隆奇芮，郭智威，白秀琴，袁成清

(1. 武漢理工大學(xué) 國家水運安全工程技術(shù)研究中心可靠性工程研究所，湖北 武漢 430063；2. 武漢理工大學(xué) 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430063)

0 引 言

自20世紀(jì)末以來，世界郵輪經(jīng)濟發(fā)展迅猛，從2012年至今世界郵輪游客數(shù)增長率居高不下，2018年全球郵輪游客數(shù)2500萬人次。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人民經(jīng)濟收入水平的不斷提高和人民精神文化生活需求的日益多樣化，乘坐郵輪進行度假逐漸成為現(xiàn)代頗具吸引力的度假方式。國際郵船市場重心開始向亞太區(qū)域特別是中國地區(qū)轉(zhuǎn)移，中國占國際郵輪市場份額從2006年的0.5%增長到2018年的9.6%[1]。大型郵輪被稱為造船行業(yè)的“明珠”，是高技術(shù)、高附加值船型的代表?！吨袊圃?025》明確提出“突破大型郵輪設(shè)計建造技術(shù)”是造船強國的重要標(biāo)志之一。郵輪旅游作為一種新興的旅行休閑方式，安全性和乘客的體驗舒適性尤為重要，但航行時不可避免地會受到海風(fēng)海浪和其他因素影響，破壞其航行穩(wěn)定性。壓載水系統(tǒng)作為維護郵輪安全平穩(wěn)航行的保船系統(tǒng)，比普通船舶的壓載水系統(tǒng)要求更高。

目前針對船舶的壓載水系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者在壓載水系統(tǒng)整體設(shè)計、處理設(shè)備以及調(diào)撥控制等方面都進行了相應(yīng)的研究。在壓載水系統(tǒng)整體設(shè)計方面，李盟[2]提出了包括郵輪壓載水系統(tǒng)在內(nèi)的多項目進度計劃體系原則，建立了作業(yè)施工與資源均衡優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，基于強化學(xué)習(xí)和免疫遺傳算法對三級和四級計劃管理進行優(yōu)化，通過對照實驗驗證了其可行性，降低了建造成本，提高了資源配置效率，為項目管理提供了數(shù)據(jù)積累。戴憲邦[3]依據(jù)材料追溯管理原則，設(shè)計了編碼方案，基于條碼識別技術(shù)和批次管理思想，對郵輪建造過程中壓載水等系統(tǒng)所用材料的追溯模型進行了研究，提出了批次清單質(zhì)量追溯模型和材料追溯算法。Asmara[4]采用單元分解法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法將船舶管路空間分解為單元格，通過粒子群算法連接管路鋪設(shè)的起始點，結(jié)合確定性和非確定性2種優(yōu)化技術(shù)，利用確定性的速度和非確定性的靈活性，提出了一種管道無碰撞優(yōu)化路徑自動生成系統(tǒng)。在壓載處理設(shè)備方面，王玉玲[5]研究了船舶壓載水管理系統(tǒng)中壓載泵進出口管路的直徑選擇問題，針對不同類別管道推薦了流速范圍，提供了直徑計算公式，并指出影響管路直徑的主要因素。對不同類別管道的最大壓力降做出了規(guī)范，分析了其壓力降的構(gòu)成部分，并對壓力降計算公式的適用范圍進行了說明，為管路直徑的設(shè)計與選擇提供了依據(jù)。Petersen[6]根據(jù)國際海事組織頒布的《國際船舶壓載水及沉積物控制和管理公約》和美國海岸警衛(wèi)隊頒布的final rule，在250 m3的水池中進行10天陸基試驗，研究了紫外線處理和氯化處理對壓載水中浮游生物活性及豐度的影響，揭示了氯化在降低浮游生物豐度、活性方面的優(yōu)勢，指出在檢驗處理效果應(yīng)優(yōu)先考慮活性，豐度次之。在壓載水調(diào)撥控制方面。Wilson[7]采用實驗和計算流體力學(xué)（CFD）方法，對壓載水調(diào)撥過程中壓載艙內(nèi)部的流動特性以及調(diào)撥效果進行了研究，模擬了3種計算網(wǎng)格，對散貨船非典型壓載艙1/3尺度模型與35 000dwt輕便散貨船的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實際測量數(shù)據(jù)進行驗證，比較了不同計算網(wǎng)絡(luò)下的調(diào)撥效率。Gomes[8]對壓載水系統(tǒng)流量范圍、適用噸位、艙內(nèi)腐蝕速率、處理結(jié)果等26個屬性進行方案排序，并賦予權(quán)重，基于多準(zhǔn)則決策輔助方法對3種不同調(diào)撥方案進行評估，使壓載水系統(tǒng)中相互聯(lián)系和相互制約的屬性得到最佳的協(xié)調(diào)。肖民等[9]基于有限元方法建立了壓載水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，對節(jié)點流量、壓力的計算方法進行了研究，運用流體力學(xué)原理建立了流量與水頭的矩陣方程，對比了不同閥門開度對壓載水艙輸出流量的影響，探討了艙室流量和節(jié)點流量與閥門開度之間的關(guān)系。

以上大多都是對于一般船舶壓載水系統(tǒng)的研究，國外對于郵輪的壓載水系統(tǒng)研究不多，主要聚焦于壓載處理相關(guān)的環(huán)境保護問題，我國雖然在傳統(tǒng)商船領(lǐng)

域是世界強國，但作為郵輪產(chǎn)業(yè)的后起之秀，對郵輪的技術(shù)儲備還存在不足，對于郵輪的壓載水系統(tǒng)研究還是一片空白。因此，探究大型郵輪壓載水系統(tǒng)、分析其系統(tǒng)組成、實現(xiàn)原理和設(shè)計原則，為大型郵輪的詳細設(shè)計和建造提供理論依據(jù)，提高我國造船水平及在國際船舶市場的競爭力具有重要意義。

1 郵輪壓載水系統(tǒng)工作原理及壓載管網(wǎng)特點

1.1 郵輪特點以及壓載水系統(tǒng)的主要功能

大型郵輪與散貨船、集裝箱船和油船等一般民用船舶相比，在建造特點和設(shè)計理念上差別較大。

1）布局社區(qū)化，娛樂多樣化

郵輪作為提供海上休閑觀光娛樂的場所，船上乘客眾多，全船基于“陸地社區(qū)”的設(shè)計理念分區(qū)布局。不同“社區(qū)”有著不同的設(shè)計裝飾風(fēng)格，圖書館、購物中心等按區(qū)域功能分布。破除了人們對于航海旅游的舊有觀念，從玩具城、游戲廳到美容院、大劇場，有著眾多滿足不同乘客需求的游樂設(shè)施，為乘客枯燥的海上航行提供無以倫比的體驗。

2）柴電聯(lián)合推進

與傳統(tǒng)船舶相比，郵輪的生活公共區(qū)域眾多，航行中生活用電所占比例較大。郵輪的動力裝置不僅要用于推進船舶前進，還需為船舶提供可觀的電力，故郵輪往往采用柴電聯(lián)合推進裝置，并布置有較大的發(fā)電機艙。

3）水線以上迎風(fēng)面積較大

隨著郵輪經(jīng)濟的持續(xù)火熱，郵輪噸位記錄不斷被打破。目前世界上最大的郵輪“海洋交響樂”號噸位達到23萬噸，水線以上部分高達72 m。2019年4月，德國愛達郵輪公司宣布建造AIDAflex，排水量達到了驚人的26.09萬噸，比“海洋交響樂”號高出14 m，再一次刷新了行業(yè)記錄。郵輪上層建筑增高，導(dǎo)致船舶重心提高，受風(fēng)面積增大。

4）安全性要求高

郵輪乘客眾多，安全要求不容忽視。IMO在2009年頒布的SOLAS基于3 000多起海事事故數(shù)據(jù)，對客船和一般貨船的穩(wěn)性規(guī)則提出了嚴(yán)格的要求，對破倉評估的確定性算法和建議性概率算法由概率方法取代[10]。對于郵輪這一特殊船型，其內(nèi)部的A級界限（2.1提到）、乘客安全撤離通道等都會對穩(wěn)性造成較大影響。歐盟于2009-2012年開展了GOALS項目，研究增加水密艙壁和型深等對客船特別是大型郵輪的穩(wěn)性影響。比如“海洋綠洲”號設(shè)置了多達18道水密艙壁，采用概率方法對9 000多種破損狀態(tài)進行了分析，最終使“海洋綠洲”號郵輪超過破艙衡準(zhǔn)數(shù)3個百分點[11]。

5）體驗舒適性好

船體振動產(chǎn)生的噪聲對乘客體驗舒適性有很大的影響，2012年IMO海水安全委員會第90次會議通過的SOLAS II-1/3-12條噪聲防護的要求中，船舶的居住艙室噪聲上限為55 dB，生活娛樂公共區(qū)域噪聲上限為60 dB，其他工作區(qū)的上限值為85 dB。噪聲指標(biāo)是影響郵輪總體性能的關(guān)鍵性指標(biāo)，上限值要求比一般船舶低很多。郵輪乘客居住艙室的噪聲不得超過49 dB，振動級要求不超過1.55 mm/s，不同艙室間的聲音絕緣需為40～45 dB[11]。

6）綠色環(huán)保

2014年IMO海上環(huán)境保護委員會第66次會議上首次對電力推進的大型郵輪EEDI（能效設(shè)計指數(shù)）進行了定義，并于2015年的第68次會議對柴電聯(lián)合推進的大型郵輪EEDI做出了進一步的說明[10]。大型郵輪是一個國家造船水平的最高體現(xiàn)，對污水處理、廢氣排放等都有嚴(yán)苛的要求，隨船配有經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的專職環(huán)境官員，旨在使郵輪在北美、加勒比海等排放控制航區(qū)的的排放達到IMO Tier Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合郵輪特點，郵輪壓載水系統(tǒng)的主要功能如下：

1）減小郵輪橫搖角度

郵輪上層建筑受風(fēng)面積較大，加之可能乘客聚集在一側(cè)船舷的情況，使郵輪在橫向上更容易產(chǎn)生搖擺，近幾年國內(nèi)外發(fā)生的重大客船翻沉事故皆與橫傾過大有關(guān)。對于橫傾角IMO MSC.267（85）決議之《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》及其修正案MSC.398（95）的有關(guān)要求如下：

① 最大復(fù)原力臂GZ對應(yīng)的橫傾角θmax應(yīng) 不小于15°；

② 復(fù)原力臂曲線（GZ曲線）下的面積，當(dāng)最大復(fù)原力臂GZ在15°角發(fā)生時，在15°內(nèi)應(yīng)不小于0.07 m·rad，當(dāng)最大復(fù)原力臂GZ在30°角或以上發(fā)生時，在30°內(nèi)應(yīng)不小于0.055 m·rad。當(dāng)最大復(fù)原力臂GZ在15°和30°之間發(fā)生時，復(fù)原力臂曲線下的相應(yīng)面積應(yīng)為：

2）首尾方向保持吃水差，減小阻力和保證可視范圍

研究表明，郵船處于遠洋航行中時，沿縱向方向上并不是越水平越能提高推進效率，相反基于郵輪實際載荷與重心等參數(shù)在高精度配載儀的計算下通過壓載水管理系統(tǒng)使其保持一定角度的尾傾能幫助郵輪減小阻力，從而節(jié)約燃料能源達到綠色郵輪的目標(biāo)[12]。SOLAS公約第V章航行安全第22條規(guī)定航行時駕駛室要有一定的可視范圍，在海上需保持良好的可視范圍。在進出港時，為盡可能減少郵輪上層受風(fēng)面積，要使尾吃水不小于首吃水，以達到操縱需要其中首吃水不小于0.02L，尾吃水不小于0.03L，L為船長。

3）減輕船體和軸系的振動

郵輪的振動來自周期激振力和非周期激振力，其中螺旋槳激振力是主要振源。當(dāng)郵輪的螺旋槳未達到浸沒要求時，螺旋槳在不均勻流場中產(chǎn)生高階激振力，使螺旋槳的靜力平衡受到破壞，引起船體和軸系劇烈的振動。郵輪作為“技術(shù)與工藝”的最佳融合，其遠超規(guī)范的平穩(wěn)性、減振性，乘客的體驗舒適性、低噪聲、弱振動顯得尤為重要。為減輕振動，需對郵輪首尾尖艙進行壓載，使螺旋槳滿足一定的浸沒要求。

4）保持一定初穩(wěn)性高度和吃水深度，提高耐波性

耐波性指在風(fēng)浪作用下產(chǎn)生的搖蕩以及失速等現(xiàn)象下，船舶穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強度等性能總體反應(yīng)。其他參數(shù)不變的情況下，吃水深度增加，穩(wěn)心半徑和初穩(wěn)性高度減小，吃水深度減小，船舶易受風(fēng)浪砰擊，耐波性較差。在郵輪航行途中，通過安裝于不同位置的液位傳感器，監(jiān)測郵輪實時吃水值，在配載儀的計算下，往指定壓載艙打入壓載水以達到IMO的相關(guān)吃水深度要求，IMO規(guī)定在核算裝載狀況下經(jīng)自由液面修正后初穩(wěn)性高度GM不低于0.15 m，且需滿足：

式中：Tmin為船舶最小平均吃水，m；Lbp船舶垂線間長即柱間距，m。

5）減小船體變形，維護結(jié)構(gòu)合理受力

全船重力與浮力的合力使郵輪處于靜力平衡的狀態(tài)，但是在沿船長方向上的任一區(qū)域內(nèi)，重力和浮力并不是互相平衡的，差異過大的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力導(dǎo)致船舶出現(xiàn)中拱和中垂，長此以往將會造成船體的金屬疲勞甚至變形，若使首尖艙、尾尖艙和中部壓載艙內(nèi)的壓載水合理分布可以減少這種現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 壓載水系統(tǒng)組成

郵輪壓載水系統(tǒng)如圖1所示。由海底門，壓載水泵，處理系統(tǒng)，管路及壓載艙、掃艙系統(tǒng)及相關(guān)閥件、監(jiān)測儀表和控制系統(tǒng)組成。

圖 1 系統(tǒng)組成簡圖Fig. 1 System composition diagram

1）海底門

海底門是為郵輪壓載水系統(tǒng)提供工作介質(zhì)的源頭，需 在吸口處設(shè)置格柵做濾網(wǎng)，挪威DNV船級社part4 chapter5section5中規(guī)定格柵流通面積不小于海水吸入口閥門流體面積的2倍，相應(yīng)美國ABS船級社規(guī)定為1.5倍，若是在冰區(qū)航行的極地郵輪，則應(yīng)為4倍。

2）壓載水泵

壓載水泵是郵輪壓載和卸載工作的動力源，要求流量較大且性能穩(wěn)定，根據(jù)泵的型譜圖通常選用離心泵。挪威DNV船級社在part4charpt6section4中規(guī)定所有的壓載艙應(yīng)連接至少2臺壓載泵，并且布置在不同的事故界限內(nèi)[13]。

3）壓載水處理系統(tǒng)BWMS

通過物理化學(xué)等多種處理技術(shù)組合的處理方式對進入壓載艙的海水進行預(yù)處理，并達到IMO的D-2標(biāo)準(zhǔn)和USCG-階段1（若郵輪航線涉及美國）的規(guī)范要求，減少和消除有害水生物和病原體的轉(zhuǎn)移而帶來的風(fēng)險后果[14]。

4）壓載水管路及壓載艙

壓載管路連接著壓載泵和各個壓載艙，按照規(guī)定，客船和載重量大于500 t的貨船需要設(shè)置雙層底，并在雙層底內(nèi)設(shè)置壓載艙水[15]。

5）掃艙系統(tǒng)與相關(guān)閥件

掃艙系統(tǒng)的作用是當(dāng)壓載泵無法正常排出壓載水時，用噴射泵做動力源，將剩余需排出的壓載水通過掃艙管路排至舷外，并且至少低于2%（NAPA要求少于2%以防止自由表面計算），且管路中不得設(shè)止回閥。

1.3 郵輪壓載水系統(tǒng)工作原理

本文以VISTA號郵輪的壓載水系統(tǒng)為例，描述壓載水系統(tǒng)工作的大致過程，圖2和圖3中深色圓點表示壓載管路之間有連接，淺色圓點表示掃艙管路之間有連接，假設(shè)1號壓載泵作為郵輪常用泵，2號作為備用壓載泵，當(dāng)郵輪遇緊急情況需要大量壓載水時，兩臺壓載泵同時啟用，根據(jù)營運情況控制壓載和卸載。

1.3.1 壓載過程

壓載過程如圖2所示。

以4號壓載艙為例，當(dāng)進行壓載時，打開海底門，并打開1，2，5號閥門，啟動1號壓載水泵，海水經(jīng)AZ（壓載水處理裝置）后，經(jīng)6，7，8號閥件并入壓載總管，在4號壓載艙隔離閥件的控制下注入壓載艙，完成壓載工作。當(dāng)需緊急壓載時，海水可不經(jīng)處理裝置，開啟7號閥門，直通過旁通管路將海水注入壓載艙。

圖 2 壓載過程Fig. 2 Ballast process

圖 3 卸載過程Fig. 3 Uninstall process

郵輪橫傾系統(tǒng)是郵輪壓載水系統(tǒng)的一種，如圖2中路徑所示。橫傾系統(tǒng)由左/右橫傾艙、橫傾泵、遙控閥件、控制單元以及與之連通的管路組成，當(dāng)橫傾角度超過設(shè)定值時，控制單元發(fā)出命令，啟動橫傾泵，根據(jù)需求調(diào)撥左右艙內(nèi)的壓載水量。

1.3.2 卸載過程

卸載過程如圖3所示。

以4號壓載艙為例，當(dāng)進行卸載時，如圖3中路徑所示，啟動1號壓載水泵，開啟4號壓載艙隔離閥件，艙內(nèi)壓載水經(jīng)壓載泵吸出，經(jīng)10，1，2，5號閥件進入AZ（壓載水處理裝置），在達到IMO《壓載水公約》的排放標(biāo)準(zhǔn)后經(jīng)6，12號閥件排出舷外。

在卸載過程中，艙內(nèi)水量下降到一定高度時，關(guān)閉1號壓載水泵，開啟掃艙泵，如圖3中路徑所示將艙內(nèi)剩余壓載水排出舷外。橫傾艙因功能特殊，需保留一定壓載水量實現(xiàn)左右調(diào)撥，故不需要設(shè)置掃艙系統(tǒng)。

1.3.3 壓載水處理工作原理

2017年9月8日，在各航運國的努力下，《壓載水公約》正式生效，所有跨海域航行的船舶必須安裝壓載水管理系統(tǒng)，且要達到IMO的D-2標(biāo)準(zhǔn)，若航行至美國海域則還需要滿足USCG-階段1（階段2以現(xiàn)在技術(shù)暫時無法達到）標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

郵輪壓載水處理裝置的處理容量應(yīng)不小于壓載水泵的最大排量，以VISTA郵輪壓載水處理系統(tǒng)為例，如圖4所示。該裝置主要由自清洗過濾器、EUT和冷卻單元、控制單元、監(jiān)測和中和單元組成，圓點表示管路之間有連接。

表 1 D-2與USCG標(biāo)準(zhǔn)對比Tab. 1 Comparison between D-2 and USCG standards

壓載時，如圖4中路徑1所示，海水經(jīng)自清洗過濾器，EUT處理后進入各壓載艙，在處理過程中冷卻單元構(gòu)成循環(huán)回路對電解裝置降溫，反沖洗不定時進行自清洗，并沿路徑3將殘渣排出舷挖。

圖 4 壓載水處理系統(tǒng)原理Fig. 4 The principle of ballast water treatment system

卸載時，如圖4中路徑2所示，壓載艙內(nèi)的壓載水無需經(jīng)過自清洗過濾器，直接進入EUT單元，并流經(jīng)監(jiān)測單元，檢測TRO值以確定排出舷外前是否加入中和劑，若達標(biāo)則直接排出舷外。若未達標(biāo)，在加入中和劑后經(jīng)檢測TRO值小于規(guī)定值以下再排出舷外。

自清洗過濾器主要通過一定精度的濾網(wǎng)處理海水中的雜質(zhì)顆粒，EUT單元經(jīng)電催化產(chǎn)成大量的羥基自由基滅菌完成消毒過程，超聲波單元負責(zé)定期清潔電催化單元的表面，控制單元負責(zé)整個處理系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉，監(jiān)測單元負責(zé)檢測水中的鹽度以調(diào)節(jié)EUT中的電流，在達到IMO標(biāo)準(zhǔn)后實施排放。

2 基于安全返港的郵輪壓載水系統(tǒng)設(shè)計原則

與散貨船、集裝箱船等民用商船不同，安全返港（Safe Return to Port）是針對大中型客船的特殊規(guī)定，適應(yīng)范圍為長度為120 m或以上且有3個或3個以上主豎區(qū)的客船以及載客總數(shù)超過240人的特別用途船舶。在2000年IMO海上安全委員會第73次會議上正式提出，并于2006年年末通過，2010年7月正式生效成為強制性規(guī)則[10]。

安全返港是對壓載水系統(tǒng)、艙底系統(tǒng)等成體系的冗余設(shè)計理念，目的是確定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，在郵輪一定界限內(nèi)發(fā)生事故時，壓載水系統(tǒng)、推進系統(tǒng)等能夠正常運行，提升郵輪在發(fā)生未超出規(guī)范所規(guī)定界限的事故后能夠依靠自身條件安全返回最近港口，且能維持船上人員基本生活的能力，減少棄船撤離的可能性。

2.1 事故分類與邊界

SOLAS公約第21條所規(guī)定的事故分為進水和火災(zāi)兩類，對于進水，SOLAS公約第8-1條所規(guī)定為的單個水密艙室進水[16]。對于火災(zāi)，若失火處安裝有滅火裝置，則事故范圍為失火處至最近的A級邊界。若沒有設(shè)置滅火系統(tǒng)，范圍將擴大至事故相鄰處的A級邊界。

進水事故邊界為水密艙壁，火災(zāi)邊界根據(jù)耐火性分為A/B/C三類，A類耐火性能最好。

2.2 壓載設(shè)計系統(tǒng)要點

安全返港的實質(zhì)是壓載水系統(tǒng)在事故邊界內(nèi)的部分允許失去，事故邊界外的部分應(yīng)保持正常運行。為滿足其要求，壓載水系統(tǒng)設(shè)計要考慮：

1）壓載泵的配置與布置

壓載泵的布置需考慮冗余配置，通常要求配置兩臺壓載泵，1臺作為主用泵，1臺作為備用泵，并布置在不同事故界限內(nèi)，當(dāng)主設(shè)備失靈后，備用設(shè)備能夠保持運轉(zhuǎn)。壓載泵可在緊急情況下作為消防泵使用，但不得用于輸送油類。

若2臺壓載泵沒有布置在同一艙室時，其相鄰艙壁應(yīng)該為A級界限的水密艙壁。若相鄰布置在同一艙室時，該艙室應(yīng)設(shè)置有滅火保護系統(tǒng)。

2）壓載管路布置

在SOLAS公約第12條5.1中規(guī)定若將首尖艙作為壓載艙，低于干舷甲板的防撞艙壁只允許通過一根管路，且通過防撞艙壁的壓載管路上必須設(shè)置能在艙壁甲板以上能操縱的截止閥。

壓載水總管應(yīng)布置在A-60防火邊界隔離的管隧內(nèi)部，應(yīng)保證失火處的壓載管路在管隧保護下仍正常工作不受影響。

壓載水總管不得穿過冷熱飲用水艙和潤滑油艙等艙室，若無法避免，在相應(yīng)艙室內(nèi)的壓載管路應(yīng)依據(jù)艙內(nèi)介質(zhì)環(huán)境按照船級社的規(guī)定設(shè)置壁厚。

壓載水管路布置應(yīng)保證在郵輪正常營運條件下都能對各壓載艙進行壓載和卸載，并避免壓載艙內(nèi)的水進入其他艙室。

壓載艙長度超過35 m時應(yīng)在前后端都設(shè)有吸口，且在郵輪正常航行的各角度下均能完成壓載水的壓載與卸載。

壓載管路應(yīng)使用膨脹接頭或補償器彎頭，用來補償因郵輪船體撓曲導(dǎo)致的管路伸縮量。

3）壓載管路閥件布置

壓載水總管在穿過A級邊界（水密艙壁）時，需根據(jù)邊界兩側(cè)是否為火源區(qū)域設(shè)置隔離閥。壓載水因需兩相流動，故在管路中不可設(shè)置止回閥。

各壓載艙支管通過隔離閥并入壓載總管，隔離閥件應(yīng)易于操縱且在區(qū)域內(nèi)不因事故發(fā)生受到影響，當(dāng)任一壓載艙的支管因事故失效后，可通過控制隔離閥使事故界限以外的壓載管路正常工作。

3 壓載水系統(tǒng)的主要參數(shù)及計算

3.1 壓載/掃艙泵的確定原則

1）臺數(shù)

挪威DNV船級社規(guī)定所有的壓載艙應(yīng)連接至少2臺壓載泵，故郵輪上一般設(shè)置2臺壓載泵。掃艙泵由噴射泵充當(dāng)，由郵輪通用泵中任意一個提供動力水。通常配備2臺，分別負責(zé)郵輪前半部分和后半部分的壓載艙，并具有適當(dāng)?shù)慕徊孢B接，以便任何1臺掃艙泵都可以連接至所有壓載艙。

2）排量

壓載泵的排量主要取決于壓載/卸載所需的時間，一般要求壓載泵在2～2.5 h內(nèi)將最大的壓載艙注滿或排空，6～8 h內(nèi)將所有壓載艙注滿或排空。VISTA號郵輪掃艙泵的排量為19.7 m3/h，2臺。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)相關(guān)計算得到總壓載水量Q為4330.9 m3，壓載泵排量q可按下式計算：

式中：Q為郵輪總壓載量，m3/h；T為工作時間，h。即壓載泵的最小排量為541 m3/h，在考慮壓載泵的損失和安全余量下，壓載水泵的選型排量為550 m3/h，2臺。

3.2 壓載水系統(tǒng)管路管徑設(shè)計

壓載管路管徑分為2個部分，一是海底門與壓載水泵之間的管路，二是壓載水泵到壓載艙之間的管路，由設(shè)計流量和流速決定。

1）海底門與壓載水泵之間的管路

壓載時，為保證壓載效率使壓載泵達到額定排量，泵的需要吸入壓頭不得大于泵的吸口處有效吸入壓力，這段管路因為距離不長，可選取壓載泵的吸入口直徑作為這段管路的直徑，基本可滿足功能需求。

2）壓載泵與壓載艙之間的管路

通常壓載管路（總管、支管）流速按照2～3 m/s的速度進行設(shè)計，排出管路以不大于3 m/s流速進行設(shè)計，對采用GRP的壓載管路流速可取2～4 m/s進行設(shè)計。

式中：d為管路的內(nèi)徑，m；q為3計算下的壓載泵排量，m3/h；V為管內(nèi)流體流速，m/h。

以VISTA郵輪為例，按照流速范圍計算得在總管管徑范圍為0.255～0.311 m，在考慮流量損失和安全余量下，壓載總管管徑選取DN300。

壓載水經(jīng)總管進入支管時，實際流量并非初始設(shè)定值，壓載泵在Q-H曲線和壓載管路阻力的特性曲線交點處運行，壓載支管的管徑需考慮實際布置中最不利路徑的壓力降，需要在進行阻力計算后確定在支管處的實際流量，對管徑進行修正。

3.3 壓載水系統(tǒng)管路阻力計算

郵輪壓載水系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)考慮工作過程中需克服的最大管路阻力損失，即在實際壓載管路布置圖上最苛刻的阻力情況下的壓載/卸載路徑。

管路阻力分為沿程阻力損失和局部附件（彎頭、閥件等）阻力損失，沿程阻力損失可按Darcy-Weisbach下式計算：

式中：L為管路長度，m；ρ為流體密度，kg/m3；g為重力加速度，9.8 m/s2；λ為管路摩擦阻力系數(shù)，具體值多由經(jīng)驗公式和實際管路實驗表獲得；Σσ為管路中彎頭和閥門等阻力系數(shù)的累加，V管路內(nèi)平均流速，m/s。

豪華郵船的管網(wǎng)阻力計算具有很高的綜合性和復(fù)雜度，要經(jīng)歷初始的估算，實際布置方式的具體計算和最后結(jié)合經(jīng)驗公式與仿真模擬3個階段，確保其壓載水系統(tǒng)中最不利位置的壓載艙周邊管路正常工作。

3.4 壓載水系統(tǒng)管路壁厚設(shè)計

關(guān)于船舶壓載管路的壁厚DNVGL-RU-SHIP Pt.4 Ch.1.part4chapter6section9中所規(guī)定的公式如下：

受內(nèi)壓的壓載管路最小壁厚不小于式（7）計算的值。

式中：t彎為彎管最小壁厚，t直為直管最小壁厚，t0為基本計算壁厚，b為彎曲附加余量（計算管路彎頭壁厚時使用），D為管路外徑，c為腐蝕余量（按流體類型參照船級社規(guī)定選?。?，R為管路彎頭處的曲率半徑，mm；P設(shè)計壓力（大于工作壓力），MPa；δ許用應(yīng)力，N/mm2；e有效系數(shù)，DNV船級社規(guī)定無縫鋼管、以及經(jīng)認可制造商交付的被認為等同于無縫鋼管的焊鋼管為1，其他認可管路制造商的焊接管路為0.9，其中管路的許用應(yīng)力δ應(yīng)取下列公式計算的最小值。

4 結(jié) 語

進軍大型郵輪領(lǐng)域是邁向海洋強國的重要標(biāo)志，壓載水系統(tǒng)作為郵輪最重要的輔助系統(tǒng)之一，其設(shè)計應(yīng)跳出傳統(tǒng)船舶壓載水系統(tǒng)的固有模式，在實際設(shè)計中需按照郵輪與傳統(tǒng)船舶的異同點，分析其差異對郵輪壓載水系統(tǒng)的影響因素。由于大型郵輪超高的復(fù)雜性和綜合性，在實際建造中應(yīng)該從根本上轉(zhuǎn)變設(shè)計理念?；卩]輪的工況特點，運用特殊的設(shè)計理念，不斷地探索和完善，設(shè)計符合郵輪需求的壓載水系統(tǒng)，助力我國順利實現(xiàn)大型郵輪壓載水系統(tǒng)的自主設(shè)計以及國產(chǎn)化工程應(yīng)用。