招商局重工（深圳）有限公司 邵启一

压缩空气排水半潜船的横倾自恶化效应

招商局重工（深圳）有限公司 邵启一

揭示压缩空气排水半潜船的一个固有特性，即在半潜状态下，当船的横倾角出现较快的改变时，正在操作的左右舷压载舱的进出水速度会随即发生改变甚至方向逆转，并会产生加大船的横倾角的不利效应。因此将其命名为横倾自恶化效应。为减小该效应的影响，给出操作上的建议。

半潜船；压缩空气排水；沉浮操作；横倾自恶化效应

采用压缩空气排水系统的半潜船，在半潜状态下常易于出现横倾失控。［1］业内人士一般都将失控归结为操作者对全船自由液面控制不当，导致初稳性变劣所致。时至今日，尚未见到有从空气的可压缩这一特性来对此问题进行解释或作出细化的分析。本文从半潜状态下，船的横倾角较快改变时，正在操作的压载舱通海阀处的净等效水头也会随之改变这一基本事实入手，论证了压缩空气排水系统半潜船具有的一个固有特性，即在船的横倾角较快改变的情况下，压载舱的进排水速度会明显改变，并会形成进一步加大横倾角的自恶化效应。在分析此现象的基础上，本文提出了弱化所述效应的针对性操作措施。

一、压缩空气排水的压载舱

1. 运作机理

压缩空气排水的压载舱，是依靠注入压缩空气来完成排水，通过自灌或对压载舱抽真空的方式来吸水压载的。采用这种压载舱的半潜船，一般可以获得较快的压载排水速度，但系统的管路却细小很多。［2］

压缩空气排水的压载舱都具有底部的通海阀和顶部的空气管。海水经过通海阀进出压载舱，而空气管则给输入压缩空气或抽排出舱内空气提供通道。从理论上看，打开一个压载舱的通海阀后，将该舱空气管接到空压机吸气端或直通大气，就可以对该压载舱压载；若将空气管接到空压机排气端，输入压缩空气，就可以对该压载舱排水。改变空气输入或抽取量，结合通海阀开度的调节，理论上就可以改变压载或排水的速度。［3］

2. 固有特性

然而，由于空气具有可压缩性，一个压载舱内部的空气压力就不会突变或者说不会发生很快的变化。这一固有的特性有时会导致即使已向一个压载舱注入压缩空气，该压载舱也未必就实际上在排水。因为，只有当舱内空气压力大于海平面和舱内水位（内外水位）的高度差，压载舱才有可能排水。显然，舱内空气压力大过内外水位高度差越多，排水速度就会越快。同样的道理，只有当舱内空气压力小于内外水位的高度差，压载舱才有可能进水。

3. 产生的问题

若以陆地为参照系，海平面高度显然不会瞬间改变，但对于半潜船来说，尤其是处于半潜状态下的半潜船来说，在极短时间内发生数度的横倾改变是常有的事。这时，对于位于船两舷的压载舱而言，就出现了海平面相对高度迅速改变的情况。如此，一个问题就随之而来。对于一个打开了通海阀正在操作的压载舱而言，海平面相对高度的明显变化，就意味着内外水位的高度差出现了明显的变化，因为这时压载舱内的空气压力不可能即时改变，舱内水位的变化也很小。那么，内外水位高度差的变化就会导致该压载舱通海阀中的水流速度发生变化，甚至还会出现水流方向被改变的情况，如果海平面相对舱内水位高度改变了足够多的话。因船的横倾角较快地改变而明显改变正在操作的压载舱通海阀中的水流速度甚至是方向，并最终会使船的横倾进一步加大，这就是本文摘要中提到的横倾自恶化效应。

之所以将所述的效应冠以恶化的定语，是因为正在压载或排水的压载舱，其进排水速度随着船的横倾角变化而变化的效应类似于自由液面效应，相当于增加了额外的横倾力矩。由于在半潜状态下，半潜船的初稳性多处于很小的、接近临界的状态，所以横倾自恶化效应在船的半潜状态下就会表现得尤为明显，从而更容易对船舶的安全造成潜在的危害。

二、横倾自恶化效应

1. 横倾角改变时内外水位高度差改变量

图1展示了一艘宽度42 m的半潜船，在横倾角出现3°的改变后，根据几何作图或计算得出的海平面和两舷压载舱内水位平均高度差的变化情况，这里假定每个压载舱的宽度为1/4船宽，横倾过程中压载舱内的压载水量在短时间内没有变化，且舱内的水线面均以各自的中性轴为倾斜轴。

图1　在横倾角改变3°后，海平面和压载舱水位平均高度差会改变0.825 m

以同样方法可以得出船的横倾角在1°到6°范围内改变时，内外水位高度差的改变量，如表1所列。因为仅是小角度横倾，表中数值符合近似线性变化的规律。另外，当一舷的内外水位高度差是增加时，对应另一舷的自然就是减小的。

表1　横倾角改变量与内外水位高度差改变量关系表

2. 伯努利方程

如果忽略管道阻力和水的黏性，依照伯努利方程，流经通海阀中的水流速度可由以下公式计算：

其中：hp为压载舱内的空气压力，m，按0.01 MPa =1 m水头来换算，真空时取负值；hb为压载舱内水位高度，m；hs为海平面高度，m；heq为通海阀处的等效净水头，m；V为流经通海阀的水流速度，m/s。

在将舱内空气压力、水位高度和海平面高度综合成等效净水头后，根据伯努利方程，通海阀中的水流速度就可以和等效净水头相互对应起来，而且，在舱内空气压力和水位高度没有明显变化的前提下，海平面高度的变化就会直接反映在等效净水头的变化上，并直接影响经过通海阀的水流速度的变化。

流经压载舱通海阀的设计水流速度比一般管路要快得多。表2给出了通海阀中的水流速度从2.5 m/s变化至10 m/s时所对应的等效净水头，以及对于口径400 mm的通海阀，可以达到的理论流量。

表2　等效净水头与水流速度、流量的关系

尽管实际的压载舱进排水时，因为存在管路损耗，水也存在少量的黏性，流经通海阀的水流速度会比表2所列的计算结果要小，但这并不会影响据此分析得出的结论。

3. 一些分析结果

利用表1和表2的计算结果，结合图1的图示，分析后可以得出以下结论：

（1） 等效净水头即使只有1 m的变化，也会明显影响流经通海阀的水流速度。如等效净水头从0.319 m改变到1.276 m，水流速度可以增加一倍。

（2） 在通海阀内的水流速度较小时（5 m/s以下），只要有1°～3°的横倾角变化，就有可能导致等效净水头出现方向性改变，而使水流速度反向。如流速在2.5 m/s时，横倾角发生2°的变化，或在3.75 m/s时，横倾角发生3°的变化。

（3） 当船的横倾角出现一个不大的变化，吃水增大一舷的压载舱因等效净压头增加，压载速度就会加快或排水速度就会减慢；吃水减小一舷的压载舱因等效压头将减小，排水速度就会加快或压载速度就会减慢。

（4） 就所分析的压载舱压载排水速度的改变规律，与调整横倾角需要的操作恰恰相反，从而有进一步增大横倾角的作用，即出现了所谓的横倾自恶化效应。

（5）如果船的横倾角改变足够大，如达到5°以上，那么通过压载舱通海阀的水流速度就有可能改变方向，即由排水转变成了压载，或由压载转变成了排水，即使操作者并未对通海阀和空气管阀的开度做任何调整。这说明，船的横倾角改变量越大，横倾自恶化效应就将越明显。

（6） 对于靠近中纵剖面的压载舱来说，在同样的横倾角变化下，海平面高度相对变化较小，横倾自恶化效应就没有边压载舱那样明显。

4. 效应影响程度的估计

由于在横倾自恶化效应起作用的过程中，压载舱内必然伴随有压载量的变化，所以这一效应与纯粹的自由液面效应不同，具有一定的动态效应成分。但通过静态计算效应产生的额外横倾力矩，［4］可以来大致评估其作用的大小。

不失一般性，这里假定两个左右对称位置的边压载舱，在相同初始排水速度的前提下，船发生右倾，横倾角分别改变1°、3°和5°时，计算因所述效应的作用而导致两舱排水流量的差异，以及在1 min时间内将会形成的额外横倾力矩。计算中取通海阀口径为400 mm，左右压载舱中心距离为30 m。详细的计算及有关结果分别如表3、表4、表5所列。

表3　右倾1°时，1 min后等效横倾力矩

表4　右倾3°时，1 min后等效横倾力矩

表5　右倾5°时，1 min后等效横倾力矩

在半潜状态下，半潜船的初稳性都很小，规范要求是不小于0.05～0.1 m（视具体海况定），那么，对于一艘下潜到最大沉深时，初稳性高度为0.1 m，排水量达到120 000 t的半潜船，要使其横倾3°也仅需要约6 300 kN·m的横倾力矩。对比3个表中最后一列所列的等效横倾力矩值，可见横倾自恶化效应对引起船的继续横倾会起巨大作用。更何况在沉浮过程中，一般至少会同时对6个压载舱（3对）进行操作，1 min后的等效横倾力矩将是表中计算值的3倍。因此，即使横倾仅改变1°，只要是改变得比较快，操作者若在1 min内没有恰当应对，横倾自恶化效应就会迅速显现出来。

5. 效应潜在的危害

除了横倾自恶化效应会引起半潜船横倾角迅速增加的潜在危害外，应该说，其最大的潜在危害就是知道这一效应存在的操作者甚少。由于缺乏认识，操作者心目中也就不可能预想好恰当的应对措施。在半潜状态下的半潜船，受临时外力矩的作用，出现数度横倾角的改变往往只需要一至数分钟，甚至更短的时间。这使得横倾自恶化效应常常就会起作用，但留给操作者的处置时间却很少。如果短时间内操作者未能采取非常有针对性的措施，对横倾的调整就难以见效，这时，船就会出现很大的横倾角，安全也就受到极大的威胁。

三、应对措施和建议

了解了压缩空气排水半潜船具有横倾自恶化效应这一特性后，在沉浮操作时就需要预定一些应对措施，以便在发现效应起作用的迹象时，用以控制横倾角进一步增大，防止效应导致严重恶果。以下是有关应对措施的一些建议：

（1）在半潜船处于初稳性较为临界的沉浮阶段时，尽量操作靠近船中纵剖面的压载舱，同时操作的压载舱数量尽量少一些，如不超过4～6个。这样在横倾角有快速改变时，效应影响会小一些。

（2）在半潜船保持在稳定的小角度横倾时（如3°以下），不要刻意将船快速调整到0°横倾，因为这样做实际上就是在快速改变内外水位的高度差，诱使横倾自恶化效应起作用。应尽量采用微调方式调整浮态。

（3）将压载舱通海阀调整在可以维持合适流量的开度上，即对应阀内有较快的流速，以弱化效应起作用时的影响（通海阀中水流的初始速度越大，受效应的影响就越弱）。

（4）记住只有通海阀才可以绝对控制压载舱内的水量不变，所以应同时启闭一个压载舱的通海阀和空气管阀，而不是仅仅关闭空气管上的阀。

（5）在船出现较快的横倾角改变时，可先迅速地将正在操作的压载舱通海阀全部关闭，防止横倾自恶化效应扩大，导致横倾角进一步增加。然后等压载舱内建立起合适的背压后再开启通海阀来调整横倾。

（6）在压载舱液位指示系统的设计方面，最好加入内外水位差的指示以及舱内空气背压指示，以帮助确定打开通海阀需要的背压是否合适。

四、结论

横倾自恶化效应是一种不利于压缩空气排水半潜船操作安全的效应，需要尽快被半潜船操作者认识。当半潜船处于沉浮阶段中初稳性接近临界的状态时，效应导致的额外横倾力矩在数量级上将与引起船数度横倾角的外力矩相近。为减小效应的作用，尽量使用靠近船中纵剖面的压载舱，同时操作的压载舱数量应尽量少一些，并采取缓慢的调整手法。当船出现较快的横倾角改变时，可先迅速地将正在操作的压载舱的通海阀关闭，来止住横倾角的进一步扩大，然后等压载舱内建立起合适的背压后再开启通海阀来调整横倾。

［1］王春久.半潜船的特点与操作介绍［J］.天津航海，2014（2）:8-10.

［2］周卓亮，蔡洁.50 000吨半潜船压缩空气压载系统设计研究［J］.船舶，2013（5）:57-62.

［3］李志垒.大型半潜船压载系统设计［J］.船舶，2014（1）:53-57.

［4］盛振邦.船舶静力学［M］.北京:国防工业出版社，1979:47，36.

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邵启一（1954—），男，硕士，高级工程师，E-mail：qyshao888@126.com