(yīng)急消防泵安裝高度Hg的定義，Hg應(yīng)等于（Hb′-Hp）?；谏鲜鰲l件計(jì)算得到四種工況下的NPSHa值，并與NPSHr值比較，如圖6所示：

從圖6中可以看出，該船應(yīng)急消防泵在統(tǒng)一解釋規(guī)定的任何工況下，其有效汽蝕余量NPSHa均大于必需汽蝕余量NPSHr，完全滿足統(tǒng)一解釋對(duì)應(yīng)急消防泵吸入壓頭的要求。

對(duì)于整個(gè)校核過程來說，需要注意的事項(xiàng)主要有：

1）應(yīng)急消防泵吸口的最淺吃水水線并不一定是最輕載航行狀態(tài)（壓載到港）下的水線，必須根據(jù)應(yīng)急消防泵布置的位置而定。當(dāng)應(yīng)急消防泵位于船舶舯部、艏部的時(shí)候，需綜合考慮壓載出港、壓載到港等航行工況，判斷哪一種標(biāo)準(zhǔn)航行工況下應(yīng)急消防泵處于最淺吃水狀態(tài)。

2）若應(yīng)急消防泵的吸水管管口做成傾斜狀，為保證其完全浸沒在水線以下，計(jì)算過程中吸水管的測(cè)量距離應(yīng)以管口處較高一端為準(zhǔn)。

3）每臺(tái)應(yīng)急消防泵的必需汽蝕余量NPSHr都有所不同，須以廠家資料中實(shí)際的數(shù)據(jù)作為參數(shù)。

圖6 NPSHa與 NPSHr比較

4 結(jié)語

本文以某型32 000 DWT散貨船為例，結(jié)合UI SC178（rev.1）統(tǒng)一解釋，依次校核了其應(yīng)急消防泵的吸口浸沒情況和凈正吸入壓頭的大小。校核結(jié)果表明：在統(tǒng)一解釋規(guī)定的任何工況中，該船應(yīng)急消防泵的吸口都完全浸沒在水線以下，并且其有效的凈正吸入壓頭均大于必需汽蝕余量，保證了應(yīng)急消防泵在上述任何工況下的有效運(yùn)行和良好的吸入能力。

［1］IMO.INTERNATIONAL CODE FOR FIRE SAFETY SYSTEMS［S］.2007.

［2］中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范.（2011）通函第96 號(hào)/總第 160 號(hào)［S］.2011.